申 粤, 乔 珩， 乔志国， 黄 俭

(1.杭州市城乡建设设计院股份有限公司，浙江杭州310004；2.杭州天然气有限公司，浙江杭州310017；3.中油昆仑管道工程有限公司，河北廊坊065000)

1 工程概况

天然气高压管道水平定向钻穿越钱塘江水平长度2 452 m，穿越管道位于跨江大桥下游约350 m，设计压力4.0 MPa，公称管径600 mm。

结合地质条件，穿越工程采用导向孔对穿工艺穿越主航道，利用现状市政道路场地一次性组焊。工程难点在于：江底导向孔长距离穿越粉质粘土层，出入土段较长距离穿越砂质粉土层，容易发生塌孔、钻杆失稳、抱钻、钻头方位难以控制等问题；穿越入土侧还须避让5条重要的油气管道，穿越位置上游平行50 m处还有一条现状定向钻穿越的输气管道。

2 水文地质条件

穿越水域属感潮型河流，呈不规则半日潮型，水位直接受潮汐影响，变化较大。场地地层均为第四系地层，按地质时代、成因类型及工程特性，分为6个工程地质层、9个亚层，自上而下分别为：①层素填土，②-1层砂质粉土，②-2层砂质粉土，③-1层砂质粉土，③-2层粉砂夹粉土，④-1层砂质粉土夹淤泥质土，④-2层粉质粘土夹粉土，⑤层粉质粘土，⑥层粉质粘土。

3 设计参数

依据GB 50423—2013《油气输送管道穿越工程设计规范》(以下简称GB 50423—2013)第3.3.3条规定，并结合水利部门要求，工程设计洪水频率采用0.33%,即300年一遇。参照SY/T 6968—2013《油气输送管道工程水平定向钻穿越设计规范》第3.0.5条规定，工程重要性类别为一类。设计选用直缝双面埋弧焊钢管，材质L360M，钢管制造标准为GB/T 9711—2017《石油天然气工业 管线输送系统用钢管》，产品规范水平为PLS2级，采用3PE加强级防腐并辅以强制电流阴极保护，补口采用进口定向钻专用热收缩带。设计穿越入土角12°，出土角7°，入土角和出土角处均设置为竖向弧形管道，水平穿越处设置为平面弧形管道，弧形管道的曲率半径为915 m(即1 500 倍钢管外直径)。水平段穿越土层主要为⑤层粉质粘土层。管底设计标高约为-25 m，管顶距现状江底最小距离为22 m，距设计洪水冲刷线间距约12.5～15.2 m。

4 前期审批

天然气管道输送介质具有易燃易爆的危险特性，本案例设计前期与沿线地方规划、水利部门收集穿越设计所需的技术数据及相关管理要求。委托专业机构建立水域冲刷模型，确定穿越冲刷线技术指标，依据《中华人民共和国航道法》要求对航道通航条件影响进行评价，编制通航标志方案提交航道主管部门审批备案。依据《水利工程安全管理条例》要求进行防洪评价，编制岸堤交叉处沉降观测方案提交水利部门审批备案。依据《中华人民共和国石油天然气管道保护法》要求对相邻油气管道影响进行评估，编制施工保护方案提交地方油气管道主管部门备案。在明确规划路由后，与属地交通部门确认交通组织方案，以保障管道顺利回拖前的组焊、试压、清管等各项准备工作。对于沿线其他市政设施通过前期物探进一步核实管位及埋深，与产权单位签署安全协议并由对方派驻人员现场监护，必要时开挖验证以保证设施安全。

5 施工组织

5.1 施工工艺选择

根据GB 50423—2013第5.2.3条公式(5.2.3)进行管道回拖力计算(管段内不充水回拖)。经计算得到穿越管道回拖力为2 020 kN，根据国内外的经验，一般钻机回拖力取值为计算回拖力的1.5～3倍，本工程选取2倍的安全系数[1-2]。由于穿越距离长，导向孔施工采用对穿工艺，使用2台钻机从出、入土点两侧同时进行导向孔施工作业。入土点主钻机选用FDP-550钻机(回拖力5 500 kN)，出土点辅助钻机选用GD-300钻机(回拖力3 000 kN)，安全系数能够满足穿越施工要求。

5.2 施工组织方案

① 穿越施工流程

穿越施工流程见图1。

图1 穿越施工流程

② 穿越施工方案

穿越采用导向孔对穿工艺施工，其原理是施工主钻机侧的钻头找到辅助钻机侧的钻头后，在钻好的导向孔内跟随辅助钻机侧的钻头出土，避免单次穿越钻杆长距离受力发生弯曲变形从而易断裂，提高施工安全程度。对接穿越需用2台钻机协同作业完成，主钻机单钻钻进长度控制在1 600～2 000 m,辅助钻机单钻钻进长度根据主钻机情况选择400～800 m。为将穿越风险降到最低，另配置夯管锤现场全程应急备用[3]，其作用是在管道回拖过程中，回拖受阻、拉力增大时，从管尾施加夯力，一方面推进管道前进，另一方面使管体产生振动波，将管体表面塌方或缩孔泥土液化，减小摩擦力。主钻机作业区位于钱塘江东岸，作业面积4 260 m2。辅助钻机作业区位于钱塘江西岸，作业面积3 500 m2。采用直径为168 mm钻杆完成导向孔、扩孔和回拖施工。钻具组合方案为专用钻头+直径为178 mm的造斜短节+无磁钻挺+直径为168 mm的钻杆。控向系统单边钻进时采用SHARWELL导向系统，两钻头碰头后采用对接系统对接。

穿越曲线在水平段实施对接。当两钻头钻进至预定对接位置后，开启钻头对接系统，入土点主钻机的钻头中安装有对接导向系统的信号发射装置，出土点辅助钻机的钻头中安装对接导向系统的信号接收装置。通过对信号的处理、分析，计算两钻头的相对位置，得出结果后，主钻机钻头调向钻进，辅助钻机钻头追踪主钻机钻头，最后两个钻头扣合在一起，由辅助钻机钻头将主钻机钻头牵引出土，完成长距离导向孔穿越。

穿越管道管径为DN 600 mm，根据穿越扩孔的要求，最小扩孔直径应达到管径的1.5倍，最终扩孔直径应≥915 mm。因此，导向孔完成后，使用直径为400 mm、600 mm、800 mm、950 mm的4级扩孔器扩孔施工。穿越管道在出土点后50 m的位置开始布设，弹性布置在西岸市政道路上。管道回拖时采用滚轮发送器发送，每隔15 m设置1个滚轮发送器。扩孔洗孔完成后一次性连续回拖。由于穿越管道长距离穿越砂质粉土层、粉质粘土层，施工过程中通过采用自来水配置泥浆，在泥浆中添加正电胶、羧甲基纤维素添加剂等，控制泥浆性能，降低施工风险。

③ 施工中遇到的问题及解决措施

a.长距离土层穿越过程中，导向孔钻进选用泥浆动力马达，为防抱钻一般需要每间隔400～500 m加一个补浆器，但是泥浆马达是靠泥浆压力工作，增加补浆器会造成泥浆马达泄压的风险。为此专门制作了一批符合压力设计要求的补浆器，满足泥浆马达的工作需要，配合出、入土点两端泥浆泵同时注浆，有效地防止抱钻风险的发生。

b.地层软硬交错，入土、出土段曲线都经过淤泥地层，为避免导向施工过程中钻杆折断，在出、入土侧两端设置直径为273 mm的导向套管，出土端长196 m，入土端长48 m，将钻杆套在其内，确保力的传递及返浆通畅。导向过程采用先钻进后洗孔的方式，由于在长距离粘土层导向过程中，钻头返浆量逐渐减少，对后续钻杆的润滑效果下降，容易发生抱钻，因此需要尽快完成导向钻进，确保返浆量符合导向施工要求。待导向孔导通后，要立即进行洗孔，目的是给孔洞注入泥浆润滑及保护孔壁，防止塌孔抱钻杆。

c.受预制管场地所限，从出土点开始需弹性布管2 000 m，为此协调交通，利用现状道路条件，管道占用道路一侧机动车道，在出土点起始的一段开挖发送沟，道路上采用滚轮发送器发送，满足回拖要求。

④ 施工进度

施工分管道安装、实施穿越、附属工程3个部分，有些是可以同时进行的，总工期为120 d。其中管道安装68 d，含测量放线、施工便道修筑、作业带清理、管道运输与布管、主管道坡口加工、管道组对、主管道焊接、主管道补口补伤、主管道试压、清管、测径、直管段安装、管道二次试压、清管、测径、设备撤场、地貌恢复。实施穿越111 d，含测量放线、施工便道及作业区修筑、钻机进场安装调试、主管道导向孔钻进、主管道扩孔+清孔、主管道回拖、设备撤场、地貌恢复。附属工程施工18 d，含防腐层检测、泥浆合法合规处理等。

6 经验总结

① 前期论证、高标准设计、精心协调组织发挥了关键作用。前期设计方案反复论证、航道通航条件影响评价、防洪评价、油气管道安全评估、施工保护方案评审、施工期间交通组织协调等一系列充分的准备工作，是确保工程一次性回拖成功的关键。

② 丰富的施工经验、先进的施工技术和设备以及管理提供了成功保障。为应对复杂的地质条件和苛刻的施工条件，施工单位必须具备丰富的类似工程施工经验，采用先进的施工工艺、机械设备和科学的管理方法，确保水平定向钻施工一次性成功。