海底及跑道下航煤管道定向鉆設(shè)計研究

張煒

北京中航油工程建設(shè)有限公司 北京 100012

在承接某機場新建航煤輸油管道設(shè)計任務(wù)時，發(fā)現(xiàn)擬建航煤輸油管道先后穿越海域及機場跑道，在綜合考慮設(shè)計規(guī)范、施工難度、運營風(fēng)險和管道完整性等因素后，水平定向鉆成為工程實施的唯一可行的穿越方式。由于此區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，需要躲避的自然障礙物和人為障礙物較多，定向鉆曲線的設(shè)計需要考慮的問題很多，難度極大。

1 項目簡介

某機場作為華南地區(qū)的重要國際機場，年旅客吞吐量約為700萬人次，貨郵吞吐量約為3.5萬噸。該機場航站樓及停機坪在陸地區(qū)域建設(shè)，跑道和平行滑行道在填海而成的人工島上建設(shè)。停機坪與人工島之間依靠南、北兩座滑行道橋連接。機場中轉(zhuǎn)油庫位于機場南側(cè)三公里左右，機場油庫位于機場停機坪區(qū)域。機場油庫與中轉(zhuǎn)油庫之間通過現(xiàn)狀DN200輸油管線連接。由于現(xiàn)狀輸油管線與此區(qū)域內(nèi)擬建的某重要設(shè)施沖突，需要另選路由新建航煤輸油管線。新建航煤輸油管道起點為中轉(zhuǎn)油庫，終點為機場油庫，管道全長6000m,管徑DN200，設(shè)計壓力1.6MPa。管道自中轉(zhuǎn)油庫引出后，采用定向鉆方式穿越海域及機場跑道，在跑道東側(cè)出土后沿跑道向北直埋敷設(shè)，加蓋板穿越跑道端頭后采用掛北滑行道橋的方式再次穿越海域進入停機坪，并最終回到機場油庫。航煤輸油管道自中轉(zhuǎn)油庫引出至機場跑道東側(cè)出土一段，是整個管道線路設(shè)計中難度最大的一段。由于機場跑道無法關(guān)閉，不能采用開挖直埋方式施工。由于機場跑道周邊不能布置顯著高出地面的設(shè)施設(shè)備，盾構(gòu)法無法采用。此段穿越長度約為800m,其中約500m在航道下敷設(shè)，不具備設(shè)置頂管中繼坑的條件，因此也無法采用頂管法進行施工。綜合考慮上述限制因素，水平定向鉆是唯一可行的穿越方式[1]。

2 設(shè)計過程

通過對地勘資料和周邊人工障礙物進行分析，定向鉆空間曲線設(shè)計需要考慮如下因素：

2.1 海底管道埋設(shè)深度

定向鉆區(qū)域平均海床高度為-4m，由于此區(qū)域為較為繁忙的航道，為了避免管道受到拋錨等第三方因素的破壞，海底管道的埋設(shè)深度不應(yīng)小于-7m。根據(jù)地質(zhì)勘查報告，此海域-6m至-10m之間為粉質(zhì)黏土，定向鉆成孔條件較好，但零星分布有填海造陸時拋下的扭王字型拋石，查閱填海造陸圖紙得知，拋石為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向頭無法通過。在-10m至-21m之間為中砂層，透水性較好，無法形成泥漿通道。綜合考慮上述三個情況，確定海底管道的埋設(shè)深度不小于-23m。

2.2 跑道下管道埋設(shè)深度

理論上講，跑道下管道的埋設(shè)深度越大，施工過程中和完工后對于跑道的影響就越小。但過大的穿越深度不僅會造成定向鉆導(dǎo)向過程中的定位困難，還會顯著增加定向鉆長度和工程投資。定向鉆對于跑道安全運營的主要不利影響是完工后孔洞塌陷引發(fā)的地表下降和施工過程中泥漿壓力過高造成的地表隆起。為此，使用Plaxis軟件對定向鉆穿越孔洞進行分析，發(fā)現(xiàn)在穿越深度大于-20m時，由于拱效應(yīng)，定向鉆施工對于跑道不會產(chǎn)生任何明顯的沉降。但為了避免泥漿超壓帶來的地表隆起，定向鉆施工過程中的泥漿壓力不應(yīng)大于190kPa。因此確定跑道下管道的埋設(shè)深度與海底段一致，均為-23m。

2.3 入土角和出土角的選擇

考慮鉆機擺放空間和人員進出的便利性，確定中轉(zhuǎn)油庫一側(cè)為定向鉆入土端，機場島一側(cè)為定向鉆出土端。由于中轉(zhuǎn)油庫護岸也是拋石結(jié)構(gòu)，為了盡可能避免遇到拋石，需要以較大的角度盡快通過拋石區(qū)，為此，選擇11°這一較大的入土角，彈性敷設(shè)曲率半徑為330m，并且在入土端將鉆機下沉2.6m。由于定向鉆水平段埋設(shè)深度較大，為了盡量縮短定向鉆長度，控制工程投資，出土角確定為10°，彈性敷設(shè)曲率半徑為600m。

2.4 出土端彈性敷設(shè)布管

考慮到回拖管道預(yù)制場地需要與機場跑道保持足夠的安全距離，回拖管道無法直線布管，只能布置在一個曲率半徑為600D的圓弧上。為了驗證這一彈性布管方式在回拖過程中是否會損傷管道外防腐層及焊口，定向鉆施工前進行了彈性布管和回拖專項試驗，證明這一布管模式不會對管道安全造成不利影響。

3 施工中采取的技術(shù)措施

3.1 磁靶控向設(shè)備的選用

定向鉆導(dǎo)向過程中，在鉆頭從機場島護岸下的密集拋石區(qū)下方通過時，受到拋石中鋼筋網(wǎng)的影響，以及機場跑道導(dǎo)航系統(tǒng)的電子干擾，定向鉆采用的P2控向設(shè)備信號衰減嚴(yán)重，多次丟失導(dǎo)向頭位置坐標(biāo)，造成停工。為此緊急購買磁靶控向設(shè)備，并在拋石區(qū)及跑道周邊布設(shè)磁靶，并在機場跑道停航關(guān)閉后進行導(dǎo)向施工，最大限度的提高了信號的強度，從而保證了導(dǎo)向的準(zhǔn)確性。

3.2 技術(shù)套管的使用

在入土端擴孔過程中發(fā)現(xiàn)，入土點周邊的地質(zhì)情況極為復(fù)雜，巖性變化劇烈且裂隙極多，泥漿壓力保持困難。結(jié)合地勘資料認為管道進入了拋石區(qū)及雜填區(qū)域內(nèi)。為了保證泥漿壓力并避免漏失泥漿對環(huán)境造成污染，從入土端夯進DN400技術(shù)套管168m，順利通過地質(zhì)條件復(fù)雜段。

4 結(jié)論與建議

2018年12月29日，新建航煤輸油管道順利進油，證明在海底及跑道下進行定向鉆施工是完全可行的。在進行此類定向鉆設(shè)計時，首先應(yīng)根據(jù)地勘資料和土力學(xué)計算確定水平段管道的最小埋設(shè)深度，再根據(jù)地下障礙物的情況確定水平段的埋設(shè)深度。出入土角度和曲率半徑需要綜合考慮定向鉆長度、出入土點的位置和地下地面障礙物的情況。對于埋設(shè)深度較大或信號干擾較為嚴(yán)重的定向鉆，應(yīng)選擇高質(zhì)量的有源導(dǎo)向設(shè)備進行導(dǎo)向，或者在信號干擾較弱的時候進行導(dǎo)向作業(yè)。對于地質(zhì)條件復(fù)雜的地段，或者是泥漿漏失嚴(yán)重的地段，可以通過技術(shù)套管方式來保證泥漿壓力。