大口徑管道回拖單貓背發(fā)送技術(shù)的應(yīng)用

邱德璟

四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司，四川成都 610000

1 概述

大口徑管道在定向鉆回拖施工前，需在地面上調(diào)整好管頭的入洞角度，以便確保其同設(shè)計(jì)出土角度一致，從而最大限度地降低回拖拉力損耗。由于鋼管自身抗彎剛度大，其在自重荷載下發(fā)生的撓曲變形較小，故常借助吊裝[1]或設(shè)置貓背[2]的方式，通過調(diào)整吊點(diǎn)或貓背的高度或距離入洞點(diǎn)的水平距離來實(shí)現(xiàn)管道前端角度的變化，從而使其滿足同孔道出土角相同的條件。

行業(yè)內(nèi)通常借鑒的理論主要為曾聰、馬保松著作《水平定向鉆理論與技術(shù)》中所述的懸曲線設(shè)計(jì)[3]以及國際上常用的美國PRCI算法、美國PRCI簡(jiǎn)化算法、德國DCA算法等，但其實(shí)施過程較為繁瑣，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用推廣度并不高。本文所介紹的單貓背設(shè)置發(fā)送方法（其特點(diǎn)是將待發(fā)送的管道視為兩段連續(xù)的懸臂梁，并進(jìn)行連續(xù)兩次的撓度變形計(jì)算），經(jīng)多個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)施驗(yàn)證，認(rèn)為具有良好的應(yīng)用效果。該技術(shù)具有節(jié)約吊裝設(shè)備成本等優(yōu)點(diǎn)，在場(chǎng)地條件受限、地基條件較差、大型設(shè)備無法進(jìn)場(chǎng)就位等不利條件下仍能運(yùn)用，因此該技術(shù)對(duì)今后大型定向鉆管道的回拖施工具有重要的借鑒意義。

2 單貓背發(fā)送受力模型

將回拖管道吊裝至貓背上，貓背作為一個(gè)支點(diǎn)，限制了管道在自重荷載下的向下運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，在不受其他外部荷載的條件下，可將貓背對(duì)管道的支點(diǎn)作為（近似處理）懸臂梁的固定節(jié)點(diǎn)，支點(diǎn)至管頭部分作為自由段，如圖1所示，自由段在自重荷載下發(fā)生彎曲變形，末端向下產(chǎn)生最大位移量ymax，管道自由段同水平面的夾角由0°變?yōu)棣萷。

圖1 理想條件下管道單貓背發(fā)送工況示意

在理想情況下，在施工設(shè)計(jì)上希望管道狀態(tài)為θp=αho（式中：αho為導(dǎo)向孔出土點(diǎn)角度），這樣可使得管道自由段在進(jìn)入孔道時(shí)，同孔道的中心線角度完全一致，從而避免因管道與孔壁接觸而導(dǎo)致的管道局部應(yīng)力增加、洞口坍塌、回拖拉力升高等風(fēng)險(xiǎn)。

從工程實(shí)際發(fā)現(xiàn)，管道自由段在自重荷載下呈“下墜”趨勢(shì)，但進(jìn)入發(fā)送引溝后，由于管道受到溝內(nèi)自洞口溢出的泥漿產(chǎn)生的浮力作用，管道呈“上揚(yáng)”的趨勢(shì)。若這兩種趨勢(shì)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（結(jié)構(gòu)上的“反彎點(diǎn)”[4]）剛好發(fā)生在入洞口處，則易導(dǎo)致入洞口處的管道局部聚集過大的應(yīng)力，見圖2，這導(dǎo)致地表土體隆起或者塌方，從而造成后續(xù)管道入洞的困難[5]。

圖2 懸臂梁模型下管道撓度變形中反彎點(diǎn)位置示意

又因?yàn)椤胺磸濣c(diǎn)”在單點(diǎn)支撐的條件下是無法完全消除的，因此在設(shè)計(jì)貓背時(shí)，應(yīng)考慮將“反彎點(diǎn)”設(shè)計(jì)在引溝內(nèi)遠(yuǎn)離入洞口的位置。此時(shí)，管道的自由段可拆分成兩段相對(duì)獨(dú)立的懸臂梁。第一段為自貓背支撐點(diǎn)至反彎點(diǎn)，固定端為貓背支撐點(diǎn)；第二段為自反彎點(diǎn)至入洞口點(diǎn)，固定端為反彎點(diǎn)，見圖3。

圖3 計(jì)算參數(shù)示意

3 單貓背參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

本章所述的貓背設(shè)置高度、貓背與入洞點(diǎn)水平距離計(jì)算所涉及的相關(guān)參數(shù)如圖3所示。其具體計(jì)算過程如下：

（1）步驟1：根據(jù)材料力學(xué)中疊加法求梁彎曲變形的原理[6]，當(dāng)假定管道自由段角度變化值等于出土角時(shí)，計(jì)算管道的最大變形角度及所對(duì)應(yīng)的撓度值。

式中：θB0為管段的自由段角度變化值，（°），令其等于出土角；q為鋼管及內(nèi)配重管的線荷載總和，kN/m；L0為管道自由段水平長度，m；E為鋼管的彈性模量，MPa，取2×105MPa；I為鋼管的慣性矩，m4，取I=πD4（1-（d/D）4） /64；D為鋼管外徑，m；d為鋼管內(nèi)徑，m，d=D-2δ；δ為鋼管壁厚，m；yB0為管道自由段最大撓度，m；qp為鋼管的線荷載，kN/m；qb為配重管的線荷載，kN/m。

（2）步驟2：對(duì)yB0賦予一段調(diào)整深度，用于管道在引溝的泥漿中再次調(diào)整角度。令Y=yB0+k，將Y值代入計(jì)算式求解L1，再將L1代入求解 θB1，即：

式中：k為管道自由段角度撓度調(diào)整深度，取0.3～1 m，滿足 θB1＞θB0即可；θB1為第一段懸臂梁自由段角度變化值，（°）；L1為第一段懸臂梁自由段對(duì)應(yīng)的水平長度，m。

（3）步驟3：通過幾何圖形求解第二段懸臂梁自由段的水平長度及角度變化值。

式中：?θ為管道在引溝浸沒在泥漿段里的角度變化值，（°）；f為管道在輔助發(fā)送溝浸沒在泥漿段里受到的浮力線荷載，kN/m；qf為管道浸泡在泥漿中受到的凈浮力線荷載，kN/m；yb2為入洞口與反彎點(diǎn)切線之間的距離，m；L2為第二段懸臂梁自由段的水平長度，m。

（4） 步驟4：將yb2換算成豎直方向高度yb2V，L2換算成水平方向長度L2h。

（5）步驟5：確定貓背至入洞口的垂直高度及貓背距離實(shí)際入洞口的水平距離。

式中：H為貓背最高點(diǎn)至管道實(shí)際入洞點(diǎn)的垂直落差，m；?hf為鋼管在輔助發(fā)送引溝中泥漿液面至入洞口的垂直高度，m；L為貓背與入洞點(diǎn)的距離，m。

（6） 計(jì)算結(jié)果：?jiǎn)呜埍吃O(shè)置高度為h0，貓背與入洞點(diǎn)距離為L，引溝的開挖最深處深度為H-h0。

4 單貓背發(fā)送方案的實(shí)施過程

（1）發(fā)送工藝流程。該發(fā)送工藝流程的實(shí)施簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，見圖4。

圖4 管道回拖單貓背發(fā)送工藝流程

（2）貓背修筑。貓背的修筑采用單斗挖掘機(jī)，根據(jù)第3章“單貓背參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算”的結(jié)果修筑主貓背，然后在主貓背向管頭一側(cè)，距離約30 m位置，再修筑輔助貓背一個(gè)，輔助貓背的高度應(yīng)高于主錨背0.5～1.0 m，見圖5。

圖5 貓背修筑及管道就位示意

為提高主貓背的承載能力，減少貓背的變形，修筑時(shí)應(yīng)做好如下幾點(diǎn)：第一，主貓背底部宜鋪墊鋼板，增加地基剛度，防止貓背底部的不均勻沉降[7]；第二，主貓背兩側(cè)的邊坡，使用土袋做抗滑護(hù)坡，形成側(cè)限應(yīng)力，以提高其受到上部荷載的抗剪強(qiáng)度[7]；第三，貓背頂部宜采用橡膠制品做鋪墊，防止管道在行進(jìn)過程中防腐層被劃傷。

（3）管道吊裝就位。將預(yù)制完成的管道，采用吊車或者吊管機(jī)，將管道前端逐步吊裝至兩個(gè)貓背之上，見圖5。

（4）配重管注水。根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，對(duì)管道內(nèi)置入的PE管進(jìn)行注水配重，目的是降低大口徑管道在泥漿環(huán)境中受到的較大浮力[8]。

（5）拆除輔助貓背。使用單斗挖掘機(jī)自下而上挖除前端輔助貓背的土體，讓其在自重荷載下逐漸下墜至地面，見圖6，以便于下步連接鉆具后回拖。

圖6 拆除輔助貓背過程示意

（6）開挖引溝、連接鉆具。對(duì)輔助貓背向著入洞口一側(cè)開挖引溝，以確保管道發(fā)送時(shí)垂直方向的落差高度，見圖7；同時(shí)，將回拖鉆具與管頭連接，至此，回拖前管道發(fā)送準(zhǔn)備工作完成。

圖7 開挖發(fā)送引溝示意

5 應(yīng)用實(shí)例

該方法已成功應(yīng)用于蒙西管道前進(jìn)渠+南運(yùn)河定向鉆工程，該工程使用D1016mm×26.2 mm的L485鋼管，配重采用D630mm×24.1mm的PE管全段注水配重，泥漿密度1.3g/cm3，實(shí)際出土角7°。

根據(jù)第3章“單貓背參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算”中所述的計(jì)算方法，計(jì)算過程及實(shí)際應(yīng)用效果簡(jiǎn)述如下：

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。貓背搭設(shè)高度h0=1.5 m，鋼管自重線荷載為qp=6.40kN/m，配重PE管道荷載為qb=3.08 kN/m，鋼管浮力線荷載為f=10.53 kN/m，鋼管凈浮力線荷載為qf=0.87 kN/m。

（2） 中間計(jì)算參數(shù)值。當(dāng)θB0=7°時(shí)，L0=52.69 m，yB0=4.57 m，Y=4.57 m+0.5 m=5.07 m，L1=54.07 m，θB1=7.17°＞7°，滿足要求。此時(shí)，?θ=7.17°-7°=0.17°，yb2=0.076 1 m，L2=34.59 m，yb2V=0.075 6 m，L2h=0.61 m。

（3）計(jì)算結(jié)果。貓背最高點(diǎn)至管道實(shí)際入洞點(diǎn)的垂直落差H=7.5 m，貓背距離入洞點(diǎn)距離為L=78.5 m。

（4）實(shí)際應(yīng)用效果?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際H=7.2 m，貓背設(shè)置距實(shí)際入洞口72 m，基本同理論計(jì)算一致，見圖8。管道回拖入洞時(shí)，啟動(dòng)拉力約1 600 kN，無明顯波動(dòng)，扭矩平穩(wěn)（約50 kN·m），施工正常，應(yīng)用效果良好。

圖8 前進(jìn)渠+南運(yùn)河定向鉆施工現(xiàn)場(chǎng)回拖管道單貓背發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)

另外，該技術(shù)在中俄東（安平-泰安段）石津干渠、京石邯等管道口徑為1 219 mm的大型定向鉆穿越工程中也取得了良好的應(yīng)用效果。

6 結(jié)論及建議

（1）本文將管道受力模型簡(jiǎn)化成兩段懸臂梁來進(jìn)行計(jì)算，嚴(yán)格來講并不完全符合懸臂梁的定義，尤其是“假想”的第二段懸臂梁，隨著管道回拖速度的增加，假想的固定段（反彎點(diǎn)）在縱向上必然會(huì)發(fā)生位移，因此并不符合懸臂梁的定義。同時(shí)，在步驟2，Y=yB0+k中，關(guān)于k值的取值為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)得出。

（2）泥漿密度對(duì)計(jì)算結(jié)果值的影響較大，由于泥漿密度直接影響到第二段懸臂梁受到的浮力，因此在回拖前，應(yīng)多次測(cè)量出土點(diǎn)側(cè)的泥漿密度，求取平均值。

（3） 第4章（4） 的“配重管注水”中，設(shè)計(jì)了輔助貓背和主錨背的高差，目的是便于管頭注水后水可自動(dòng)流入配重管尾端，從而達(dá)到設(shè)計(jì)的配重要求。但在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工中，由于受到地形高低起伏、地面構(gòu)筑物以及目前注水工藝自身的限制，難以在PE配重管內(nèi)完全注滿水，通常注水填充率難以突破70%[9]，因此在管道回拖發(fā)送時(shí)，管頭自由端的線荷載應(yīng)比理論計(jì)算值偏小，但線荷載偏差對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響要小于泥漿密度的影響。另外，關(guān)于“如何使PE管內(nèi)完全充滿水”，目前依然是業(yè)內(nèi)待解決的技術(shù)難題。

本文所介紹的管道回拖單貓背發(fā)送技術(shù)，由于回拖全過程無需多臺(tái)吊車、吊管機(jī)等吊裝設(shè)備的全程值守，節(jié)約吊裝成本至少萬元以上，因此該技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。