某天然气支线管道定向钻穿越三条铁路及一孔双拖施工工程探讨

摘 要：田阳天然气支线管道工程本工程是广西“县县通”天然气管道工程，管线原设计方案为两次穿越铁路，经反复勘查现场比选优化设计为一次性穿越南昆铁路、南昆二线和云桂高铁三条铁路且一孔双拖施工方案。该铁路穿越工程是广西管网公司及广西区内首次采用定向钻穿越方案进行铁路穿越施工，该支线管道工程定向钻穿越三条铁路一孔双拖的成功案例在国内也是首例，为以后新建类似项目穿越铁路建设施工可提供很好的示范指导作用。

关键词：天然气；管道；定向钻；穿越铁路；一孔双拖

1 项目概况

1.1 项目简介

本工程是广西“县县通”天然气管道工程，全长约3km，管径D219.1mm，设计压力6.3MPa。总体走向自东向西，管道穿越南昆客运专线、既有南昆铁路、南昆铁路南宁至百色段增建第二线工程（南昆二线），起始里程0km+0m，终止里程0km+384.4m，桩号TY001～TY002。地区等级为三级地区，穿越方式为水平定向钻方式穿越，穿越设计长度为331.7m。采用D219.1×6.3 L290M直缝高频电阻焊钢管，外防腐采用常温型三层PE加强级防腐。

1.2 自然条件

本工程穿越处在地貌单元上为冲积平原，穿越处无滑坡、崩塌、泥石流等不良地质作用，也不存在盐渍土、黄土、污染土等特殊性土。附近有国道G323可直达穿越区，交通便利。勘察期间测得稳定地下水位深度为4.80m～7.80m，标高为120.60m～121.60m。根据地震评价报告及钻探揭露，穿越位置处存在饱和粉砂，但黏粒含量均大于10%，可判为不液化土，可不考虑地震液化的影响。

1.3 工程条件

本项目为天然气支线管道下穿南昆客专田阳双线特大桥、既有南昆铁路和现在施工中的南昆铁路增建二线工程，属于涉铁工程的范畴。

①南昆客专田阳双线特大桥：南昆客专田阳双线特大桥中心施工图里程为DK194+852，孔跨布置为19×32+（32+48+32）m，全长4832.527m，施工图里程范围为DK194+167.357～DK198+999.884。于DK194+852处跨越改建既有南昆线，线路与其交角为24.7°，设计采用（32+48+32）m连续梁跨越；②既有南昆铁路：既有南昆铁路东起南宁，西至昆明，北接红果，是西南地区的出海通道之一，既有线南宁至百色段设计速度100km/h。天然气管道与南昆铁路交叉附近无桥梁，有1座涵洞，盖板箱涵距离管道大于70m，在管道施工影响范围以外，且涵洞没有明显病害；③南昆二线：南昆二线工程于2015年5月开工建设，此段已建成，尚未通车，南宁至百色段设计速度120km/h。

2 定向钻穿越工程设计方案

图1穿越点具体地理位置图

①穿越位置的选定原则：a符合线路总体走向，线路局部走向可根据穿越位置进行调整；b应满足铁路局及规划部门的相关规定和要求；c选择在无永久建（构）筑物段穿越；d尽量避开灾害性地质地段（如活动地震断裂带、滑坡等），选择有良好、稳定地层的地方穿越铁路；e穿越位置附近应有一定的施工场地及便利的交通运输条件；f根据线路总体走向以及铁路局相关专家意见最终确定管道穿越铁路位置；②交叉点的选择：穿越处位于南昆客运专线田阳双线特大桥117#-118#桥墩之间，穿越处南昆客运专线里程为K195+432.829（运营里程）K197+961.44（施工图里程），交叉角度为78°。穿越既有南昆铁路里程为K178+179.86，交叉角度为65°。穿越南昆二线里程为ZDK178+175.99，线交叉角度为65°；③出入土点选择：铁路两侧主要为农田，地势较开阔。入土点选在东侧；出土点选在西侧。入土点坐标（X= 2632719.322，Y= 386431.606）；出土点坐标（X= 2632983.531，Y= 386626.029）。定向鉆曲率半径为1500D即328.65m，入土角10°，出土角10°。定向钻入土点里程0km+7.7m，出土点里程0km+335.7m，定向钻穿越水平长328m，定向钻穿越长度331.7m。入土点距离南昆二线、南昆铁路、南昆客运专线中心线的距离分别为137.5m、159.3m、180.4m；出土点距离南昆铁路、南昆客运、南昆二线中心线的距离分别为147.7m、168.8m、190.6m；④穿越地层选择：根据工程地质剖面图上所揭示的地层，穿越管线主要在第②层泥岩层中通过，管顶最大埋深为20.55m；⑤穿越曲线设计：设计考虑定向钻曲率半径为1500D即328.65m，入土角10°，出土角10°。定向钻入土点里程0km+7.7m，出土点里程0km+335.7m，定向钻穿越水平长328m，定向钻穿越长度331.7m；⑥穿越管线用管：穿越处为三级地区，考虑安全、环保等因素，按四级地区设计，壁厚设计系数取0.4。管道设计压力为6.3MPa，管道采用L290直缝高频电阻焊钢管D219.1×6.3mm；⑦管道抗震：按照《油气输送管道线路工程抗震技术规范》（GB50470-2008）的规定，由地震波引起的管道最大轴向应变与操作条件下荷载引起的轴向应变的组合不大于管道抗震动的轴向容许应变。经抗震校核本工程管道是安全的，可不考虑设防；⑧管道防腐：管道外防腐层全线采用常温型三层PE加强级外防腐层。定向钻穿越段在钢管三层PE加强级外防腐层外采用环氧玻璃钢（五油二布，厚度1.2mm）进行外护。在南昆铁路、南昆客运专线两处交流电气化铁路，定向钻穿越管道单侧各设1组牺牲阳极进行交、直流干扰防护和排流；⑨光缆穿越：光缆穿越方案与天然气管道相同，采用定向钻穿越铁路。硅芯管（光缆）保护套管采用与天然气管道一孔回拖的方案穿越铁路。硅芯管（光缆）保护套管采用1根D114×5mm的20#无缝钢管，钢管内拖放2根硅芯管，在铁路穿越两侧各埋设复合人孔1个，然后采用气流法在2根硅芯管内均吹放光缆（一用一备）；⑩线路标志：管道穿越时，在两侧设置穿越桩及警示牌。全线除定向钻段外均设置警示带。

3 定向钻穿越铁路的施工方案

3.1 定向钻穿越施工主要步序

①测量放线，现场平整，将钻机就位在穿越中心线位置上，钻机就位完成后，进行系统连接、试运转，保证设备正常工作；②按操作规程标定控向参数，对不同位置的测量值做对比，取其有效值的平均值作为控向参数；③根据地质情况进行泥浆配制；④开钻前做好钻机的安装和调试等准备工作，确定系统运转正常进行试钻；⑤进行导向孔钻进，该工序是整个定向钻施工的关键；⑥导向孔完成后，分三次进行扩孔施工，第一次扩孔直径为300mm，第二次扩孔直径为400mm，第三次扩孔直径为500mm；⑦进行管线回拖；⑧钻机场地地貌恢复、剩余泥浆处理和设备转场。

3.2 管道焊接、检验与清扫、试压、干燥

①以半自动焊接方式为主，手工焊焊接方式为辅；②所有环向焊缝均进行100% X射线检测以及100%超声波探伤；③进行试压前必须采用清管器进行清管，清管次数不少于2 次并达标；④清管合格后，要用带有铝质测径板的清管器进行管道的变形测径，宜采用6mm铝制板作测径板；⑤输气管道必须进行强度试压和严密性试验；⑥输气管道在试压、清管结束后将试压设备及阀门内的水排尽并进行干燥。

3.3 施工技术要求

①本工程同时回拖D219.1的主管道与D114的光缆套管，采用多管无束缚回拖方式，即两个工作管前段套入一根套管，套管后端的工作管处于自由状态下回拖，这样即便于牵引和防止工作管损伤又能减少损伤地下管线的风险；②连接方式为：管线前端连接扩孔器及万向节，由钻机牵引向入土点回拖；③为了避免回拖管线时使管线产生较大的折角，采用挖掘机将管线吊起，使角度缓慢过渡。两条管线在套管以后处于无束缚状态，为了避免管线应力散乱，在后端设置两个龙门架，龙门架宽度略宽于发送沟宽度。

4 穿越工程风险评估

4.1 天然气物性分析

天然气主要成分烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般有硫化氢、二氧化碳、氮和水气和少量一氧化碳及微量的稀有气体。含硫天然气的主要腐蚀危害有：含硫气对铁属器具的腐蚀。对金属制品的腐蚀危害。易扩散、易流动性，易导致事故范围扩大，尤其是H2 S的空气重，易聚积在低洼处导致人员中毒。静电危害，静电聚积而放电，易导致火灾爆炸危险。

4.2 穿越方式的技术评估

①交叉平面位置：管道从南昆客专田阳双线特大桥117～118号墩之间穿越，管道外缘距桥梁墩台基础外缘的最小水平净距为10.41m。穿越既有南昆铁路：管道从无病害段区间路基穿越，管道边缘距离涵洞中心线距离为21.9～18.2m，管道边缘距离涵洞结构边缘最小水平净距为17.6m。穿越南昆增建二线铁路：管道从区间路基穿越，管道边缘距离涵洞中心线距离为14.1～7.5m，管道边缘距离涵洞结构边缘最小水平净距为6.6m，管道边缘距离涵洞过渡段边缘最小水平净距为0.6m；②交叉埋深：管道从南昆客专田阳双线特大桥117～118号墩之间穿越，交叉点处梁底距地面线19.5m，管道顶位于地面以下18.5m。穿越既有南昆铁路：管道从无病害段区间路基穿越，交叉处路基无加固处理层，路肩处管顶距自然地面的距离为17.38m。穿越南昆增建二线铁路：管道从区间路基穿越，交叉处路基无加固处理层，路肩处管顶距自然地面的距离为19.96m；③交叉角度：管道从南昆客专田阳双线特大桥117～118号墩之间穿越，管道与铁路交叉角度为78°。穿越既有南昆铁路：管道从无病害段区间路基穿越，管道与铁路交叉角度为65°。穿越南昆增建二线铁路：管道从区间路基穿越，管道与铁路交叉角度为65°；④管道阀室：项目起点西气东输二线南宁-百色支线的16#阀室为既有工程，项目终点田阳分输站位于既有铁路右侧，离铁路约500m；⑤施工方法：穿越南昆客專管道采用定向钻从南昆客专田阳双线特大桥117～118号墩之间穿越。穿越既有南昆铁路及南昆增建二线铁路管道采用定向钻从无病害段区间路基穿越；⑥定向钻施工要求：入土点距离南昆二线、南昆铁路、南昆客运专线中心线的距离分别为137.5m、159.3m、180.4m。出土点距离南昆铁路、南昆客运专线、南昆二线中心线的距离分别为147.7m、168.8m、190.6m。本工程入土点与三条铁路安全保护区的最近距离为100.2m，出土点与三条铁路安全保护区的最近距离为116.9m。

4.3 定向钻施工技术评估

4.3.1 定向钻施工法的特点

定向钻施工法是指无法以传统开挖、推进及作业人员无法进入工作区，须用机械方法来操作钻掘、排土、清渣及方向控制，并同时在扩孔后将各种管材埋入地下的施工方法。定向钻施工特点有：采用机械化施工，工期缩短，施工迅速，提高了工作效率，节约成本。

4.3.2 定向钻穿越施工对铁路安全的影响及对策措施

根据类比工程，结合本管道水平定向穿越的实际情况，该穿越段对铁路及其附属设施的影响主要表现为：工程失败、路面沉降、塌陷和泥浆污染。可采取的对策措施：①在进行定向钻施工之前，需要对所穿越地层的自稳性进行一定的分析，从而有效的防止成孔引超的地面塌陷；②保证出、入土点距路基的安全距离，控制回拖速度；③分析地层土壤密实度，选配合适的泥浆压力，防止冒浆的情况产生；④泥浆制作、利用、回收及废浆处理，要避免污染环境，排放的废水与废弃圈体必须符合国家污染物排放标准；⑤当定向钻在进行施工时，注意防止跑浆对堤坝、农田造成的不良影响，进行施工前，要对实际的地质状况进行一个详细的勘查；⑥若是在岩层变化较大的地区进行施工，需对软硬不同的地层采取不同的钻进速度，从而防止钻孔上抬与下沉，形成一个错台孔；⑦加大对施工现场的HSE管理。建立应急预案，并进行应急演习。

4.4 沉降计算

穿越施工引起的地面沉降计算方法主要有经验法和解析法。目前工程界常采用Peck提出的地面沉降横向分布估算公式：

Smax=V1/sqrt（2π）/i

式中：S（x）--距离管道轴线水平距离为x处的地面沉降量（m）；Smax--管道轴线正上方的最大地面沉降量（m）；Z--管道中心埋深（m）；R--扩孔施工半径（m）；i--地面沉降槽宽度系数（m）；W--沉降槽宽度（m）；Φ--土层的内摩擦角（°）。

对三条铁路线的沉降进行了计算，其计算结果如下：①南昆客专： Z=18.5m，R=0.2m，Φ=45°；计算结果：i=16.7m，W=84m，V1=0.014m3/m，管道正上方处地面的最大沉降值为Smax=0.34mm。对应的墩台位置（x=12m）处的地面最大沉降值为S=0.26mm；②既有南昆线： Z=17.38m，R=0.2m，Φ=45°；计算结果：i=16.7m，W=84m，V1=0.014m3/m，Smax=0.34mm；③南昆二线计算结果： Z=19.96m，R=0.2m，Φ=45°；计算结果：i=19.m，W=96m，V1=0.014m3/m，Smax=0.30mm。

4.5 安全及技术评估结果

2017年8月1日，组织专家对本工程定向钻穿越南昆客专、既有南昆铁路、南昆二线安全评估报告进行审查。专家组经过认真审查，认为安全评估报告内容详尽、结论可信，原则同意，并对原设计方案和施工方案提出合理性的安全性分析，提出规避风险的建议和完善措施，确保既有铁路的运营安全。

5 施工情况

此穿越工程参建各方在做好各项充分的准备工作后于2018年1月8日开始导向孔钻进施工，为了克服铁路设备干扰导向信号给施工带来的困扰，项目团队采取多种措施办法，连续奋战8个昼夜，最终完成了导向孔穿越施工，实际出土点偏差精确的控制在了纵向+0.5m范围内。在经历了三次扩孔后，孔径达到设计要求的500mm，之后又进行了两遍洗孔工作，于1月24日下午一次成功完成一孔双拖工作，穿越施工周期仅为24天。

6 工程经验

①设计单位要深入了解勘察现场施工环境条件，充分论证方案安全可行性；②建设方及设计单位要及早地多和铁路局技术部门联系沟通，对设计的方案安全、合规和可行性提前有个基本的统一认识；③要委托有专业资质的第三方单位对穿越设计及施工方案的安全性进行全面细致的评估，这步至关重要；④组织经验丰富的专家组对施工设计方案进行专项的审查，补充和完善施工方案，加强回拖力相关计算验证钻机设备选型的合理性，确保万无一失；⑤依据施工组织设计方案提前做好現场施工准备，确保施工人、机、料、法、环措施到位无误，重点监督施工配套的泥浆回收设施及处理方法。

7 结语

该天然气管道穿越铁路工程在同一导向孔内同时回拖天然气管道及光缆保护套管，一次穿越三条铁路（含一条高铁）定向钻穿越施工获得圆满成功，是广西管网公司及广西区内天然气管道施工首次采用定向钻穿越方案进行铁路穿越施工，并且采用定向钻穿越方式一次性穿越三条铁路且一孔双拖施工工程在国内也是首例，因此该工程定向钻穿越实施成功将为以后新建项目穿越铁路建设施工提供很好的示范和指导作用。

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