燃气管道定向穿越的出入土角的研究.doc

燃气管道定向穿越的出、入土角的研究

上海燃气工程设计研究有限公司 刘 峰
摘 要 从设计实例计算分析着手，根据理论和实践运行经验综合分析研究影响定向穿越的出、入土角和穿越深度的因素，并针对性的提出一些建议和措施。
关键词：定向穿越 出土角 入土角 直线段 弧线段 回拖力

1 引言
传统的燃气管道穿越道路、河流多采用开挖施工，施工中带来了交通阻塞、出行不便、城市绿化被毁等一系列问题。同时,城市基础设施的不断建设也使燃气等地下管线的施工将经常面临城区内河流、景观道路(或交通要道)及其它地上构筑物的影响。非开挖技术把施工对环境的影响减少到最小，而且当管线要通过重要道路、河流、集市时，非开挖技术就显得尤为重要。现在人们的环境意识越来越强，施工对环境的破坏程度成为施工方法是否合理的一个重要指标。另外作为一项新兴的管道敷设施工技术,水平定向穿越以其具有精确导向,有利环保,施工周期短、效率高等众多优势。
水平定向穿越在输送人工煤气的管道施工中由于无法解决管道凝结水的问题(因人工煤气含水量较多)，在上海地区的使用受到了相当大的限制。随着东海天然气的扩建，“西气东输”天然气工程的启动，上海城市的管网改造及建设付诸行动，适应大规模管线施工及环保和施工进度的要求，定向钻穿越河流、沟渠、桥梁、公路、铁路、楼群集聚地等的施工受到越来越多的关注。在上海天然气的主干网建设中穿越大于70米的大型河流、高速公路、大型互通式立交基本上采用了定向钻工艺。
本文主要就从事燃气管水平定向钻穿越设计以及施工的实践中对入土角、出土角、穿越长度、穿越深度等参数的确定进行研究。

2．定向钻穿越工艺简介
定向钻穿越施工时，首先钻机被安装在入土点一侧，从入土点开始，沿着设计好的线路，钻一条从入土点到出土点的曲线；作为预扩孔和回拖管线的引导曲线。详见图－1
图－1 穿越步骤一
然后在钻导向孔阶段，钻出的孔往往小于回拖管线的直径，为了使钻出的孔径达到回拖管线直径的1.5倍以上；需要用扩孔器从出土点开始向入土点将导向孔扩大至要求的直径。
图－2 穿越步骤二
最后地下孔经过预扩孔，达到了回拖要求之后，将钻杆、扩孔器、回拖活节、被安装管线依次连接好，从出土点开始，一边扩孔一边将管线回拖至入土点为止。
图－3 穿越步骤三

3．管道穿越设计参数的确定
以上海郊环线设计压力6.0MPa超高压天然气管道为例。根据《上海城市输气主干网工程项目可行性研究报告》及上海的实际情况，确定管道管材选用X60板材，管径为φ813毫米，其中穿越段采用直缝埋弧焊钢管。
3.1 管道壁厚的确定
l 直管段管道壁厚按下式计算：

式中:δ：管道计算壁厚（cm）
P：设计压力6.0MPa
D：钢管外径81.3cm
σs:钢管的最小屈服强度415MPa
F：强度设计系数，由于本工程高压管道均处于城市规划区内，属Ⅳ类地区，故根据规范选择设计系数0.4
：焊缝系数取1
t：温度折减系数，小于120℃取1
计算结果为钢管壁厚14.7mm，选用壁厚为15.9mm
l 弧线段壁厚按下式计算：
δb=δ·m

式中：
δb—管弯壁厚（mm）
δ—管头或弯管所连接直管段壁厚（mm）
m—弧线段壁厚增大系数
R—弧线段的曲率半径（mm）规范要求R＝1500D
D—钢管的外直径（mm）
经过计算m=1，弧线段的壁厚为15.9毫米。

3.2 穿越长度计算
根据《石油天然气管道穿越工程施工及验收规范》的有关规定：一般入土角控制在90～120、出土角控制在40～80为宜，曲率半径以1500D为宜（D为穿越管段外经），穿越管段在入土点之后20m内应为直线段。我选择了入土角为9.50，出土角为50。水平段长度为50米（详见表－1），可以通过调整敷设深度，将入土段直线段的长度控制在20m左右，计算得出穿越水平距离为559.77米，穿越管道长度561.82米。

图－4 穿越管道曲线示意图
表－1 定向钻穿越计算表
序号
代号
名称
计算式
计算结果
1
D×δ
管径(mm)*壁厚（mm）

813x15.9
2
D
外径(mm)

813.0
3

管材

X60直缝埋弧焊钢管
4

防腐层

双层环氧粉末， 800μm
5
α(度)
入土角

9.5
6
β(度)
出土角

5.0
7
α(弧度)
入土角

0.2
8
β(弧度)
出土角

0.1
9
Δ1(米)
规划河床底（设计道路路面）标高

4.0
10
L0(米)
河道蓝线宽度

0.0
11
Δ2(米)
入土点地面标高

4.0
12
Δ3(米)
出土点地面标高

4.0
13
Δ4(米)
入土点管中心标高
Δ4＝Δ2
4.0
14
Δ5(米)
出土点管中心标高
Δ5＝Δ3
4.0
15
h0(米)
穿越水平段距规划河床底（设计道路）深度

20.0
16
R(米)
穿越弧线段曲率半径R=1500D

1219.5
17
H1(米)
入土点管中心距水平段管中心深度
Δ4－Δ1＋h0＋D/2
20.4
18
H2(米)
出土点管中心距水平段管中心深度
Δ5－Δ1＋h0＋D/2
20.4
19
c(米)
规划河床底宽(米)

0.0
20
L1(米)
管道水平段长度

50.0
21
l2(米)
入土段直线段长度
[H1－R.(1－COS(α))]./SIN(α)
22.3
22
l3(米)
入土段弧线段长度
R.α.2π/360
202.2
23
l4(米)
出土段直线段长度
[H2－R.(1－COS(β))]./SIN(β)
180.9
24
l5(米)
出土段弧线段长度
R.β.2π/360
106.4
25
L2(米)
入土段直线段投影距离
[H1－R.(1－COS(α))]./TAN(α)
22.0
27
L3(米)
入土段弧线段长度投影距离
R.SIN(α)
201.3
26
L4(米)
出土段直线段投影距离
[H2－R.(1－COS(β))]./TAN(β)
180.2
28
L5(米)
出土段弧线段长度投影距离
R.SIN(β)
106.3
29
l(米)
穿越水平距离
L1＋L2＋L3＋L4＋L5
559.8
30
L(米)
穿越管道长度
L1＋l2＋l3＋l4＋l5
561.8
4．出、入土角的变化对穿越长度、深度的影响
根据《石油天然气管道穿越工程施工及验收规范》的有关规定：一般入土角控制在90～120、出土角控制在40～80为宜，现在许多钻机的生产商制造的钻机的钻杆的入土角最大可设定为180，最小为70左右。选择不同的出、入土角都会对穿越的长度和深度产生影响，换言之，如果要控制穿越的长度和深度，可以通过调整出、入土角来控制穿越的长度和深度。当然影响穿越的长度和深度的因素还很多，后篇再叙。
从图－5中我们看到相同管径的钢管，弧线段的曲率半径为1500D（D为穿越管段外经），在穿越深度相同时，如果穿越的水平直线段距离相同，那么出、入土角越大，穿越的长度就越短。但出入土角越大，拖拽管道的阻力就越大，施工难度就越大。

图－5 出入土角对穿越长度的影响（相同深度）
因为各类钻杆的长度通常为8～10米，穿越的弧线段钻孔时，就是利用钻杆与钻杆之间的折角来形成的，在钻杆刚入土时，必然是直线段。根据《石油天然气管道穿越工程施工及验收规范》的有关规定：穿越管段在入土点之后20m内应为直线段。我们从图－6中看到相同管径的钢管，弧线段的曲率半径为1500D（D为穿越管段外经），在保证入土点之后20m的直线段的情况下，那么入土角越大，穿越的长度就越长。

图－6 入土角对穿越深度的影响（相同的入土段直线段长度）
综上所述，我们在严格执行相关规范的前提下，选择一个合理的出入土角和穿越深度就显得非常重要。

5．影响出、入土角和穿越深度的因素
5.1 施工场地
由于在施工过程中，扩孔完成后，钻机回拖管道必须一次拖完，所以所有穿越用钢管都必须在事先全部焊接完工，并验收合格。这就要求有一个比穿越长度略长的布管场地，见图－7。因此在现场勘察时就必须考虑布管场地，如果没有足够的布管场地，就必须缩短穿越长度，增加出入土角的角度。增加出入土角，就相应增加了穿越深度和施工难度。

图－7 穿越管道布置示意图

5.2 地质条件
定向穿越对地质条件有相当严格的要求，规范规定适宜于穿越的地质条件有：粘土层、亚粘土层、粉砂层、中砂层。上海地处长江三角洲，是冲积平原，土质情况多以上述几个类型为主，这类土质虽然比较适合穿越，但优缺点各半，这类土中如果含水量少，在穿越过程中的固孔效果很好，但硬度增加，增加施工难度。如果含水量过多，就会形成流沙层，固孔效果非常差，严重的地方，根本无法实施穿越工程。以“西气东输”上海城市输气管网一期工程Ⅸ标段曹安路、西虬江组合定向钻为例，由于穿越的范围以前是吴淞江的古河道，土质情况极其恶劣，地面的吴淞高程为4.00米，从2.00米～－10.00米约12米的范围内全部为流沙层，如果将穿越轨迹全部设置于流沙层中，风险就相当大，所以只有增加穿越深度，把穿越水平段定在粘土层，标高为－16.00米，使穿越管道有一定的长度处于比较稳定的土层中，起支撑作用。另外此处施工场地较小，在规范允许的范围内适当调大出入土角，控制好穿越长度，保证施工的顺利进行。
5.3 障碍物
由于穿越工程为非开挖工程，在穿越河流、公路时，对地下障碍物必须进行详尽的探测。这些障碍物对穿越工程的安全实施，影响很大，例如，公路（道路）下的地下管线、地上建筑物的地下基础，互通式立交桥的桩基，河道防汛墙的桩基，重要河流岸边码头的桩基等等，设计管路时都必须考虑到。以“西气东输”上海城市输气管网一期工程Ⅸ标段吴淞蕴藻浜定向钻为例，按照正常的设计，最深处（水平直线段）管顶的设计标高为－16.00米，结果物探资料显示，浜北正好有一排码头桩，桩底标高为－22.00米，设计时只能增加深度，最深处（水平直线段）管顶的设计标高修改为－28.26米，以保证管路距码头桩底的净距达到3.00米的安全距离。为达到这个深度，只能将出入土角定在规范规定的上限，入土角为120，出土角为80，增加了施工风险。
5.4 钻机
由于目前国内的钻机大都依赖进口，而生产商的技术水平也不尽相同，有些钻机可以将入土角定为180。这类钻机适用于电力电缆，塑料管等软质材料。对于刚性较强的钢制管道不是很适用，所以在设计时，也必须对施工采用的钻机有一个全面的了解，以控制出入土角，以免超出钻机所能达到的最大入土角。
5.5 相关部门（铁路部门、水务部门）的要求
我们的穿越工程主要是穿越大型通航的河流；交通繁忙的公路（道路）、高速公路、互通式立交桥；铁路。这些河流、公路、铁路都有专门的管理部门来管理，而各部门对管道穿越其下的要求也各不相同，例如铁路部门要求：一般性的铁路为枕木下6米，重要一些的为枕木下16米，主干道（沪宁、沪杭）他们要求自己施工。公路部门相对好些，只要能避让开地下管线就行。水务部门要求：小型河流一般不采用定向穿越。而对通航的、大型河流的规定很严格。首先规定穿越深度距现状河流最深处的净距必须大于3米；景观河道两侧各50米，与现状河流深度加3米所组成的矩形断面范围内，管道不得进入，这就大大增加了穿越长度和深度，如果施工场地（包括布管场地）无法满足的话，就只能调大出入土角了。

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