城市燃气管道水平定向穿越施工技术.pdf

中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 76 城市燃气管道水平定向穿越施工技术 冼钢辉 广东港建液化气有限公司，广东 广州 510000 摘要：摘要：随着我国能源结构优化的持续推进，清洁能源应用率明显提高，市政工程中的燃气管道施工项目随之越来越多。由于传统的燃气管道开挖施工方式具有环境污染、影响市容和城市交通等弊端，加之而今的城市地下管线越来越繁多复杂，促使燃气管道开挖施工难度大幅提升，故而很有必要通过新型施工技术合理引进，改进施工模式和提高施工效率。基于此本文着重分析城市燃气管道水平定向穿越施工技术，旨在为同类施工活动提供技术参考。关键词：关键词：城市燃气管道；水平定向穿越；施工技术 中图分类号：中图分类号：TU996 0 引言 市政工程是关系到城市居民衣食住行的重点民生工程，开展市政工程建设的目的是进一步提升城市居民生活品质，并为城市的未来长远发展奠定基础，燃气工程是重点市政工程项目之一。在社会与时代不断发展过程中，通信、给排水等各种城市地下管线广泛铺排，给燃气管道施工造成了诸多困扰，因此开展燃气管道施工时，为了避免破坏施工区域既有管线以及地面构筑物，很有必要通过非开挖施工方式，对水平定向穿越施工技术进行合理应用，并落实行之有效的质量管理措施。1 高精度定向钻进技术的优势特点 定向钻进技术是一种高精度的地下钻探方法，它可以在不需要开挖地表的情况下，在地下铺设管线或穿越障碍物。这种技术广泛应用于城市基础设施建设、石油天然气开采和水资源管理等领域。应用该技术在钻进的过程中，根据预先设计的轨迹，钻机通过转动钻杆将旋转力传递给钻头，使钻头在地下形成预设轨迹的钻孔，这一技术示意图如下。定向钻进技术的一个关键优势是能够绕过地下障碍，包括岩石、水源和其他地下设施。通过精确控制钻头的方向，可以确保钻孔沿着预设轨迹到达目的地。导向钻进的关键是能否精确地沿着预设轨迹进行钻进。这需要依赖高精度的导航设备以及经验丰富的操作员来实现。在钻进过程中，探头不断地发射无线电信号，地表上的接收机接收这些信号，并根据信号数据测量出钻头的深度、角度和方向等参数。这些信息对于导向钻进的精确控制至关重要。根据地表接收机测量出的参数，导向员会指令操作员调整钻杆的方向和角度，以确保钻头按照预设轨迹进行钻进。在钻进过程中，需要使用泥浆泵将钻井液（通常是由水、黏土和其他化学物质混合而成的泥浆）输送到钻孔中，以润滑钻头、冷却钻杆、带走钻屑，并稳定钻孔。钻井液的主要作用是制造泥浆，泥浆能够润滑钻头、冷却钻杆，在移除钻屑的同时，还能够稳定钻孔，防止钻孔塌陷。此外，泥浆还能提供钻井过程中所需的压力，帮助防止地下液体进入钻孔，保护钻进过程中的设备。图 1 水平定向钻示意图 2 燃气管道穿越工程中的水平定向钻技术应用 2.1 现状调查 水平定向钻可以用于进行地下管道的现状调查。通过在地下钻探取样和测量地下管道的位置、深度和倾角等信息，可以对燃气管道的布局和情况进行详细了解。这对于规划和设计穿越工程非常重要，可以帮助确定最佳的穿越路径和施工方案，以确保工程的安全和顺利进行。2.2 地质条件适用范围 中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 77 水平定向钻可以穿越各种不同类型的岩层，包括砂岩、页岩、花岗岩等。然而，如果岩层特别坚硬或含有大块岩石，可能需要更强大的钻头和更先进的钻探设备。当存在高水位时，水平定向钻可以通过预先制定的路径进行钻探。为了避免地下水的渗入，可能需要采取一些特殊的措施，比如使用密封套管或注水泥等。水平定向钻也可以在软土层中进行钻探。然而，在软土层中进行钻探时，可能会出现土壤塌方的风险。因此，在这种情况下，可能需要采取支护措施，比如使用注浆或安装钻孔壁套管等。2.3 管道选择（1）材质：燃气管道通常使用钢管或 PE 管。钢管具有优异的强度和耐腐蚀性能，适用于较大直径和高压的输气管道。而 PE 管具有轻质、耐腐蚀和易安装等特点，适用于低压或小口径的燃气管道。根据实际需求，选择合适的材料。（2）管径：燃气管道的直径应根据燃气需求量、压力要求、管道长度和地质条件等综合考虑。直径较大的管道可以满足更大的燃气传输需求，但也会增加施工复杂性和成本。因此，需要综合考虑经济性和技术可行性。（3）壁厚：在选择燃气管道时，还需要考虑管道壁厚。管道壁厚的选择是为了确保管道在运行过程中能够承受内部压力和外部负载，并保持安全可靠的工作状态。根据燃气传输的压力要求，选择合适的管道壁厚以承受这种压力。一般来说，较高的内部压力会要求更大的管道壁厚。2.4 穿越轨迹确定 1）穿越轨迹由入土直线段 L1、入土弧线段 L2、水平段 L3、出土弧线段 L4、出土直线段组成。这是 城镇燃气管道穿跨越工程技术规程中规定的穿越轨迹构成方式。2）轨迹长度按照城镇燃气管道穿跨越工程技术规程中的公式进行计算，考虑到具体的管线设施现状和地质条件。具体公式可根据规程中的相关章节查找。3）在确定穿越轨迹时，需要综合考虑管线设施现状和地质条件。这包括对现有管线网络、地质情况和周边环境的全面评估，以确保穿越轨迹的安全和可行性。4）在确定穿越轨迹时，需要确定一些关键参数，如入土角、出土角、曲率半径、敷管深度等。这些参数的选择应基于具体的工程实际情况，并遵循相关规范和标准的要求。5）入土角宜在 8-18范围内选择，出土角宜在 4-12范围内选择。这样的选择可以保证管道的顺利穿越以及与地下和地面结构的良好连接。6）曲率半径的选择受到管道弯曲特性影响。一般情况下，钢管的曲率半径不小于管径的 1500 倍，PE管的曲率半径不小于管径的 500 倍。这样的选择可以确保管道的弯曲半径符合相关要求，避免对管道造成损害。7）在确定敷管深度时，需要考虑对地面道路、建筑物以及地下管线的影响。具体的敷管深度选择应综合考虑地下管线的类型、周边土质条件等因素，以确保管道的安全运行和保护。8）最低敷管深度应大于扩孔直径的 6 倍，以便为管道提供足够的覆土保护。此外，在穿越河床时，覆土厚度不应小于 3 米，以确保管道在水下环境中的稳定性和安全性。9）入土和出土直线段的长度不宜小于 10 米。这样的长度选择可以确保管道能够顺利进入和离开地下穿越段，确保施工的安全和顺利进行。2.5 钻头、钻机选择 水平定向钻施工是一种用于在地下进行穿越的技术，使用特定的机械设备来实现。在进行水平定向钻施工时，钻头和钻机的选择是非常重要的因素。（1）钻头选择。钻头是水平定向钻施工中最关键的部分，它负责切削和破碎岩层以实现穿越。在选择钻头时，需要考虑以下几个方面：钻头类型：常见的钻头类型包括导向钻头和扩孔钻头。导向钻头主要用于导向和控制钻孔方向，而扩孔钻头主要用于扩大钻孔直径。地质条件：不同的地质条件需要选择适合的钻头。例如，在硬岩地质中，可以选择钻头硬度较高的切削结构；而在软土或粘土地质中，可以选择有较好启动能力和自清洁性能的钻头。中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 78 钻头尺寸：钻头尺寸应根据具体工程需求和管道尺寸进行选择。导向钻头：导向钻头是一种专门用于导向和控制钻孔方向的钻头。它通常配备有侧喷口和导向装置，通过喷射液体或者利用导向装置的作用，实现对钻孔方向的控制。导向钻头能够在地下环境中实现精确的导向，确保钻孔按照设计要求进行。具体类型和尺寸。扩孔钻头：扩孔钻头是用于扩大钻孔直径的钻头。它通常具有特殊的切削结构和形状，可以有效地扩大钻孔直径，以满足特定的施工需求。扩孔钻头通常在导向钻头之后使用，用于扩大钻孔直径以容纳管道或其他设施的安装。（2）钻机选择。水平定向钻机通常分为小型、中型、大型三类，如表 3 所示。钻机是进行水平定向钻施工的核心设备，其选择应综合考虑功率和扭矩，进给系统定向控制系统以及自动化程度。管道回拖拉力计算：燃气管道回拖拉力的计算涉及多个因素，包括管道的材料、直径、壁厚、管道长度、内部介质、环境温度等。扭矩预测：在水平定向钻施工工程中，扭矩预测是重要的工程计算。扭矩预测可以帮助确定适当的钻机和钻头选择，以及制定合理的操作参数。以下是一些常用的方法来进行扭矩预测。2.6 泥浆 泥浆在水平定向钻施工中被广泛使用，因为它具有多种功能和效益。泥浆的基本功能之一是稳定孔壁，它能形成薄而坚固的滤饼，保持井壁的稳定，防止地层塌方或井壁塌陷。泥浆还具有冷却、润滑和软化地层的作用。它能冷却和润滑钻头，减少摩擦和磨损，同时降低钻头温度，延长其使用寿命。此外，泥浆能软化地层，帮助减少钻进的阻力。常用的泥浆成分是由膨润土和水的混合物组成的，根据具体条件和要求，可以添加处理剂或聚合物来改善泥浆的性能。为了保护环境和有效利用资源，应该循环使用钻进泥浆。通过设置泥浆循环系统，将使用过的泥浆从出土点返回到池中，进行处理和净化后再次供给施工现场使用。2.7 钻进导向控制 水平定向钻施工中常用的导向系统包括手持式跟踪系统和有缆式导向系统。这两种系统都可以用于控制井孔的导向和测量井孔的方位。1）手持式跟踪系统：手持式跟踪系统是一种便携式设备，由操作人员手持并通过感应式测角仪和陀螺仪等传感器来测量钻杆的倾角、方位角以及深度等参数。操作人员根据测量数据进行即时的调整和判断，从而对钻头进行导向，实现所需的井孔路径。这种系统相对灵活，适用于小口径水平定向钻孔或需要频繁调整井孔路径的情况。有缆式导向系统：2）有缆式导向系统通过在钻杆上安装电缆传输数据，实现对钻头位置和方位的实时监测和控制。系统中的传感器和仪器将数据传输至地面的导向单元，操作人员根据接收到的数据进行井孔导向和路径控制。有缆式导向系统适用于大口径水平定向钻孔或需要高精度导向的情况。它可以实现更准确的测量和导向，同时也提供了更稳定和可靠的数据传输。2.8 天然气管道焊接与防腐控制 天然气管道焊接和防腐质量控制涉及多个方面：包括 PE 管道的选择以及防腐层的选用，其中天然气管道需要在外部表面施加防腐层，以提供有效的防腐蚀保护。防腐层的选用应根据管道所在环境的特点、土壤条件、气候条件和设计寿命等进行综合考虑。常见的防腐层材料包括煤焦沥青漆、环氧涂层和三层聚乙烯等。具体选用哪种材料应参考相关标准和规范，并确保其具备良好的耐腐蚀性和耐久性。补口补伤：补口补伤是对天然气管道焊接接头或损伤部位进行修复和保护的过程。焊接接头应按照相关标准和规范的要求进行焊接工艺控制，确保焊缝质量和可靠性。对于焊接接头和其他损伤，如划伤和刮擦等，应进行清洁、除锈和处理后再进行补口补伤操作。可以采用热缩套、环氧树脂涂层或其他补救措施，确保管道表面的完整性和防腐效果。2.9 扩孔回拖 在水平定向钻孔施工中，通常需要将管道安装到较远的地点，这就需要通过回拖的方式将管道沿着预定的井孔路径拉回到起始点或目标位置。而如果管道直径较大，回拖会面临一些困难，因此需要进行扩孔操作。扩孔回拖的关键是确保扩孔操作的准确性和稳定性，以及管道回拖过程的顺利进行。因此，在施工前需要充分评估地质条件，选择适当的设备和工具，并进行仔细的施工计划和操作控制，以确保扩孔和回拖的成功完成。中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 79 2.10 管道功能性试验 管道功能性试验应通过强度试验和严密性试验才能够进行连接，强度试验是为了检验管道的承载能力和耐久性。试验前需要进行管道外观检查、管道尺寸测量、管道表面清洁等步骤。然后，在管道内加压，持续一定时间，检查管道是否发生变形或破裂，以此来评估管道的强度。严密性试验是为了检验管道的密封性能。试验前需要进行管道外观检查、管道尺寸测量、管道表面清洁等步骤。然后，在管道内注入水或空气，检查是否有漏水或漏气现象，以此来评估管道的严密性。3 结束语 总之在国家科技水平不断提升的带动下，工程领域施工技术得到持续性优化创新，水平定向穿越施工技术作为一种管道工程新型施工技术种类，凭借精度高、施工周期短，人工成本低等优势得到广泛应用。上文针对水平定向钻进施工原理和技术特点，以及该项技术在燃气管道穿越施工中的具体应用与质控措施进行分析探讨，希望对施工企业有所助益。参考文献 1孙玉良.市政燃气管道定向钻进穿越施工技术J.华东科技:综合,2019(9):2.2纪春利.关于燃气管道水平定向穿越施工技术的探析J.建筑工程技术与设计,2016(19):353.3冯堃.燃气管道穿越工程中水平定向钻的施工技术J.工程技术研究,2016(1):194-194.