天然气管道河流穿越方案的设计

第 4 3卷第 1 2期 2 0 1 4 年 1 2月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o 4 3 N o 1 2 D e c e mb e r ，2 0 1 4 天然气管道河流穿越方案的设计 杨欧修 ，于丽丽 ( 中石化天然气分公司广西液化天然气工程项 目部， 广西 北海 5 3 6 0 0 0 ) 摘 要： 从总体上阐述了天然气管道河流穿越方案的选择原则 ，穿越工程设计原则，穿越位置选择原则 ， 穿越方式的选择原则 ，河流穿越方案的设计步骤。总结了长输管道河流穿越的几种主要形式，分析了大开挖穿 越，定向钻，顶管穿越，这几种河流穿越方案的适用条件，并结合工程实例 ，论述了定向钻穿越方法在工程中 的应用 。 关键词 ：天然气管道 ；河流穿越；设计方案 中图分 类号 ：T E 8 3 2 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 1 0 4 6 0( 2 0 1 4)1 2 2 6 0 6 0 3 De s i g n o f t he Na t ur a l Ga s Pi pe l i ne Cr os s i n g Ri ve r Pr o g r a m Y4 NG Ou - x i u， YU Li 1 i ( S i n o p e c G a s B r a n c h G u a n g x i L NG E n g i n e e ri n g P r o j e c t ， G u a n g x i B e i h a i 5 3 6 0 0 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e p ri n c i p l e t o s e l e c t g a s p i p e l i n e fi v e r c r o s s i n g p r o g r a m wa s i l l u s t r a t e d ， d e s i g n p rin c i p l e o f c r o s s i n g r i v e r e n g i n e e r i n g wa s l i s t e d ， p r i n c i p l e s o f s e l e c t i n g t h e c r o s s i n g p o s i t i o n a n d wa y we r e i n t r o d u c e d ，d e s i g n s t e p s o f r i v e r c r o s s i n g p r o g r a m wa s i l l u s t r a t e d ， t h e ma i n t y p e s o f c r o s s i n g r i v e r o f l o n g d i s t a n c e p i p e l i n e i n c l u d i n g l a r g e e x c a v a t i o n c r o s s i n g ， d i r e c t i o n a l d r i l l i n g a n d p i p e j a c k i n g c r o s s i n g we r e s u mma ri z e d ， T h e a p p l i c a b l e c o n d i t i o n s o f s e v e r a l k i n d s o f r i v e r c r o s s i n g p r o j e c t s we r e a n a l y z e d a n d s u m ma r i z e d ， c o mb i n e d wi t h e n g i n e e ri n g e x a m p l e s E n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n o f t h e d i r e c t i o n a l d r i l l i n g me t h o d wa s d i s c u s s e d Ke y wo r d s ： Na t u r a l g a s p i p e l i n e ； C r o s s i n g ri v e r ； De s i g n p r o g r a m l天然气管道穿越工程设计原则 ( 1)天然气管道穿越工程设计应遵循 国家及 行业 、企业现行有关设计标准及规范； ( 2)对 于大 中型穿越工程 ，根据输气管道线 路总体走向及自然条件确定和调整管道穿越位置， 穿越工程与线路工程的应做好衔接，为确保输气管 道和地方建设 的协调发展 ，需协调好穿越工程与河 流 、铁路 、公路 、城市及水利规划 的相互关系 ； ( 3 ) 管道穿越位置的选定应符合城市、 交通、 河道 、航道等相关部 门的法规及规划 ； ( 4)应根据水文 、地质 、地形 、水土保持 、 环境 、气象 、交通 、施工及管理条件进行技术经济 论证确定大 中型穿越 二 程的位置与方案 ； ( 5)优化设计方案 ，确定合理的穿越位置及 最优穿越结构型式 ； ( 6)采用先进 、成熟的技术 ，吸收国内外新 的技术成果 ，做到技术先进 ，施工简便 ，经济合理 ， 安全适用 ； ( 7) 河流大 中型穿越工程的各项措施应征得 河道、航道管理部 门的同意 ，不得影响排洪疏浚和 航道通行 ，不得损坏大堤口 ； ( 8)河流大中型管道穿越设计方案必须取得 河流主管部 门同意 ； ( 9)穿越管段位于地震基本烈度 7度及 7度 以上地 区时 ，应进行抗震设计。 2 天然气管道穿越位置选择原则 ( 1 )穿越位置选择应与线路总走 向相一致 ， 因 自然条件限制 ，穿越 困难地段 ，可以根据穿越位 置调整线路局部走向 ； ( 2 ) 穿越位置应符合该水域的总体规划要求 ， 穿越位置 、穿越方式必须报经穿越水域主管部门同 意 ，由建设单位与该部 门签署的具有法律效能的协 议 ； ( 3)穿越位置宜选在水流平缓 、河面较窄 、 河水主流线摆动不大的顺直河段上 ；应避开冲沟沟 头发育地段 ； ( 4) 穿越位置应尽量避开灾害性地质地段 ( 如 活动地震断裂带 、滑坡 、岩溶等 ) ， 选择在河段 的变 收稿 日期： 2 0 1 4 - 0 6 0 2 作者简介 ： 杨欧修 ( 1 9 7 7 一) ，男，湖北荆门人，工程师，2 0 0 8年毕业于长江大学油品储运专业，研 究方向：从事天然气行业管理。E - m a i l ya n g o x 1 2 6 c o m。 第 4 3卷第 1 2期 杨欧修，等：天然气管道河流穿越方案的设计 2 6 0 7 迁运动历史清楚，河床面平坦，冲淤变化小，地质 构成较为单一 ，两岸漫滩开阔，岸坡宜呈倾斜状且 稳定耐冲刷处 ； ( 5)穿越位置宜选择在交通和施工场地条件 良好 ，干扰小 ，能满足施工方法 中所需要 的施工场 地 的要求 ； ( 6)穿越河段应选择 在闸坝上游 或其他水工 构筑物影响区之外 ； ( 7)穿越管 段和 穿越水 域 中或 附近 已建建 ( 构 )筑物之间的距离应符合有关规范和安全规定 要求 ； ( 8 ) 穿越工程建成后，应不会降低该水域的 防洪标准，不会影响抗洪救灾措施，同时也不会引 起河势的变化 ，不会影响已规划堤防的安全 ； ( 9)管道穿越位置与港 口、码头 、水下建筑 物或引水建筑物之间的距离不得小于 2 0 0 m； ( 1 0) 管道穿越位置不宜选在河道经常疏浚加 深、岸蚀严重或侵滩冲淤变化强烈地段； ( 1 1 ) 穿越管段应垂直于水流轴 向；如要斜交 时 ，交角不宜小于 6 0 。 ； ( 1 2)管道穿越铁路 、公路应避开石方区、高 填方区、路堑 、道路两侧为同坡 向的陡坡地段 ； ( 1 3 ) 管道严禁在铁路站场、有值守道口、变 电所、隧道和设备下面穿越。 3 常见河流穿越方案 目前 ，天然气长输管道河流穿越方式主要有大 开挖穿越 、定 向钻穿越 、顶管穿越 、钻爆法隧道穿 越和盾构法隧道穿越等口 。 3 1 大开挖穿越河流 大开挖穿越河流 的方式是将 天然气管道埋置 于河床稳定层 内的穿越敷设方式 ，目前 ，它在 国内 外 的管道穿越 的设计施工 中因技术成熟 ，投资省得 到了广泛运用 。一般根据河流地形 、水文和地质条 件 、和施工设备等因素选择开挖方式 。大开挖敷设 穿越方式埋深浅容易受到通航船舶抛锚 、 河道冲刷 、 挖砂 的破坏 ，所 以大开挖穿越方案适用于季节性河 流 ，中小型河流 的穿越 、人工干渠 、水塘等 ，对于 大型河流及管道通过 的较深的水塘 ，一般采取配重 块稳管或混凝 土连续覆盖的措施保证洪水期管线抗 冲刷、不漂浮，对已干涸的河流采用直接大开挖的 方法施工，对已断流但仍存大量积水的河流、水塘 和沟渠，一般采取围堰截流排水方法施工，对冬季 不断流的河流 ，一般采用围堰导流渠导流的方法进 行施工 ，对有的穿越点处有岩石无法开挖导流沟 ， 一 般采用围堰导水的方法进行施工。 对于穿越长江 、 黄河等水流量大、通航量大的大型河流时，因其工 程量大 ，难度高， 难 以保证工程质量 ，一般不予 以考 虑大开挖穿越方式 。 3 2 定 向钻穿越河流 定 向钻穿越河流即通过计算机控制进行导 向和 探测 ，按照设计 曲线 的轨迹 ，采用定 向钻技术先钻 一 个导 向孔 ，在钻杆端部接大直径的扩孔钻头和已 组装好 的管道用于扩孔和回拖 ，完成管线穿越 的施 工过程 。对于具有较为稳定的地层 ，适宜黏土 、亚 黏土 、 砂质河床 ， 有足够的材料堆放和回拖的场地 ， 同时有专业的定向钻穿越施工队伍的情况，采用定 向钻穿越河流的方式既经济实用又安全可靠，随着 定 向钻穿越技术和设备 的不断发展与完善 ，定 向钻 已能穿越中等硬度的泥岩 、砂岩等岩质地层以及超 厚卵石层 ，且穿越长度 以及穿越管径不断加大口 。 3 3 顶管穿越河流 顶管穿越河流是继盾构 、定 向钻施工之后发展 起来的一种地下管道暗挖式施工方法 ，在施工时， 通过传力顶铁和导向轨道 ，用支承于基坑后座上的 液压千斤顶将管压入土层 中，同时挖除并运走管正 面的泥土，当第一节管全部顶人土层后，接着将第 二节管接在后面继续顶进 ， 这样将一节节管子顶人 ， 作好接 口建成涵管 ，对松散 、黏土、软弱地层 比较 适用 。按工作面开挖方式 的不 同可将顶管法分为普 通顶管 ( 人工开挖 ) 、机械顶管 ( 机械开挖 ) 等 ，在 大型河流中顶管法穿越方式应用比较少 。 4 河流穿越方式的选择原则 河流穿越方式主要为大开挖、 定向钻、顶管等 穿越方式。穿越方式的选择应该根据地形地貌 、水 文、 地质、 环境、 交通运输等多方面因素综合分析， 以确保天然气管道安全为第一前提 ，在施工工期满 足整个工程要求 的前提下 ，应尽量选择投资低 、施 工简单的穿越方式。一般情况下 ，管道穿越方式要 优于跨越方式 ，主要是 由于管道埋人地下 ，受环境 影响小 ，安全性好 ，节省投资 ，施工期短 ，施工技 术难度小 ，有利于维护和管理等优点 ，在工程实践 中，大多采用穿越方式通过天然或人工障碍物。 5 穿越方案的设计步骤 ( 1 )确定穿越位置及概况 ； ( 2)确定场地 自然地理概况 ，包括地形地貌 和河流概况及水文条件 ； ( 3)穿越处地质条件 ，包括地层情况和各层 化 工 2 0 1 4年 l 2月 情况物理力学指标和岩土参数 ； ( 4)场地稳定性 ，包括河床和岸坡稳定性评 价和河床冲刷深度 ； ( 5)场地地震效应 ； ( 6)穿越方案 比选 ； ( 7)穿越方案设计 ； ( 8)穿越设计 图纸 。 6 工程实例 某运河勘察区属平原河谷地貌 ，平坝地形 ，地 形平缓开阔， 起伏不大， 穿越段运河宽约 3 2 m， 水 面宽也大约 3 2 m，水深 2 r n ，河道内无采石挖砂现 象 ，河床未受扰动，河床稳定性较好 。拟穿越段位 于运河缓弯处，运河宽约 4 5 m， 呈对称的 “ u ”型， 水面宽约 3 2 m，水深约 2 5 m，河内质为粉质粘土 夹细一 砾砂 。穿越段总体地势东部略高 ，西部稍低 ， 东侧最高 5 0 9 6 m，西侧最高 4 9 6 0 m，两侧大堤坡 角约 3 0 。 ，大堤下部为砼结构护壁 ， 上部为土质岸 坡 。东侧大堤为林地 ， 高出水面约 3 4 m；西侧岸坡 为水泥公路 ，高出水面约 4 6 m。拟穿越段上游约 7 0 m处为兰海高速跨河大桥，下游约 3 0 0 m处 有小型桥梁连接两岸， 最高水位高程为 4 3 4 3 m， 勘 察期间实测河水流速 0 0 3 2 m s ，定 向钻方式穿越也 必须从运河底部较深位置实施 ， 无需计算冲刷深度， 场地土类型为中软土 ，场地类别为 类 ，为对建筑 抗震一般地段。地震动反应谱特征周期为 0 3 5 S ， 地震动峰值加速度为 0 0 5 g ，区内建筑抗震设防烈 度为 6 。 6 1 穿越方案比选 根据现场实际情况 ，考虑在顶管穿越和定 向钻 穿越 2种穿越方式 比选 。 6 1 1 大开挖穿越河流 大开挖穿越河流是通过施工机具在河道 开挖 一 定深度的管沟 ，将管道埋置于河床稳定层 内，并 辅以一定稳管措施的的穿越敷设方式 ，大开挖穿越 方案适用于季节性河流 ，在枯水季节可直接开挖管 沟或采用导流明渠、 围堰导流等施工措施进行敷设。 由于运河为北海市重要 的生活 和工业用水水 源工 程 ， 采用开挖方式势必对水源产生较大影响 ， 因此 ， 不推荐大开挖方式 。 6 1 2 定 向钻穿越河流 定向钻穿越 目 前在国内也得到了广泛的运用， 它具有施工人员少 、占地省、工期短 、效率高 ，不 受季节 、天气影响 ，自然环境影响小等诸多优点。 而运河两岸场地较为开阔，且交通方便 ，且不会对 河道产生影响 ，较适合定 向钻穿越 ，因此 ，推荐采 用定向钻方式运河。 6 2 定向钻穿越设计 6 2 1 定向钻穿越出入土点 入土点运河东侧耕地 中，临近水泥路 ，交通条 件较好 。利于设备进场 ；出土点位于运河西岸穿越 点位于耕地中，附近为大片农 田，利于管线运输及 回拖 。 6 2 2 定 向钻穿越 曲线 穿越管段的出、入土角根据穿越地形、地质条 件和穿越管径的大小确定 ，管线定向钻人土角为 8 。， 出土角为 5 。， 穿越管段的曲率半径为 1 5 0 0 D ( D = -4, 1 3 mm) 。 6 2 3 定向钻径向屈 曲失稳计算 穿越管径为 8 1 3 X 1 7 5 ， 根据 油气输送管道 穿越工程设计规范 G B 5 0 4 2 3 2 0 0 7 的相关规定 ， 穿越管段 回拖在扩孔 回拖时 ，应核算空管在泥浆压 力作用下的径向屈曲失稳 。按下列公式进行核算 F d P y 【 1) 一 + ( + 6 脚 l + 警= 。 ：旦 ， ： Y o ， P 一 2 E s ( D ) 3 2 2 一1 一“ 式 中：尸 一泥浆压力，可按 1 5倍泥浆静压力或 回拖施工时的实际动压 力选取，MP a ； 一 钢管屈服强度， MP a ； 一 穿越管段设计系数 ，地区等级为二类 ，按 0 6 选取； P ” 一穿越管段所能承受的极限外压力，MP a ； 广 _钢管弹性变形临界压力， MP a ； 钢管弹性模量； 一 钢管壁厚，m m； D一钢管外径 ，ra i n ； 一 泊桑 比，0 3 ； 一 钢管椭圆度 ，。 6 2 4 定 向钻穿越 出入土点 穿越管径为 4,8 1 3 X 1 7 5 ，穿越管段回拖时 ， 最 大回拖力采用下式 计算 ： ： p L f g l 2- 7 8 5 (D I+ ,tD L X g( 3 ) L 叶 式中：F 一管道回拖力，k N； 三 一穿越长度，m； 户 摩擦系数，取 0 1 0 3 ； y 一泥浆重度，1 1 5 1 2t m ； K一粘滞系数，0 0 1 0 0 3 。 经计算，F = 4 2 1 3 8 k N。 根据 油气输送管道穿越工程设汁规范G B 5 0 4 2 3 - 2 0 0 7 ，最大回拖力按照取计算值的 1 5 3 倍考虑，本 次计算最大回拖力按照取计算值的 2 倍考虑， 经计算 ， 本穿越管段最大回拖力为 8 4 2 7 6 k N。 ( 下转第2 6 1 1 页) 第4 3 卷第1 2 期 刘 军：对比国内外油气管道高后果区标准 2 6 1 l 系的同时，还应 当重点加强管道完整性管理的理念 宣传与教育工作 。无论从管道公司的技术硬环境还 是从社会公众意识的软环境 ，都应努力做好相应工 作 ，只有这样 ，才能得到真正意义上 的油气管道的 安全运行。 ( 2) 为了建立符合我国油气管道现状和城市燃 气管道工程实际情况的风险评价体系，国内管道公 司应努力做好收集和整理油气管道相关的信息和数 据工作 ，以此作为实施管道完整性管理的基础环节。 ( 3)尽可能加快我 国油气管道保护的立法进 程 了，此举有助于明确政府 、社会和企业三方在油 气管道完整性管理上的责任及义务。 ( 4) 我国管道完整性管理技术的发展必须充分 结合国内政治 、经济 、社会和文化 的客观实际，绝 对不可生搬发达国家已有的技术标准和管理模式 。 ( 5)国家和相关单位应从 占领 国内油气管道 安全保护技术市场 的战略全局出发 ，高度重视对在 役油气管道结构安全评价方法 、性能检测工具和完 整性管理技术等方面的技术攻关 ，加大经费的投入 力度 ，集中力量整合 国内研究力量。 参考文献： I 曹斌， 廖柯熹， 罗敏，等 川渝地区管道高后果区第三方破坏因素 分析【 J J 天然气与石油， 2 0 1 1 ， 2 9 ( 2 ) ： 1 2 1 4 2 王福众，帅健输油管道完整性管理体系及其应用fJ 焊管， 2 0 1 3 ( 1 2 ) ：2 3 - 2 6 3 董绍华， 王联伟，费凡， 等油气管道完整性管理体系【 J 】 油气储 运， 2 0 1 0 ， 2 9 ( 9 ) ： 6 4 1 6 4 7 4 税碧垣， 艾慕阳， 冯庆善油气站场完整性管理技术思路J 1 油气 储运， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 7 ) ： 1 1 - 1 4 1 5 J C h e n L ， Z h a n g P ， M a J T h e ma n a g e m e n t d a t a b a s e p l a t f o r m c o n s t r u c t i o n f o r h i g h c o n s e q u e n c e a F e a s ( H C A s ) o f o i l g a s p i p e l i n e s C I n f o rma t i o n S c i e n c e a n d E n g i n e e r in g( I C I S E ) ， 2 0 1 0 2 n d I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I EE E 2 01 0 ： 4 7 9 5 4 7 9 8 6马伟平，贾子麒，赵晋云， 等 美国油气管道法规和标准体系的管 理模式【 J ll 油气储运， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 1 ) ： 5 - 1 1 7杨祖佩，王维斌油气管道完整性管理体系研究进展 J _ 油气储运 2 0 0 6 ， 2 5 ( 8 ) ： 7 1 1 ( 上接 第 2 6 0 8页 ) 6 2 5 定 向钻穿越地层 管道 中心轴线从人土到出土穿越地层依次为 ： 在运河东侧入土斜穿粉质粘土 、粉质粘土夹砂到达 河床底部水平段，在砂夹粉质粘土中水平穿越。开 始在砂夹粉质粘土中上扬 ，经粉质粘土夹砂 、粉质 粘 土在运河西侧出土 。管线穿越轴线最深处管底标 高 2 9 0 m，距离运河河底最小埋深 1 1 - 3 m。 7 结 论 从总体上总结了天然气管道河流穿越方案设 计步骤 ，穿越方案选择原则 ，穿越工程设计原则， 穿越位置选择原则 ， 穿越方式的选择原则， 分析了 大开挖穿越，定向钻，顶管穿越方案