挖坑机地钻(黄土塬地区管道单边定向钻技术参数选取)

Posted 2023-05-27

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挖坑机地钻(黄土塬地区管道单边定向钻技术参数选取)

摘要：黄土塬地区管道采用单边定向钻技术具有穿越距离长、高差大、施工效率高、坡体干扰小等优点，适用于大型黄土冲沟、陡坎的一次性穿越。针对工程实施中缺乏单边定向钻设计参数规定，探讨了单边定向钻穿越黄土冲沟的线路设计及参数选取。有助于单边定向钻技术的完善和推广。

关键词：管道隐患治理；单边定向钻；穿越轨迹；入土角；穿越长度

长庆油田某输油管道于2012年建成投产，全线长度30.58 km，管道材质为L360，设计压力6.4 MPa，壁厚6.4 mm，管径323.9 mm，设计温度20℃～60℃。管道所经地区分为黄土梁峁沟壑地质单元和黄土残原、风沙滩地地质单元。巡检发现在管线K2+600 m处跨越前出现地裂缝，地貌单元属于狭长黄土梁，梁体两侧边坡陡峭，发育有多处滑坡，位于管线物流方向右侧的滑坡群滑动面已全面形成，滑坡群长约180 m，宽约6 m～25 m，整体稳定性较差，需要实施跨越改线及跨越前60 m改线工作。本文分析了滑坡体加固、滑坡段移线、桁跨小改线、整体改线（单边定向钻+沟底穿越）四种可能技术路线，并进行了对比论证。

1 跨越治理方案

1.1 滑坡体加固

对发生滑坡的150 m山体加强观测及治理。治理办法为对长度40 m主要裂缝段采取开挖管道释放土壤载荷、恢复管道敷设弹性；以3:7灰土回填夯实地表裂缝，沿管带修建排水渠、截水墙等水保设施。经论证该方案未解决滑坡体造成的管线安全隐患，可作为临时加固措施。

1.2 滑坡段移线

山梁脊线附近仍旧保持6 m～15 m宽度的稳定带，可将滑坡段管道迁移在稳定山脊，再对滑坡体实施水工保护治理，确保管线处于地质稳定带。经论证该方案虽然使管道避开发生滑坡的地带，但并未脱离滑坡影响范围，安全隐患仍然存在。

1.3 桁跨小改线

在靠近跨越锚墩25 m范围有稳定地台，可以从对面山梁建60 m桁跨，将管道由对面山梁接引至原跨越锚墩端，避开滑坡段山体，跨越两端实施水工保护工程，原跨越锚墩周边以3:7灰土夯实、加固裂缝和地面。经论证该措施避开了现有滑坡体，但因临近滑坡影响区，新桁跨自重可能引发新滑坡。

1.4 整体改线

山梁旁有拟选的改线山梁，两侧山体相对稳定，适合改线管道敷设，可以避开滑坡段山体对管线危害。在枯水季节于沟底挖坑，从两侧山梁向沟下实施单边定向钻，于沟底连头，拆除原索跨。改线段长度860 m、其中定向钻长度350 m，原线路长度840 m，改线段与原线路长度基本相当。经论证该方案彻底避开了现有滑坡段，可以从根本上解决管道存在的安全隐患。

2 单边定向钻技术

单边定向钻技术是水平定向钻穿越和斜井穿越的组合。充分利用小型定向钻机体积小、钻杆短、操作灵活、便于控向等优点。施工时斜井坡度范围大，坡度控制难度小，穿越施工的泥浆量小，对环境影响小，施工安全性好，适合于单次较长距离的斜井穿越（图 1）。单边定向钻斜井穿越技术主要参数有入土角，出土角（线路为曲线轨迹）、管线埋深，穿越长度等。

图 1 单边定向钻穿越位置示意图

2.1 相关规定

GB 50423―2013《油气输送管道穿越工程设计规范》规定“水平定向钻敷设穿越管段的入土角控制在6°～20°，应根据地质条件、穿越管径、穿越长度、管段埋深和弹性敷设条件确定”。结合现场实际情况，入土点距冲沟边缘的距离不小于50 m，出土点距坡脚不小于3 m。

2.2 设备可调试范围

钻机可以直接停放在自然地坪上通过调整钻机自身角度满足斜井角度的需要。当斜井角度较大而钻机调整角度不能满足要求时，需开挖一个与穿越斜度设计角度一致的簸箕形工作坑，钻机停放在工作坑旁根据地势和设计的入钻角度进行安装调试，保证钻杆中心线与斜井穿越轴线同心以确保入土角度，探头在地面上测得磁方位角的精度符合要求。

2.3 设计及施工要求

管道在黄土塬顶和谷地的平坦地段按照开挖管沟埋管的方式铺设，塬顶为工艺线路埋深，谷地考虑冲刷适当增加埋深。谷地开挖管沟到陡坡底边后向陡坡内挖洞。冲沟两侧入土点、沟底出土点要保持同一垂直面，保证沟底弯管连头自然顺畅。为此要提高测量放线的精准度，严格钻孔控向。

为保证穿越施工安全，施工前应首先查明黄土冲沟边缘松散土和稳定土的分布范围。定向钻机距离坡边的安全距离应在10 m以上，管道穿越路径距离坡边的稳定层安全距离应在3 m以上。

2.4 穿越轨迹确定

线路轨迹为直线时角度较大，研究直线入土角即可满足曲线入土角，出土角和埋深在规定范围内即可。入土角α与穿越长度L关系式如下：

L2＝（H+h－h0）（cotα－cotβ）

L＝（H+h－h0）/（sinα）

其中：L2为坡顶入土点离冲沟坡顶的最小安全距离，m；L为穿越斜井长度，m；H为冲沟的垂直高度，m；h为穿越段冲沟底连头作业处管线埋深，8 m（冲沟冲刷线以下6 m，普通冲刷线2 m）；h0为坡顶管线埋深，m（一般为1.5 m）；α为入土角，°；β为边坡坡度角（一般在45°～80°）。

根据以上公式得出：入土角角度过大，坡顶入土点离冲沟坡顶的安全距离就越小，穿越斜井长度越短，下滑管线需要挖掘机拉力就越大，容易产生安全隐患。入土角角度太小，会导致主管线下管长度过长，不利于主管道的发送，管线自重不能得到充分利用，也会增大管线与土体的摩擦。

2.5 单边定向钻参数选取

入土角越大越不能保证入土点距冲沟边缘的距离。根据水平定向钻规范的入土角度范围（6°～20°）和钻机本身与地坪可调角度范围（0°～25°），入土角不能超过45°。参考人工斜井角度范围（10°～35°），最终确定在塬顶沿管道走向设置定向钻，钻杆入土角度控制在6°～45°（视钻机能够安装固定的能力尽可能加大角度，以减少斜井长度），曲线轨迹出土角控制在4°～21°，管线埋深满足水平定向钻和人工斜井的要求，靶心对准坡角洞口后加固钻机。

3 结束语

单边定向钻穿越不同于水平定向钻穿越和人工斜井穿越，其利用水平定向钻技术成孔和扩孔、利用人工斜井技术发送管道到斜井内，是水平定向和人工斜井技术的结合应用。穿跨越治理工程采用单边定向钻加沟底穿越的实施方案，可以稳定避开山体表面的地质敏感区域，受施工环境影响较小，实施方便经济高效，可成为油气田管道进行穿跨越治理时优先考虑的技术之一。

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