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供热行业
1 项目概况
衡水市规划向河东敷设一条公称直径为700 mm的热力管道，实现该区域的集中供热。该项目沿途需要穿越滏阳河，敷设位置在滏阳河两条支线汇流处，河面较宽，水流量大。如果采用传统的开挖穿越方式，需要在穿越河流的管道两侧堆筑临时堤坝阻挡水流，还要选择合适的导流方法，这种方式需要围堰，工程量大，对河道扰动大［1］。经过各方协商，最终确定采取水平定向钻的穿越方式穿越滏阳河。
2 水平定向钻穿越河流设计计算
2.1 钢管壁厚的确定
本工程供回水管道设计温度分别为130 ℃、70 ℃，设计压力为1.6 MPa，管道材料为Q235B，根据CJJ/T 81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》（以下简称CJJ/T 81—2013），考虑到钢管满足内压、整体稳定性、局部稳定性、径向稳定性的要求，计算得出DN 700 mm工作管的最小壁厚为11 mm。根据GB 50423—2013《油气输送管道穿越工程设计规范》，穿越段钢管的直径与壁厚之比应小于100，壁厚为11 mm的钢管满足此要求。故本工程水平定向钻穿越段DN 700 mm工作管的壁厚确定为11 mm。
2.2 穿越轨迹设计
定向钻穿越地层为粉细砂层，穿越轨迹由三段直线和两段曲线组成。穿越曲线见图1。入土端位于滏阳河河堤西侧120 m的人行道，海拔为20.79 m，入土角取10°；出土端位于滏阳河河堤东侧200 m已拆迁的空地处，海拔为20.12 m，出土角取9°。弹性敷设段曲率半径R取1 050 m，底部直线段的长度为263 m，总穿越长度为720 m。入土端地面与底部直线段的高差为23.89 m，出土端地面与底部直线段的高差为23.22 m，滏阳河设计洪水冲刷线海拔为13.7 m，热力管道在河床下的管顶埋深为16.8 m。
钻机、入土工作坑位于滏阳河河堤西侧人行道，出土工作坑位于河堤东侧已拆迁的空地处，该地点有穿越管道预制回拖的场地。钻机摆放位置中心线应与入土点、出土点成一条直线，并且需要对其安装位置处土壤进行夯实，以提高钻机场地的地基承载力，保证钻机运行时的稳定性。
2.3 钻机选型
水平定向钻回拖时，钻机最大回拖力可按计算拉力的1.5~3倍选取。根据SY/T 6968—2013《油气输送管道工程水平定向钻穿越设计规范》（以下简称SY/T 6968—2013），并考虑热力管道保温层和外护管的质量，计算拉力为：
本工程钢管规格为D720×11，外护管规格为D850×12，计算拉力为831 kN，则钻机最大回拖力为2 493 kN。选择一台型号为GMS55030的钻机，其最大拉力为2 750 kN，入土角范围为9°~18°，最大泥浆排量为2 200 L/min，最大回拖管为DN 1 000 mm。
2.4 管道回拖工况下的应力校核
根据SY/T 6968—2013相关规定，进行回拖工况下管道的相关应力校核。
①拉应力校核
回拖工况下，钻机对钢管的拉力与管道轴向重合，表现为管道沿轴线方向发生伸长。由于只根据轴向拉力并不能判断管道是否具有足够的强度，应力的大小是进行强度判断的标准，因此为了避免回拖时拉断管道，需要对拉应力按式（2）进行校核：
经计算拉应力为33.92 MPa，校核满足要求。一般只要壁厚满足CJJ/T 81—2013的有关要求和SY/T 6968—2013中关于穿越管道径厚比小于100的规定，拉应力都比较容易通过校核。
②弯曲应力校核
定向钻安装中管道是弹性曲线敷设的，外部荷载在管道内产生弯矩，造成管道弯曲，从而形成弯曲应力，需要对钢管的弯曲应力按式（4）进行校核：
允许环向屈服应力与弹性环向失效应力有关，当σall，he≤0.55σs时，按式（12）计算；当0.55σs＜σall，he≤1.6σs时，按式（13）计算；当1.6σs＜σall，he≤6.2σs时，按式（14）计算；当σall，he＞6.2σs时，按式（15）计算。
经计算，外部环向应力为14.14 MPa，允许环向屈服应力为40.67 MPa，满足式（10），故外部环向应力校核满足要求。一般钢管外部环向应力主要取决于泥浆压力，可以通过调整穿越管道的埋深和回拉时的泥浆压力调整外部环向应力的大小，以满足校核要求。
④应力组合准则校核
管道回拖阶段管道应按下列两个准则进行校核。在管道回拖阶段，不仅需要校核单项应力，而且需要对拉力和弯曲产生的轴向应力组合进行校核，以及对拉力和弯曲产生的轴向应力及外压产生的环向应力的组合进行校核。当分别满足式（17）和式（18）时，校核通过。
经计算满足式（17）、（18），故校核满足要求。
一般情况下，拉应力、弯曲应力、外部环向应力都比较容易通过校核，而两个应力组合准则往往决定着校核的能否最终通过。这是由于管道回拖时受到拉应力、弯曲应力和外部环向应力的综合叠加效果，这些应力的综合因素决定着管道回拖时的安全性。
如果应力组合准则校核没有通过，通常可以通过增加钢管壁厚来满足该项校核。
2.5 管道径向屈曲失稳校核
穿越管段在扩孔回拖过程中，由于管道内没有介质，外部的泥浆压力向内挤压空管，当压力达到一个临界水平时便有可能会发生局部屈曲，局部产生较大的变形，导致管道的局部褶皱而失效。所以应校核空管在泥浆压力作用下的径向屈曲失稳。依据SY/T 6968—2013规定按式（21）进行校核(ps可取实际的泥浆压力，也可按式（26）取值)：
理论研究表明，直埋敷设的柔性管道能够利用其周围土壤的承载能力，当钢管椭圆度达到20％时，才发生整体结构破坏。但试验证明，钢管椭圆度达到5％时，管壁便开始出现屈服。GB 50253—2014《输油管道工程设计规范》和GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》都规定钢管椭圆度应小于3％。故本文钢管椭圆度取3%。
经计算，泥浆压力为0.432 MPa，穿越管段所能承受的极限外压力为465.78 MPa，满足式（21），故空管在泥浆压力作用下的径向屈曲失稳校核满足要求。
如果径向屈曲失稳校核没有通过，则需要增加钢管壁厚或者重新设计穿越曲线，减小穿越轴线的高差来满足该项校核。
3 施工注意事项
①水平定向钻的热力管道穿越属于隐蔽工程，而且埋深较深，维修难度大，所以需要特别注意管道的焊接和保温补口质量。
②当地层中存在易对回拖的热力管道划伤的碎石时，应采取措施保护热力管道外护层不受损伤，如增加高润滑泥浆使用量，使泥浆像薄膜一样附着于外护层，起到保护作用。必要时管道外垫胶皮，并涂上黄油，增加回拖时的润滑效果。
③管道回拖时，由于孔洞内充满了泥浆，泥浆压力过大势必会挤压进入的空管，严重时会造成热力管道径向屈曲失稳，因此回拖的速度不要太快。
④扩孔、回拖尽可能一次连续完成。
⑤导向钻进方向的准确与否，是整个定向钻工程的关键，要确保导向孔的轨迹与设计轨迹一致，在导向钻进的过程中应时刻注意纠偏。
⑥定向钻施工过程中冒浆可能对环境、河流造成污染，为了防止冒浆可以采取加大穿越曲线深度、增大曲率半径、增大入土角、调整泥浆性能、减小钻进压力、合理控制钻进扩孔及回拖速度等措施。
