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92班庆铁线扩能安全改造工程(垂杨—铁岭段)清河穿越方案设计

来源:未知 作者:admin 发布时间:2022-05-06 17:51:27 次浏览

摘 要 本文结合庆铁线扩能安全改造工程(垂杨-铁岭段)清河定向钻穿越方案设计。根据工程地质的实际情况,合理地确定定向钻穿越清河的方案。关键词 清河;定向钻;注浆中图分类

摘 要 本文结合庆铁线扩能安全改造工程(垂杨-铁岭段)清河定向钻穿越方案设计。根据工程地质的实际情况,合理地确定定向钻穿越清河的方案。

关键词 清河;定向钻;注浆

中图分类号:TU 文献标识码:A 文章编号:1671—7597(2013)032-095-03

1 工程背景

随着我国改革开放以来国民经济的持续快速发展,对石油消费的需求逐年上升,已逐渐从石油净出口国转变为石油进口大国,未来我国石油供应的对外依存度将进一步提高。对此,我国政府高度重视,已经着手从国家发展战略高度研究如何提高我国未来石油资源供应的安全性和可靠性的问题,进口原油实现资源来源的多渠道,是我国提高石油资源供应安全所采取的一系列重大战略措施中重要的组成部分。

目前中国石油通过铁路在满洲里口岸每年进口俄罗斯原油888万吨。2009年2月17日,中国石油与俄罗斯石油公司、俄罗斯国家石油管道公司签署了关于斯科沃罗季诺-中俄边境原油管道建设和运营合同,明确从2011年至2030年,俄罗斯石油公司每年将通过管道向中国供应1500万吨原油。

除管道进口俄油外,中国石油目前在满洲里口岸通过铁路进口的俄油,根据中国石油股份公司的预测,2010年以后将维持在50×104~500×104t/a之间,在2015年后将稳定在1000×104t/a左右。

此外,根据中国石油股份公司的预测,2010年以后进入庆铁线输送的大庆油和吉林油,将维持在2587.1×104~2769×104t/a之间,到2020年降到2720×104t/a左右。

根据以上未来资源量预测和原油配置方案,2011年开始进入东北管网的俄油将由目前的800×104t/a左右,增加到1550×104~2350×104t/a之间;加上进入东北管网的大庆原油和吉林原油,庆铁新老线的现有输油能力将出现较大不足。

因此,为了保证引进俄油在东北管网的顺利接收,满足扩大的输送能力要求,庆铁线扩能改造工程(垂杨-铁岭段)建设实施。

2 工程概况

庆铁线扩能安全改造工程(垂杨—铁岭段)新建线路工程起点为垂杨输油站,终止于铁岭输油站,中间站场依托已建庆铁线的梨树输油站、昌图输油站建设。管道沿途经过2省(吉林省和辽宁省),7个市、县(长春市、公主岭市、梨树县、四平市、昌图县、开原市及铁岭市)。管道设计压力为6.3 MPa,管径为Φ813 mm。

管道于辽宁省开原市境内穿越清河。清河管道入土点位于清河东岸,出土点处位于清河西岸,采用定向钻穿越清河。

3 清河概况

3.1 清河基本情况

清河,古称少贝河,发源于清原县北英额门乡三道沟庙岭,由于该河汇集了二道沟河、碾盘河、寇河诸水后,形成了辽河一大支流,流域面积达5674.3 km2。特别是清河流域绝大部分属长白山余脉低山丘陵区,由于地理位置、地势、地貌和气象等因素,使该流域成为辽河洪水的主要来源。

清河位置为辽宁省开原市八宝镇茨林子村,距上游清河拦河闸6 km,距辽河入河口处12.5 km。根据现场勘察,岸边土质为粉质粘土、河床以细沙、粗砂为主。

3.2 工程水文参数

管道穿河断面处河流水文参数见表1。

3.3 河势分析及防洪影响

穿越河段的西北侧为人工填筑的河堤,高度约3.0 m,以粘性土为主,堤岸顶端为砂石路面。东南侧为河水长期冲刷而形成的陡坡,高度约为5.0 m,具有一定的防洪能力,河堤较稳定。

穿越处东南岸岸坡主要由粘性土、粉土、细砂组成,西北岸由粉土、细砂组成。东南岸岸坡被水冲刷较严重,河道两侧地表植被发育,现已被开垦为农田。在遭遇高洪水位冲刷侧蚀时,东南侧岸坡抗冲刷能力相对较弱,总体上两侧岸坡的稳定性相对较差。

管线穿越处河道水面较宽,约50 m,河床较平整,河道主槽及滩地河床主要以砾砂、圆砾为主。东南、西北滩上部不同程度的覆盖粉土及细砂。在平常时期,该地段河床相对较稳定,如遭遇特大洪水,因人为采砂等原因影响,滩地表层河床质易受河水冲刷,稳定性较差。

河道穿越处附近正在进行采砂作业,采砂场分布在管道下游约300 m范围内,且开采量较大,对河床的稳定性带来一定的影响。

3.4 穿越位置工程地质

管道穿越处各岩土层特征从上至下分述如下:

①层粉质粘土(Q4al+pl):黄褐色,可塑,土质较均匀,具铁锰质结核。该层分布不连续,厚度为0.90 m~3.30 m,层底标高为74.41 m~76.60 m。

②层圆砾(Q4al+pl):黄褐色,由结晶岩组成,呈微风化状,坚硬,亚圆形,混粒结构,级配良好,一般粒径2 mm~20 mm,含量约60%,最大可见粒径40 mm,含约30%混粒砂,充填10%的粘性土,中密-密实。该层分布连续,层厚6.80 m~20.30 m,层底标高为54.30 m~64.71 m。

②-1层砾砂(Q4al+pl):黄褐色,石英-长石质,次棱角形,混粒结构,颗粒级配一般,含少量圆砾,充填少量粘性土,饱和,松散-稍密。该层分布不连续,呈透镜体状分布于②层圆砾中,揭露厚度2.70 m,层底标高为72.20 m。

②-2层中砂(Q4al+pl):黄褐色,石英-长石质,次棱角形,均粒结构,颗粒极配差,充填少量粘性土,稍湿,中密。该层仅见于ZX-QH-08号孔,厚度为1.10 m,层底标高73.31 m。

②-3层卵石(Q4al+pl):由结晶岩组成,呈微风化状,坚硬,亚圆形,混粒结构,级配良好,一般粒径20 mm~200 mm,含量约60%,最大可见粒径220 mm,含约30%混粒砂,充填10%的粘性土,中密-密实。该层分布基本连续,层厚1.50 m~5.50 m,层底标高为59.48 m~69.90 m。

③层砾砂(Q4al+pl):黄褐色,石英-长石质,次棱角形,混粒结构,颗粒级配一般,含少量圆砾,充填少量粘性土,饱和,密实。该层分布基本连续,厚度为4.10 m~10.00 m,层底标高49.21 m~56.41 m。

④层中砂(Q4al+pl):黄褐色,石英-长石质,次棱角形,均粒结构,颗粒极配差,局部含少量细砂,充填少量粘性土,饱和,密实。该层分布连续,厚度为1.90 m~8.90 m,层底标高46.50 m~52.91 m。

⑤层砂砾岩(K2):青灰色,主要矿物成分为石英、长石等,中粒结构,层状构造,节理裂隙发育,岩芯呈碎块状,锤击易碎,含有较大的砂砾,约占39%,最大可见粒径50 mm,极软岩,极破碎,RQD=10,岩体基本质量等级Ⅴ级,强风化。该层分布基本连续,本次勘察部分钻孔未穿透该层,最大揭露厚度12.70 m,层顶标高为39.63 m~52.91 m。

⑥层泥岩(K2):黄褐色,主要矿物成分为粘土矿物,泥质结构,块状构造,节理裂隙发育,岩芯呈碎块状,锤击易碎,极软岩,破碎,RQD=10,岩体基本质量等级Ⅴ级,强风化。该层分布基本连续,最大揭露厚度14.00 m,层顶标高为36.71 m~52.38 m。

4 定向钻穿越方案设计

4.1 出、入土点的选择

清河穿越河流东侧有二西线可到达现场,钻机进场较为方便,可作为定向钻入土端;清河西侧地势平坦宽阔,可进行管道组装焊接,作为定向钻管道回拖端。

4.2 穿越地层选择考虑的主要因素

1)根据穿越管线管径及曲率半径的要求,穿越管段管顶距离河床底部的最小距离不宜小于12.2 m。

2) 定向钻穿越管段最小埋深应大于设计洪水冲刷线以下6 m。

综合考虑以上因素,定向钻穿越清河(穿越长度1629.56m)水平长度1625 m;并结合地层情况,定向钻穿越主要选择在⑥层泥岩中通过。定向钻在该层中的穿越长度约1208 m。

管底设计标高约为47.6 m。河床底部管顶最小覆土深度约为17.0 m。

4.3 穿越曲线设计

根据穿越段河流两侧的地形、地质条件和穿越管径的大小,确定入土角控制在10°,出土角控制在9°。穿越管段的曲率半径为1500D(D为穿越管段外径)。

4.4 钻机选型及回拖

根据《油气输送管道穿越工程设计规范》(GB 50423-2007)中关于定向钻穿越回拖力的计算公式,结合本处穿越长度及管道参数,经计算,本处穿越段回拖力为1977 kN,根据规范要求,最大回拖力应按计算值的1.5~3倍选取,本工程取3倍的安全系数,即选取钻机的最大回拖力应大于5931 kN。

4.5 出、入土端地层方案设计

4.5.1 出、入土端的地质

根据工程地质条件定向钻穿越出、入土端经过层中砂层和层中砂层,中砂层呈黄褐色,石英-长石质,次棱角形,均粒结构,颗粒极配差,局部含少量细砂,充填少量粘性土,饱和,密实。该层分布连续,厚度为1.90 m~8.90 m,层底标高46.50 m~52.91 m。由于该层定向钻成孔困难。

出土端经过②-3卵石层,卵石层呈由结晶岩组成,呈微风化状,坚硬,亚圆形,混粒结构,级配良好,一般粒径20 mm~200 mm,含量约60%,最大可见粒径220 mm,含约30%混粒砂,充填10%的粘性土,中密-密实。该层分布基本连续,层厚1.50 m~5.50 m,层底标高为59.48 m~69.90 m。其粒径较大,不宜固结。

4.5.2 出、入土端方案设计

1)灌浆设计。

根据类似穿越工程经验,并通过查阅大量关于石油天然气管道定向穿越河流后对上部土体产生的影响及范围,采用充填式灌浆进行处理,初拟出入土侧灌浆范围。平行管道轴线布置灌浆孔共6排,管道轴线两边各9排,各排排距1.5 m,孔距2.0 m,交错布置,总宽度12 m。具体措施如下:

1)出、入土端处理。

入土端在管道穿越轴线两边各6 m,沿管道轴线方向自入土点向清河侧,总长约234 m;在深度方向,本着重点加固管道周围砂层和受扰动破坏的土体为原则,加固深度在管道中线上方5 m~8 m,管道中心线下方5.0 m,灌浆厚度为2 m~13 m;出土端在管道穿越轴线两边各9 m,沿管道轴线方向自出土点向清河侧,总长约158 m;在深度方向,本着重点加固管道周围砂层和受扰动破坏的土体为原则,加固深度在管道中线上方5 m~8 m,管道中心线下方8.0 m,灌浆厚度为2 m~13 m;出土端有②-3卵石层,其粒径较大,不宜固结,定向钻时可采用开挖处理。详见图1、图2、图3。

2)灌浆设计参数。

①灌浆材料:灌浆材料分别采用PO42.5普通硅酸盐水泥等。灌浆遵循由稀到浓的厚则,采用“由稀浆开始渐变浓浆灌注法”,按照灌浆规范规定的:2、1、0.8、0.5四个比级。

②浆液的初凝时间由试验确定。

③初拟灌浆压力为0.1 MPa~0.5 MPa。以上灌浆压力只作为初步拟定,在灌浆施工时灌浆压力要求通过试灌来确定,并在灌浆施工过程中进一步检验调整。

④灌浆试验。

灌浆施工前应做灌浆试验。选有代表性地段,按灌浆设计进行布孔、造孔、制浆、灌浆。观测灌浆压力、吃浆量及泥浆容量、位移和裂缝等。试验孔不少于3个。试验结束后应分析资料,总结经验,修改参数,完善和熟练灌浆工艺,然后方可全面施工。

3)施工工序。

灌浆施工时,钻孔应顺堤轴线向布孔,二序施工,孔距4.0 m,且间隔布孔,终孔间距2.0 m,钻孔开孔位置与设计位置偏差不大于10 cm,孔深允许偏差应满足规范要求。施工时应先灌上游排孔,再灌下游排孔,后灌中间孔,先Ⅰ序后Ⅱ序,由下至上,下套管分段灌浆,段长可为5 m~10 m。单排孔在施工过程中按两序孔进行灌浆,先钻灌第Ⅰ序孔,然后依次钻灌第Ⅱ序孔,Ⅰ序孔间距4.0 m,Ⅱ序孔间距2.0 m。

灌浆方法采取自下而上分段灌浆,段顶堵塞法进行。每段灌浆长度初拟5 m,射浆管距离孔底不宜大于0.5 m。段与段之间灌浆后一般不需要待凝,可直接进行上一段灌浆施工。灌浆可采用纯压式,灌浆机上没压力表,设三通回浆管,以便随时调整灌浆压力。

当灌浆压力保持不变,注入率持续减少时,或当注入率不变而压力持续升高时,不得改变水灰比。当某一比级浆液的注入量已达300 L以上或灌注时间已达30 min,而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时,应改浓一级;当注入率大于3O L/min时,可根据具体情况越级变浓。灌浆过程中,灌浆压力或注入率突然改变较大时,应立即查明原因。

在设计灌浆压力下,当注入率不大于1 L/min后,再延续注30 min可结束灌浆。

4.6 硅管套管穿越

硅管套管单独进行定向钻穿越,套管采用Ф114×6.4 20#无缝钢管,穿越轴线平行于输油管道轴线,位于输油管道东侧,其水平距离为10 m,穿越曲线与输油管道定向钻穿越曲线设计要求相同。

穿越时,钢套管组焊和硅芯管组的穿放两项工作是交叉进行的。套管组焊时,要求在其管内预穿铁丝,便于硅芯管在钢套管内穿放。为确保硅芯管在钢套管焊接时不受损伤,每穿一段硅芯管组留15 cm不穿出钢套管口,焊接后再拖入下一段。

4.7 穿越段管道抗震校核结果

穿越场区50年超越概率10%的地震动参数0.1 g,根据《油气输送管道线路工程抗震技术规范》(GB50470-2008)中相关要求,本穿越场区管道应采用50年超越概率2 %的地震动参数进行抗震设计,由于地震安全评价单位尚未提供动参数,本设计按50年超越概率10%的地震动参数提高一个等级考虑,即本场区的管道按0.3 g进行抗震设防。

经过对管道进行抗拉伸和抗压缩校核,所选用的管道满足抗震要求。本穿越段管道及附近未经过活动断裂,无需采取专项抗震措施。

5 环境保护

管道穿越工程施工应遵循国家和行业有关健康、安全与环境的法律、法规及相关规定。场地平整及作业带清扫时应将耕植土和其他土进行分离,待工程结束后将耕植土覆在表面进行还原;穿越施工完毕后,废弃的泥浆、油污及其他杂物要装车运走,场地要干净,并平整到原地貌形式。废渣来源于施工废料、弃土和生活垃圾。要求施工单位在现场设立定点废弃料处,能够回收的进行回收利用,不能回收的利用的进行清运,施工完毕时保证场地的清洁,没有废弃垃圾。穿越工程产生的废渣主要为砂,卵石、泥浆。其中砂和卵石经过分离后可作为建筑材料使用。泥浆可做回收处理。穿越施工过程中产生的废水主要为施工人员生活污水、施工用水及管道试压清洗排放的废水。施工作业期间,施工人员产生的生活污水极少,在施工现场设立定点清洗处,具有影响范围小、时间短的特点,不会对地下水资源和土壤产生破坏。管道试压废水应经沉淀处理,符合环保要求后,排入附近的沟渠或河流可受纳水体。穿越施工产生的噪声主要为施工机械(钻机、运输车辆、切割机、柴油发电机等)发出的噪音,其强度在88-120dB(A)。由于钻机在河床以下工作,不会对周围造成太大的影响。

在施工过程中,合理安排施工时间,提高操作水平,减少对敏感时段的影响。穿越工程地处村落附近,周围居民较多,但在施工过程中仍应在夜间停止噪声大的机械作业,以保证周围居民的正常工作和休息。在施工过程中,除施工程序不允许间断操作的工作以外,禁止在晚上10时至次日6时进行高噪音施工。运输车辆应尽可能的减少鸣号,尤其是在夜间和午休时间。施工设备尽可能的选用低噪音设备,与周围居民做好沟通工作,争取得到居民的理解和支持,减少扰民问题的发生。

6 结束语

结合现场河流的实际情况,相关的水文地质参数,定向钻穿越河流时遇到地质情况不理想,可以采取灌浆设计,并且在施工过程中采取合理的施工措施,实现河流定向钻穿越。本工程设计为以后工程提供参考。

参考文献

[1]SD266-88土坝坝体灌浆技术规范[S].1988.

[2]GB 50253-2003输油管道工程设计规范[S].中国计划出版社,2003.

[3]GB 50423-2007油气输送管道穿越工程设计规范[S].中国计划出版社,2008.

[4]SL62-94水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].水力电力出版社,1994.

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