燃气管道定向穿越的出、入土角的研究
上海燃气工程设计研究有限公司 刘 峰
摘 要 从设计实例计算分析着手，根据理论和实践运行经验综合分析研究影响定向穿越的出、入土角和穿越深度的因素，并针对性的提出一些建议和措施。 关键词：定向穿越 出土角 入土角 直线段 弧线段 回拖力
1 引言
传统的燃气管道穿越道路、河流多采用开挖施工，施工中带来了交通阻塞、出行不便、城市绿化被毁等一系列问题。同时,城市基础设施的不断建设也使燃气等地下管线的施工将经常面临城区内河流、景观道路(或交通要道)及其它地上构筑物的影响。非开挖技术把施工对环境的影响减少到最小，而且当管线要通过重要道路、河流、集市时，非开挖技术就显得尤为重要。现在人们的环境意识越来越强，施工对环境的破坏程度成为施工方法是否合理的一个重要指标。另外作为一项新兴的管道敷设施工技术,水平定向穿越以其具有精确导向,有利环保,施工周期短、效率高等众多优势。
水平定向穿越在输送人工煤气的管道施工中由于无法解决管道凝结水的问题(因人工煤气含水量较多)，在上海地区的使用受到了相当大的限制。随着东海天然气的扩建，“西气东输”天然气工程的启动，上海城市的管网改造及建设付诸行动，适应大规模管线施工及环保和施工进度的要求，定向钻穿越河流、沟渠、桥梁、公路、铁路、楼群集聚地等的施工受到越来越多的关注。在上海天然气的主干网建设中穿越大于70米的大型河流、高速公路、大型互通式立交基本上采用了定向钻工艺。
本文主要就从事燃气管水平定向钻穿越设计以及施工的实践中对入土角、出土角、穿越长度、穿越深度等参数的确定进行研究。
2．定向钻穿越工艺简介
定向钻穿越施工时，首先钻机被安装在入土点一侧，从入土点开始，沿着设计好的线路，钻一条从入土点到出土点的曲线；作为预扩孔和回拖管线的引导曲线。详见图－1
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图－1 穿越步骤一
然后在钻导向孔阶段，钻出的孔往往小于回拖管线的直径，为了使钻出的孔径达到回拖管线直径的1.5倍以上；需要用扩孔器从出土点开始向入土点将导向孔扩大至要求的直径。
图－2 穿越步骤二
最后地下孔经过预扩孔，达到了回拖要求之后，将钻杆、扩孔器、回拖活节、被安装管线依次连接好，从出土点开始，一边扩孔一边将管线回拖至入土点为止。
图－3 穿越步骤三
3．管道穿越设计参数的确定
以上海郊环线设计压力6.0MPa超高压天然气管道为例。根据《上海城市输气主干网工程项目可行性研究报告》及上海的实际情况，确定管道管材选用X60
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板材，管径为φ813毫米，其中穿越段采用直缝埋弧焊钢管。 3.1 管道壁厚的确定
? 直管段管道壁厚按下式计算：
??PD 2?s?Ft式中:δ：管道计算壁厚（cm）
P：设计压力6.0MPa D：钢管外径81.3cm
σs:钢管的最小屈服强度415MPa
F：强度设计系数，由于本工程高压管道均处于城市规划区内，属Ⅳ类地区，故根据规范选择设计系数0.4
?：焊缝系数取1
t：温度折减系数，小于120℃取1
计算结果为钢管壁厚14.7mm，选用壁厚为15.9mm ? 弧线段壁厚按下式计算：
δb=δ·m m?4R?D 4R?2D式中：
δb—管弯壁厚（mm）
δ—管头或弯管所连接直管段壁厚（mm） m—弧线段壁厚增大系数
R—弧线段的曲率半径（mm）规范要求R＝1500D D—钢管的外直径（mm）
经过计算m=1，弧线段的壁厚为15.9毫米。
3.2 穿越长度计算
根据《石油天然气管道穿越工程施工及验收规范》的有关规定：一般入土角控制在90～120、出土角控制在40～80为宜，曲率半径以1500D为宜（D为穿越管段外经），穿越管段在入土点之后20m内应为直线段。我选择了入土角为9.50，出土角为50。水平段长度为50米（详见表－1），可以通过调整敷设深度，将入
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土段直线段的长度控制在20m左右，计算得出穿越水平距离为559.77米，穿越管道长度561.82米。 图－4 穿越管道曲线示意图 表－1 定向钻穿越计算表
序号 代号 1 D×δ 2 D 3 4 5 α(度) 6 β(度) 名称 管径(mm)*壁厚（mm） 外径(mm) 管材 防腐层 入土角 出土角 Δ4＝Δ2 Δ5＝Δ3 计算式 计算结果 813x15.9 813.0 X60直缝埋弧焊钢管 双层环氧粉末， 800μm 9.5 5.0 0.2 0.1 4.0 0.0 4.0 4.0 4.0 4.0 20.0 1219.5 20.4 20.4 0.0 50.0 22.3 202.2 180.9 106.4 22.0 201.3 180.2 106.3 559.8 561.8 7 α(弧度) 入土角 8 β(弧度) 出土角 9 Δ1(米) 10 L0(米) 11 Δ2(米) 12 Δ3(米) 13 Δ4(米) 14 Δ5(米) 15 h0(米) 16 R(米) 17 H1(米) 18 H2(米) 19 c(米) 20 L1(米) 21 l2(米) 22 l3(米) 23 l4(米) 24 l5(米) 25 L2(米) 27 L3(米) 26 L4(米) 28 L5(米) 29 l(米) 30 L(米) 河道蓝线宽度 入土点地面标高 出土点地面标高 入土点管中心标高 出土点管中心标高 规划河床底（设计道路路面）标高 穿越水平段距规划河床底（设计道 路）深度 穿越弧线段曲率半径R=1500D 入土点管中心距水平段管中心深度 Δ4－Δ1＋h0＋D/2 出土点管中心距水平段管中心深度 Δ5－Δ1＋h0＋D/2 规划河床底宽(米) 管道水平段长度 入土段直线段长度 入土段弧线段长度 出土段直线段长度 出土段弧线段长度 入土段直线段投影距离 入土段弧线段长度投影距离 出土段直线段投影距离 出土段弧线段长度投影距离 穿越水平距离 穿越管道长度 [H1－R.(1－COS(α))]./SIN(α) R.α.2π/360 [H2－R.(1－COS(β))]./SIN(β) R.β.2π/360 [H1－R.(1－COS(α))]./TAN(α) R.SIN(α) [H2－R.(1－COS(β))]./TAN(β) R.SIN(β) L1＋L2＋L3＋L4＋L5 L1＋l2＋l3＋l4＋l5 4．出、入土角的变化对穿越长度、深度的影响
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