大口径管道回拖单猫背发送技术的应用

邱德璟

四川石油天然气建设工程有限责任公司，四川成都 610000

1 概述

大口径管道在定向钻回拖施工前，需在地面上调整好管头的入洞角度，以便确保其同设计出土角度一致，从而最大限度地降低回拖拉力损耗。由于钢管自身抗弯刚度大，其在自重荷载下发生的挠曲变形较小，故常借助吊装[1]或设置猫背[2]的方式，通过调整吊点或猫背的高度或距离入洞点的水平距离来实现管道前端角度的变化，从而使其满足同孔道出土角相同的条件。

行业内通常借鉴的理论主要为曾聪、马保松著作《水平定向钻理论与技术》中所述的悬曲线设计[3]以及国际上常用的美国PRCI算法、美国PRCI简化算法、德国DCA算法等，但其实施过程较为繁琐，现场实际应用推广度并不高。本文所介绍的单猫背设置发送方法（其特点是将待发送的管道视为两段连续的悬臂梁，并进行连续两次的挠度变形计算），经多个重点项目的实施验证，认为具有良好的应用效果。该技术具有节约吊装设备成本等优点，在场地条件受限、地基条件较差、大型设备无法进场就位等不利条件下仍能运用，因此该技术对今后大型定向钻管道的回拖施工具有重要的借鉴意义。

2 单猫背发送受力模型

将回拖管道吊装至猫背上，猫背作为一个支点，限制了管道在自重荷载下的向下运动。同时，在不受其他外部荷载的条件下，可将猫背对管道的支点作为（近似处理）悬臂梁的固定节点，支点至管头部分作为自由段，如图1所示，自由段在自重荷载下发生弯曲变形，末端向下产生最大位移量ymax，管道自由段同水平面的夹角由0°变为θp。

图1 理想条件下管道单猫背发送工况示意

在理想情况下，在施工设计上希望管道状态为θp=αho（式中：αho为导向孔出土点角度），这样可使得管道自由段在进入孔道时，同孔道的中心线角度完全一致，从而避免因管道与孔壁接触而导致的管道局部应力增加、洞口坍塌、回拖拉力升高等风险。

从工程实际发现，管道自由段在自重荷载下呈“下坠”趋势，但进入发送引沟后，由于管道受到沟内自洞口溢出的泥浆产生的浮力作用，管道呈“上扬”的趋势。若这两种趋势的转折点（结构上的“反弯点”[4]）刚好发生在入洞口处，则易导致入洞口处的管道局部聚集过大的应力，见图2，这导致地表土体隆起或者塌方，从而造成后续管道入洞的困难[5]。

图2 悬臂梁模型下管道挠度变形中反弯点位置示意

又因为“反弯点”在单点支撑的条件下是无法完全消除的，因此在设计猫背时，应考虑将“反弯点”设计在引沟内远离入洞口的位置。此时，管道的自由段可拆分成两段相对独立的悬臂梁。第一段为自猫背支撑点至反弯点，固定端为猫背支撑点；第二段为自反弯点至入洞口点，固定端为反弯点，见图3。

图3 计算参数示意

3 单猫背参数设计计算

本章所述的猫背设置高度、猫背与入洞点水平距离计算所涉及的相关参数如图3所示。其具体计算过程如下：

（1）步骤1：根据材料力学中叠加法求梁弯曲变形的原理[6]，当假定管道自由段角度变化值等于出土角时，计算管道的最大变形角度及所对应的挠度值。

式中：θB0为管段的自由段角度变化值，（°），令其等于出土角；q为钢管及内配重管的线荷载总和，kN/m；L0为管道自由段水平长度，m；E为钢管的弹性模量，MPa，取2×105MPa；I为钢管的惯性矩，m4，取I=πD4（1-（d/D）4） /64；D为钢管外径，m；d为钢管内径，m，d=D-2δ；δ为钢管壁厚，m；yB0为管道自由段最大挠度，m；qp为钢管的线荷载，kN/m；qb为配重管的线荷载，kN/m。

（2）步骤2：对yB0赋予一段调整深度，用于管道在引沟的泥浆中再次调整角度。令Y=yB0+k，将Y值代入计算式求解L1，再将L1代入求解 θB1，即：

式中：k为管道自由段角度挠度调整深度，取0.3～1 m，满足 θB1＞θB0即可；θB1为第一段悬臂梁自由段角度变化值，（°）；L1为第一段悬臂梁自由段对应的水平长度，m。

（3）步骤3：通过几何图形求解第二段悬臂梁自由段的水平长度及角度变化值。

式中：∆θ为管道在引沟浸没在泥浆段里的角度变化值，（°）；f为管道在辅助发送沟浸没在泥浆段里受到的浮力线荷载，kN/m；qf为管道浸泡在泥浆中受到的净浮力线荷载，kN/m；yb2为入洞口与反弯点切线之间的距离，m；L2为第二段悬臂梁自由段的水平长度，m。

（4） 步骤4：将yb2换算成竖直方向高度yb2V，L2换算成水平方向长度L2h。

（5）步骤5：确定猫背至入洞口的垂直高度及猫背距离实际入洞口的水平距离。

式中：H为猫背最高点至管道实际入洞点的垂直落差，m；∆hf为钢管在辅助发送引沟中泥浆液面至入洞口的垂直高度，m；L为猫背与入洞点的距离，m。

（6） 计算结果：单猫背设置高度为h0，猫背与入洞点距离为L，引沟的开挖最深处深度为H-h0。

4 单猫背发送方案的实施过程

（1）发送工艺流程。该发送工艺流程的实施简单，可操作性强，见图4。

图4 管道回拖单猫背发送工艺流程

（2）猫背修筑。猫背的修筑采用单斗挖掘机，根据第3章“单猫背参数设计计算”的结果修筑主猫背，然后在主猫背向管头一侧，距离约30 m位置，再修筑辅助猫背一个，辅助猫背的高度应高于主锚背0.5～1.0 m，见图5。

图5 猫背修筑及管道就位示意

为提高主猫背的承载能力，减少猫背的变形，修筑时应做好如下几点：第一，主猫背底部宜铺垫钢板，增加地基刚度，防止猫背底部的不均匀沉降[7]；第二，主猫背两侧的边坡，使用土袋做抗滑护坡，形成侧限应力，以提高其受到上部荷载的抗剪强度[7]；第三，猫背顶部宜采用橡胶制品做铺垫，防止管道在行进过程中防腐层被划伤。

（3）管道吊装就位。将预制完成的管道，采用吊车或者吊管机，将管道前端逐步吊装至两个猫背之上，见图5。

（4）配重管注水。根据设计文件要求，对管道内置入的PE管进行注水配重，目的是降低大口径管道在泥浆环境中受到的较大浮力[8]。

（5）拆除辅助猫背。使用单斗挖掘机自下而上挖除前端辅助猫背的土体，让其在自重荷载下逐渐下坠至地面，见图6，以便于下步连接钻具后回拖。

图6 拆除辅助猫背过程示意

（6）开挖引沟、连接钻具。对辅助猫背向着入洞口一侧开挖引沟，以确保管道发送时垂直方向的落差高度，见图7；同时，将回拖钻具与管头连接，至此，回拖前管道发送准备工作完成。

图7 开挖发送引沟示意

5 应用实例

该方法已成功应用于蒙西管道前进渠+南运河定向钻工程，该工程使用D1016mm×26.2 mm的L485钢管，配重采用D630mm×24.1mm的PE管全段注水配重，泥浆密度1.3g/cm3，实际出土角7°。

根据第3章“单猫背参数设计计算”中所述的计算方法，计算过程及实际应用效果简述如下：

（1）基础数据。猫背搭设高度h0=1.5 m，钢管自重线荷载为qp=6.40kN/m，配重PE管道荷载为qb=3.08 kN/m，钢管浮力线荷载为f=10.53 kN/m，钢管净浮力线荷载为qf=0.87 kN/m。

（2） 中间计算参数值。当θB0=7°时，L0=52.69 m，yB0=4.57 m，Y=4.57 m+0.5 m=5.07 m，L1=54.07 m，θB1=7.17°＞7°，满足要求。此时，∆θ=7.17°-7°=0.17°，yb2=0.076 1 m，L2=34.59 m，yb2V=0.075 6 m，L2h=0.61 m。

（3）计算结果。猫背最高点至管道实际入洞点的垂直落差H=7.5 m，猫背距离入洞点距离为L=78.5 m。

（4）实际应用效果。现场实际H=7.2 m，猫背设置距实际入洞口72 m，基本同理论计算一致，见图8。管道回拖入洞时，启动拉力约1 600 kN，无明显波动，扭矩平稳（约50 kN·m），施工正常，应用效果良好。

图8 前进渠+南运河定向钻施工现场回拖管道单猫背发送现场

另外，该技术在中俄东（安平-泰安段）石津干渠、京石邯等管道口径为1 219 mm的大型定向钻穿越工程中也取得了良好的应用效果。

6 结论及建议

（1）本文将管道受力模型简化成两段悬臂梁来进行计算，严格来讲并不完全符合悬臂梁的定义，尤其是“假想”的第二段悬臂梁，随着管道回拖速度的增加，假想的固定段（反弯点）在纵向上必然会发生位移，因此并不符合悬臂梁的定义。同时，在步骤2，Y=yB0+k中，关于k值的取值为经验常数，其根据施工经验数据总结得出。

（2）泥浆密度对计算结果值的影响较大，由于泥浆密度直接影响到第二段悬臂梁受到的浮力，因此在回拖前，应多次测量出土点侧的泥浆密度，求取平均值。

（3） 第4章（4） 的“配重管注水”中，设计了辅助猫背和主锚背的高差，目的是便于管头注水后水可自动流入配重管尾端，从而达到设计的配重要求。但在现场实际施工中，由于受到地形高低起伏、地面构筑物以及目前注水工艺自身的限制，难以在PE配重管内完全注满水，通常注水填充率难以突破70%[9]，因此在管道回拖发送时，管头自由端的线荷载应比理论计算值偏小，但线荷载偏差对计算结果的影响要小于泥浆密度的影响。另外，关于“如何使PE管内完全充满水”，目前依然是业内待解决的技术难题。

本文所介绍的管道回拖单猫背发送技术，由于回拖全过程无需多台吊车、吊管机等吊装设备的全程值守，节约吊装成本至少万元以上，因此该技术得到了广泛的应用。