定向鉆施工中的地質(zhì)巖土學(xué)應(yīng)用

馮 濤

(安徽兩淮建設(shè)第四工程處，安徽 宿州234000)

目前，市政工程建設(shè)中，在城市繁華區(qū)和地下、水文地質(zhì)情況復(fù)雜或者臨近鄰街建筑的情況下，排水管道或者其他管線的施工，不能明開挖施工時，需要采取非開挖技術(shù)解決問題。定向水平鉆在非開挖技術(shù)行業(yè)中，具有不開挖路面、不阻斷交通，不影響環(huán)境等優(yōu)點，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，應(yīng)用前景十分廣闊。

1 定向鉆穿越工程

水平定向鉆穿越設(shè)計是一個全面的系統(tǒng)設(shè)計，它涉及的設(shè)計面非常廣，其中包含了管道安裝、地質(zhì)、力學(xué)、材料等學(xué)科知識。定向鉆穿越工程設(shè)計，結(jié)合了施工現(xiàn)場的實際情況、城市燃?xì)夤艿涝O(shè)計規(guī)范以及水平定向鉆施工規(guī)范的要求。該方法的主要特征是利用高壓泥漿配合整個施工頂進(jìn)過程，具有適應(yīng)土質(zhì)范圍廣、施工速度快、對周圍環(huán)境影響小、安全系數(shù)高等特點，與其他施工方法相比，更具有環(huán)保效果好、工程造價低、施工質(zhì)量好等優(yōu)勢。

每項非開挖工藝都具備一定的風(fēng)險，但如能做好地勘，詳細(xì)了解所穿越地段地質(zhì)風(fēng)險，認(rèn)真研究和結(jié)合地勘，采取相應(yīng)措施，便能規(guī)避風(fēng)險。物探方法按定位原理有:電磁法、直流電法、地震波法和紅外輻射法等。通過采集所需數(shù)據(jù)，進(jìn)行管道設(shè)計軌跡優(yōu)化，提高管道軌跡的科學(xué)性。

2 定向鉆施工

2.1 穿越導(dǎo)向孔設(shè)計與施工中的工程地質(zhì)學(xué)和巖土力學(xué)

1)對巖層水平鉆進(jìn)鋪管施工工藝進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的研究。對巖層水平定向鉆進(jìn)鋪管施工中各個階段的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較為深入的理論研究，并成功有效地指導(dǎo)實際施工，形成一整套基本成熟的巖層水平定向鉆進(jìn)鋪管施工工藝。如為了解決距離超過1 800 m以上的定向鉆施工中鉆桿因(Sinasoidal)變形出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，造成控向困難的問題，通過對鉆桿在長距離軟粘土層變形失穩(wěn)的理論分析，在吸取多方面專家意見和現(xiàn)場經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，研究控向糾偏技術(shù)理論，在實際施工中加以應(yīng)用，提高施工的精度。

2)在充分分析和研究施工區(qū)域的工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)分布，采用多重減震措施和實時注水降溫技術(shù)確?？椎讓?dǎo)向儀器的正常工作。針對空氣潛孔錘導(dǎo)向孔施工時孔底惡劣的工作環(huán)境，采用多重減震措施使儀器在孔底強(qiáng)烈的震動中仍能正常工作;同時采用不停鉆、實時注水降溫技術(shù)在鉆進(jìn)過程中向鉆具內(nèi)部注入冷卻水，使孔底儀器的環(huán)境溫度保持在許可的范圍內(nèi)。

3)高硬度巖石擴(kuò)孔工藝

巖層水平定向鉆進(jìn)空氣潛孔錘導(dǎo)向孔施工工藝。在實際導(dǎo)向孔施工中，提高鉆進(jìn)時效，高出孔底螺桿馬達(dá)和雙層鉆具系統(tǒng)的鉆進(jìn)時效，對提高巖層水平定向鉆進(jìn)鋪管的施工效率、降低施工成本有著非常重要的意義。高強(qiáng)度巖石擴(kuò)孔極易出現(xiàn)巖屑卡鉆和鉆具損壞，從而導(dǎo)致定向鉆失敗的現(xiàn)象。在實際工程中，定向鋪管鉆進(jìn)系統(tǒng)和清渣措施的有效結(jié)合，會使實際施工取得非常理想的效果。，大幅度地提高施工效率，降低施工成本，它的解決在定向鉆進(jìn)鋪管施工領(lǐng)域具有劃時代的意義。

4)管道定向鉆穿越工程所要穿越的巖石段，巖石的最高硬度可以達(dá)到140 Mpa，穿越巖石硬度做為現(xiàn)在施工的主要課題。通過對現(xiàn)場地質(zhì)構(gòu)造的模型的建立和分析研究，編制相應(yīng)的擴(kuò)孔孔徑設(shè)置、擴(kuò)孔器改造、擴(kuò)孔泥漿工藝改進(jìn)等方面的方案，并在實際中加以試驗應(yīng)用，制定出有效的高強(qiáng)度巖石擴(kuò)孔工藝，才能取得良好的效果。

3 泥漿配比與控制

3.1 孔的成功與否關(guān)鍵在于成孔

如何保證形成弧頂，防止塌方的問題，解決孔內(nèi)清土除渣，故此在鉆導(dǎo)向孔時，按照地質(zhì)構(gòu)造的不同詳細(xì)制定出合理的泥漿配比方案，在不同的地質(zhì)情況下選用不同的泥漿配方，再考慮到穿越距離長為防止融土包裹鉆具，所以在化學(xué)聚合物中，按比例配制專用的防糊鉆液，可進(jìn)一步降低孔道中的阻力。雖然表面地質(zhì)通常為雜填土、黏土，但在下部有風(fēng)化流紋斑巖、微風(fēng)化碎裂狀石英巖、強(qiáng)風(fēng)化巖，沙下風(fēng)化巖。為此現(xiàn)場還應(yīng)預(yù)備高效膨潤土以及配合使用其它輔助添加劑為土質(zhì)變化準(zhǔn)備應(yīng)急措施。

還要盡可能的考慮到施工區(qū)域的地層承載力和含水率，對于狀態(tài)不同的地質(zhì)巖土結(jié)構(gòu)，在其出現(xiàn)變層或者斷層的時候，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)和地質(zhì)力學(xué)的理論，施工機(jī)具受力的不均，造成標(biāo)高或者軸線的位移，在管道的實際安裝中由于拐點容易出現(xiàn)事故。含水率和地下水的流動性的不同容易對泥漿的粘度造成很大影響，而且在施工過后的運營中，給管道的氣密性、使用年限形成影響，最主要的是造成周邊環(huán)境的的地質(zhì)改變，如果不在施工方案中加以考慮，必然形成重大的安全隱患。

3.2 泥漿控制

按照事先確定好的泥漿配比用一級鈉基膨潤土加上泥漿添加劑，配出符合要求的泥漿。使用的泥漿添加有:降失水劑、固壁劑、黏土分散劑等。為確保泥漿的性能，保證膨潤土有足夠的水化時間，一般采取兩套加料配漿系統(tǒng)，延長泥漿循環(huán)周期。水源的采用一般是自來水，抽入水罐內(nèi)加堿軟化，降低Ca、Mg離子含量，改善水質(zhì)，同時提高水的pH值，水的pH值為9～10時最適合膨潤土的水化。根椐穿越段地層情況，在鉆導(dǎo)向孔階段，泥漿黏度控制在45 s～50 s;在預(yù)擴(kuò)孔和回拖階段泥漿粘度提高5 s～10 s即達(dá)到50 s～55 s。

4 復(fù)雜地層管道穿越施工

管道定向鉆穿越的地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，地質(zhì)變化，包括中風(fēng)化流紋斑巖、微風(fēng)化碎裂狀石英巖、強(qiáng)風(fēng)化巖等。并且由于地處環(huán)境和地區(qū)不同，各種配套設(shè)施也可能夠不完善，施工場地的局限，氣候的影響，因此其整體穿越工藝的科學(xué)性變得極為重要。

針對具體的施工難題，在穿越各地層所采用的設(shè)備選用、不同地層導(dǎo)向孔穿越以及擴(kuò)孔施工工藝、地面管線預(yù)制方案、回拖實施方案等進(jìn)行整體的研究，在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)、擴(kuò)孔工藝及泥漿控制等方面實現(xiàn)突破，解決復(fù)雜地層特別是復(fù)雜地質(zhì)條件下的定向鉆穿越問題。

4.1 復(fù)雜地層管道穿越工程力學(xué)分析

基于定向鉆施工中的材料力學(xué)、彈性力學(xué)、可靠性理論及有限元方法，分別研究穿越管道施工過程現(xiàn)場得巖土載荷與施工穿越(包括管道試壓、鉆孔和擴(kuò)孔以及管道回拖等關(guān)鍵施工過程鉆桿與管線的應(yīng)力及強(qiáng)度校核)、管道運行過程的應(yīng)力狀態(tài)、沉降規(guī)律、穩(wěn)定性、管土相互作用以及管道局部減薄的可靠性分析。對于施工環(huán)境的影響和治理有很大的意義。

4.2 穿越管道工程安全風(fēng)險綜合評價

4.2.1 穿越管道施工引起的穩(wěn)定性改變

基于管土間動力相互作用，穿越管道的地質(zhì)地層載荷穩(wěn)定性能的改變與抗震可靠性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對于道路和建筑作用下穿越管道施工后地層應(yīng)力以及土和管道參數(shù)對穿越管道抗震性能及其地面構(gòu)筑物的影響，確定穿越管道在地震作用下的強(qiáng)度安全。由于施工工藝的原因造成施工區(qū)域的地質(zhì)地層載荷穩(wěn)定性能的改變，形成極大的安全隱患。(包括輔助施工措施降水、注漿、樁基)

4.2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

在邊坡范圍內(nèi)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，通過試驗與理論相結(jié)合的方法確定出邊坡的典型巖石和弱面的物理力學(xué)參數(shù)，并選取合理的計算參數(shù)，針對具體的巖體賦存條件，采用彈塑性極限平衡法和有限元法對研究范圍內(nèi)的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。尤其是河堤區(qū)域的施工。

4.2.3 穿越管道施工過程中的地質(zhì)巖土應(yīng)用

針對管道穿越工程地質(zhì)條件復(fù)雜、穿越距離超長，施工難度前所未有，施工過程的風(fēng)險更是不可預(yù)測，在同類工程中結(jié)合地質(zhì)巖土理論應(yīng)用于管道施工過程，能在很大程度上降低施工風(fēng)險。而且在施工設(shè)計時盡可能的減少和降低重復(fù)施工和多次施工。

4.2.4 穿越管道運行中的地質(zhì)巖土研究

結(jié)合地質(zhì)和巖土學(xué)理論，在施工結(jié)束后的運營過程中，對穿越管道失效因素進(jìn)行理論分析，評價穿越管道的失效可能性，通過模糊數(shù)學(xué)理論，評估穿越管道在設(shè)計壽命內(nèi)的運行風(fēng)險，以及由此引發(fā)的地質(zhì)穩(wěn)定性改變。建立后期的檢修和運營成本理念，全面細(xì)致的做好施工建設(shè)工作。

5 結(jié)語

通過以上工作，基本可以構(gòu)建一個全方位的定向鉆施工中地質(zhì)和巖土學(xué)的應(yīng)用貫穿始終。當(dāng)然在設(shè)計到施工的整個過程中，必須與地質(zhì)和巖土學(xué)緊密結(jié)合才能有一個比較完善的理論體系指導(dǎo)。

［1］高大釗，袁聚云.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué).第3版北京:人民交通出版社，2001.3.

［2］孔憲立，石振明.工程地質(zhì)學(xué)［M］.第1版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［3］張咸恭，王思竟敬，張倬元等.中國工程地質(zhì)學(xué)［M］.科學(xué)出版社，2000，10.

［4］石油天然氣管道穿越工程施工及驗收規(guī)范.SY/T4079－95.

［5］給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范.GB 50268－2008.

［6］陳志成.水平導(dǎo)向鉆進(jìn)非開挖鋪管技術(shù)應(yīng)用.管道工程，2005，1.