云桂鐵路定向鉆施工技術(shù)

王 健

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300350）

云桂鐵路某車站給排水消防管道穿越鐵路路基，管道穿越線路存在粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、強(qiáng)風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r等多種地層，為不影響鐵路正常運(yùn)轉(zhuǎn)，減少對原有鐵路路基本體及附屬工程的破壞，滿足交通流量需求，選用定向鉆進(jìn)行排水消防管道的施工。

1 定向鉆工藝及原理

定向鉆進(jìn)管線是借助定位導(dǎo)向儀的導(dǎo)向功能，對水平定向鉆機(jī)的鉆孔軌跡進(jìn)行控制，使其在不同地層和深度進(jìn)行鉆孔，從而達(dá)到在設(shè)計位置鋪設(shè)地下管線的一種施工方法。在施工時，鉆井液可使用膨脹土和水的混合物，以便起到冷卻、潤滑鉆頭、穩(wěn)定孔壁、軟化土層、潤滑管道的作用。在對鉆孔口徑進(jìn)行回擴(kuò)時，可根據(jù)生產(chǎn)管線直徑、地質(zhì)等情況而定，回擴(kuò)次數(shù)可一次完成，也可分為多次完成。

定向鉆在穿越鐵路路基施工過程中主要分為4個階段：第一階段為準(zhǔn)備工作，現(xiàn)場調(diào)查，選擇合適機(jī)型，測量放線，場地平整，鉆機(jī)布置及安裝調(diào)試；第二階段利用導(dǎo)向鉆頭按照設(shè)定曲線完成導(dǎo)向孔施工作為預(yù)擴(kuò)孔或回托管的導(dǎo)向線；第三階段對導(dǎo)向孔進(jìn)行回拉擴(kuò)孔，擴(kuò)孔可分多次進(jìn)行直至達(dá)到管道鋪設(shè)要求直徑；第四階段將管線與擴(kuò)孔工具連接，進(jìn)行擴(kuò)孔回托，將管道托送到孔道中，完成管道穿越工作。

2 定向鉆工藝及施工流程

定向鉆施工主要施工流程分別為：測量放線→鉆機(jī)場地布置→鉆機(jī)安裝調(diào)試→鉆導(dǎo)向孔→擴(kuò)孔→洗孔→套管回拖→清理場地。具體工藝流程：

（1）現(xiàn)場調(diào)查及測量放線。仔細(xì)研究地勘資料，并現(xiàn)場核對，根據(jù)現(xiàn)場情況及時與設(shè)計、勘察單位聯(lián)系，并根據(jù)施工圖紙放出鉆機(jī)場地控制線及設(shè)備擺放位置線，確保鉆機(jī)中心線與入土點(diǎn)、出土點(diǎn)成一條直線。

（2）鉆機(jī)及配套設(shè)備就位及調(diào)試。根據(jù)測量放線情況確定入土點(diǎn)，將鉆機(jī)就位在穿越中心線位置上，平整、夯實鉆機(jī)場地、鉆機(jī)就位調(diào)試完成后，進(jìn)行系統(tǒng)連接、試運(yùn)轉(zhuǎn)，檢查設(shè)備是否工作正常。

（3）測量控向參數(shù)。每個位置至少測4次，進(jìn)行對比，并做好記錄，取其有效值的平均值作為控向值。

（4）泥漿配制。泥漿為定向鉆施工的“血液”，它不止是廢碴的運(yùn)輸媒介，還能夠起到加強(qiáng)孔壁強(qiáng)度、潤滑、冷卻鉆頭等作用。泥漿制備過程主要為取水、現(xiàn)場設(shè)置泥漿罐車收集池、配制泥漿、泥漿的回收利用。要嚴(yán)格控制泥漿的比重、黏度、含砂率等以確保其性能。

（5）鉆機(jī)試鉆。嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行試鉆，檢查各部位運(yùn)行情況、受力情況、鉆機(jī)方向情況，為正常鉆機(jī)提供參考依據(jù)。如各種參數(shù)正常，即可正常鉆進(jìn)。

（6）鉆孔。每鉆完一根鉆桿要測量一次鉆頭的實際位置，用全站儀反復(fù)測量，跟蹤記錄鉆進(jìn)受力、方向情況，直到鉆頭在預(yù)定位置出土，完成整個導(dǎo)向孔的鉆孔作業(yè)（見圖1所示）。

圖1 鉆孔示意圖

（7）擴(kuò)孔。在鉆導(dǎo)向孔階段，鉆出的孔往往小于回拖管線的直徑。為了使鉆出的孔徑達(dá)到回拖管線直徑的1.3～1.5倍，需要用擴(kuò)孔器從出土點(diǎn)開始向入土點(diǎn)將導(dǎo)向孔擴(kuò)大至要求的直徑（見圖2所示）。擴(kuò)孔宜采取分級、多次擴(kuò)孔的方式進(jìn)行。一般地層擴(kuò)孔級差不大于150mm。擴(kuò)孔時鉆具組合順序為：鉆桿——擴(kuò)孔器——鉆桿。

圖2 擴(kuò)孔示意圖

（8）清孔。清孔的主要目的就是進(jìn)一步將孔眼內(nèi)的泥沙、巖屑攜帶出來，減少鉆屑的沉積而使孔清潔；清孔的另一個目的是在一定程度上修正孔眼。清孔的次數(shù)通常根據(jù)泥漿循環(huán)時間、切削量等因素靈活把握，擴(kuò)孔過程中，如果扭矩、拉力較大，可考慮進(jìn)行清孔作業(yè)?；赝锨皯?yīng)進(jìn)行清孔作業(yè)直至扭矩、壓力穩(wěn)定正常。

（9）擴(kuò)孔拖管?；赝箱撎坠軙r，先將擴(kuò)孔工具和管線連接好，然后開始回拖作業(yè)，并由鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)后退進(jìn)行回拖，產(chǎn)品管線在回拖過程中是不旋轉(zhuǎn)的（見圖3所示）?；赝锨昂?，準(zhǔn)備好補(bǔ)口、補(bǔ)傷材料和器具及電火花檢漏儀，安排專人巡視管線。

圖3 擴(kuò)孔拖管示意圖

（10）地貌恢復(fù)，泥漿處理。定向鉆施工前，先在兩邊挖截排水溝，并開挖倒流溝，將可能跑、冒、流暢的泥漿用泥漿泵抽到泥漿罐車，部分泥漿循環(huán)利用。清除地上的雜物，用單斗車及人工回填開挖的溝渠等，分層壓實。

（11）其他注意事項。

①當(dāng)在鉆進(jìn)過程遇到障礙物時，如果障礙物可破碎，可以用鉆頭的攪刀破碎來去除障礙物。

②遇到鉆頭快速下沉?xí)r，當(dāng)遇到軟土層或遇到暗河（塘）時，鉆頭將會下沉而無法糾纏，此時可采用加固的方法，如注漿等，或降低地下水位（井點(diǎn)降水），以保證鉆頭不下沉。

③鉆進(jìn)過程中應(yīng)定時檢測泥漿濃度，做好護(hù)壁措施，避免孔壁坍塌。

④施工中應(yīng)隨時檢查回渣情況，對鉆進(jìn)土層進(jìn)行判別，并以此做為依據(jù)，控制鉆進(jìn)壓力。

⑤考慮到不均勻介質(zhì)中鉆進(jìn)所引起的鉆頭偏離軌道、鉆桿變形等因素，嚴(yán)格控制鉆進(jìn)方向，鉆進(jìn)過程中應(yīng)根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)及時修正鉆進(jìn)方向，避免產(chǎn)生較大誤差。

3 定向鉆進(jìn)管線穿越鐵路施工要點(diǎn)

水平定向鉆進(jìn)管線穿越鐵路工程施工時，應(yīng)對以下4方面問題進(jìn)行綜合考慮：工程地質(zhì)對鉆孔、路基、鐵路行車的影響；鐵路電氣設(shè)備對定位導(dǎo)向儀的影響；鉆孔作業(yè)對鐵路沿線地下管線的影響以及施工過程中鐵路軌道幾何形態(tài)的監(jiān)測及防護(hù)措施。

（1）工程地質(zhì)條件對定向鉆進(jìn)管線的影響及對策。本工程管線穿越地層軟硬差別較大，容易造成鉆孔偏移。如鉆孔階段，泥漿馬達(dá)應(yīng)在穿越硬質(zhì)地層時使用，而在穿越軟土地層時，盡量避免使用。地層軟硬程度不同給鉆孔帶來一定難度；同樣在擴(kuò)孔階段，軟、硬地層對施工技術(shù)要求也不同，施工過程中存在軟土層塌方、抱鉆、卡鉆等多種風(fēng)險。本工程采用方法為：首先，將入土點(diǎn)向出土側(cè)方向前移100m，減少軟土層穿越長度；其次，在入土點(diǎn)夯入鋼套管，對軟土層進(jìn)行隔離；再次，鉆機(jī)側(cè)采用夯管對軟土層進(jìn)行隔離時，將鉆桿定位管置于鋼管中；最后，擴(kuò)孔時按照先硬后軟的順序，先對巖石進(jìn)行擴(kuò)孔，再對軟土層進(jìn)行擴(kuò)孔。

（2）電氣設(shè)備對定位導(dǎo)向儀的影響及對策。定位和導(dǎo)向儀分為有纜式定向系統(tǒng)和無纜式地表定位系統(tǒng)兩種，前者受電磁場影響較小，但操作方面較為復(fù)雜；無纜式地表定位系統(tǒng)操作靈活、成本低，但受電氣設(shè)備影響較大，在電氣設(shè)備8m范圍內(nèi)就難以保證讀數(shù)的正常，因此其使用范圍受到一定限制。在電磁場較大的鐵路段進(jìn)行穿越施工時，應(yīng)使用受電磁場影響較小的有纜式定位導(dǎo)向儀。在本次工程施工時，定向系統(tǒng)采用美國Vecter公司產(chǎn)品，而磁性定向儀和實時跟蹤系統(tǒng)的聯(lián)合使用則為鉆孔的準(zhǔn)確度提供了有力保障。

（3）鉆孔作業(yè)對鐵路沿線地下管線的影響。根據(jù)工程研究結(jié)果，地層為土層時孔頂至地表以及擴(kuò)散影響區(qū)域豎向位移方向向下，橫斷面沉降曲線接近反向正態(tài)曲線，中心處地表沉降較大，兩側(cè)逐漸減少。本工程對鐵路路基沉降影響較小，通過線路沉降觀測和定期養(yǎng)護(hù)管理，能夠保證行車安全，在正常泥漿護(hù)壁無法防止塌孔問題出現(xiàn)時會對鐵路運(yùn)營造成較大影響。根據(jù)施工經(jīng)驗本工程采取以下措施：當(dāng)定向鉆進(jìn)管線距離路基面較深，且地質(zhì)條件較好時，可不安裝吊軌梁，但應(yīng)做好防護(hù)準(zhǔn)備，同時做好線路檢測，確保行車安全。

（4）定向鉆施工過程中的監(jiān)測及防護(hù)措施。鉆進(jìn)過程中應(yīng)做好各項監(jiān)測工作，工程地質(zhì)條件不同，變形標(biāo)準(zhǔn)控制不同，應(yīng)根據(jù)具體土質(zhì)及設(shè)計情況確定變形控制標(biāo)準(zhǔn)。鐵路軌道幾何尺寸的監(jiān)測重點(diǎn)在管道穿越咽喉區(qū)道岔，應(yīng)設(shè)置專人進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測、檢查數(shù)據(jù)及時登記在臺賬，對照鐵路的靜態(tài)幾何尺寸，對鐵路動態(tài)尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，并根據(jù)對比結(jié)果對檢查次數(shù)進(jìn)行調(diào)整。無縫線路段主要做好線路軌道、無縫線路方向變化的檢查工作，準(zhǔn)備充足的道岔和降溫措施，防止軌道膨脹對行車安全造成影響。

4 施工措施

（1）施工環(huán)保、水保目標(biāo)。執(zhí)行國家《環(huán)境保護(hù)法》、《水土保持法》和地方政府有關(guān)規(guī)定，在施工過程中嚴(yán)格按照國家有關(guān)部委批復(fù)的環(huán)保、水保方案實施，落實“三同時”，采取各種工程防護(hù)措施，減少工程建設(shè)對沿線生態(tài)環(huán)境的破壞和污染。

（2）水土保持措施。施工便道要本著支援地方建設(shè)的原則，盡量做到永臨結(jié)合，對施工便道的上下邊坡及時種樹、植草，設(shè)置護(hù)坡、排水溝，搞好水土保持。

（3）文明施工措施。工地現(xiàn)場施工設(shè)備材料堆、放整齊，工地生活設(shè)施清潔文明，爭創(chuàng)文明工地；嚴(yán)格執(zhí)行建設(shè)單位有關(guān)工程質(zhì)量、工期、安全、文明施工、環(huán)境保護(hù)的管理制度；嚴(yán)格按照建設(shè)單位同意的施工場地平面圖布置施工場地，按時向建設(shè)單位報送有關(guān)報表。

（4）文物保護(hù)管理措施。發(fā)現(xiàn)文物后配合文物部門做好勘探、發(fā)掘工作。

5 結(jié)束語

水平定向鉆施工法是在不開挖地表面的條件下，鋪設(shè)多種地下公用設(shè)施的一種機(jī)械施工方法。具有施工速度快、施工精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于供水、煤氣、電力、電訊、天然氣、石油等管線鋪設(shè)施工工程中。本文為水平定向鉆施工提供了指導(dǎo)與基礎(chǔ)原理。

［1］GB 20904-2007. 水平定向鉆機(jī)安全操作規(guī)程［S］.

［2］ TB10422-2011. 鐵路給水排水工程質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］ TB10423-2014. 鐵路站場建筑工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)［S］.