燃氣管道水平定向鉆技術(shù)施工時風險因素的影響

上海煤氣第一管線工程有限公司 吳瑋祥

近年來，隨著城鎮(zhèn)燃氣需求量不斷增加，諸如西氣東輸、川氣東送等大型管道的施工工程越來越多，在管道施工中也應(yīng)運而生了許多先進的創(chuàng)新技術(shù)。城鎮(zhèn)燃氣管道非開挖水平定向鉆技術(shù)便是這些創(chuàng)新技術(shù)中的一項。這種新技術(shù)為工程帶來了更大的優(yōu)勢，保證了工程的質(zhì)量，提高了施工的效率，降低了工程的成本。但是新技術(shù)運用過程中往往會經(jīng)歷許多波折和失敗，在各個發(fā)展階段都會面臨各種各樣的問題，即工程中面臨的許多風險因素。若能及時發(fā)現(xiàn)這些風險因素并加以解決，將能促使該新技術(shù)變得穩(wěn)定可靠。

城鎮(zhèn)燃氣管道非開挖水平定向鉆技術(shù)在管道穿越河流、湖泊、交通干線、鐵路樞紐等障礙和重要區(qū)域時具有明顯的優(yōu)越性。深圳高壓系統(tǒng)輸配工程17標水官高速段定向穿越工程，第一次穿越耗時2年，但是因最后造成高速路塌陷而不得不停工，經(jīng)專家論證后放棄了這條路線。然后總結(jié)失敗經(jīng)驗，重新選線，第二次定向穿越用時5個月就順利的完成了全部穿越。本文通過兩次水平定向鉆施工的對比，找出其中影響水平定向鉆穿越的風險因素，加以分析后找到解決方法。

1 水平定向鉆技術(shù)

水平定向鉆技術(shù)作為非開挖技術(shù)中最具活力的一項技術(shù)，具有精確導向、環(huán)保、高效率、不影響交通、施工安全性好、技術(shù)綜合成本低等特點。

1.1 水平定向鉆施工工藝

水平定向鉆穿越施工主要包括7大工藝步驟：場地選擇、布管→施工前調(diào)試檢驗→鉆導向孔→擴孔→管道回拖→施工后復(fù)驗→場地復(fù)原。

1.2 水平定向鉆機系統(tǒng)組成

一般規(guī)格的水平定向鉆機都是由鉆機系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控向系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、鉆具及其他機具組成。其中：鉆機系統(tǒng)是穿越設(shè)備鉆進作業(yè)及回拖作業(yè)的主體，配合動力系統(tǒng)和控向系統(tǒng)完成各種穿越作業(yè)；泥漿系統(tǒng)負責提供適合鉆進工況的泥漿；然后輔以鉆桿、鉆頭、泥漿馬達、擴孔器、切割刀等各種鉆具和機具。

1.3 水平定向鉆施工優(yōu)勢

(1)水平定向鉆穿越施工不會破壞綠地和植被，不會阻礙交通，不影響商店、醫(yī)院、學校和居民的正常生活和工作秩序，解決了傳統(tǒng)開挖施工對居民生活的干擾，對交通、環(huán)境和周邊建筑物基礎(chǔ)的破壞和不良影響。

(2)現(xiàn)代化穿越設(shè)備的穿越精度高，易于調(diào)整敷設(shè)方向和埋深，管線弧形敷設(shè)距離長，完全可以滿足設(shè)計要求，并且可以使管線繞過地下的障礙物。

(3)與其他施工方法比較，進出場地速度快，施工場地可以靈活調(diào)整，尤其在城市施工時可以充分顯示出其優(yōu)越性，并且施工占地少、工程造價低、施工速度快。

1.4 水平定向鉆施工的劣勢

(1)我國對水平定向鉆技術(shù)尚無統(tǒng)一的技術(shù)標準和施工驗收規(guī)范，因此對于施工質(zhì)量和工程設(shè)計沒有官方的評判依據(jù)。一旦發(fā)生質(zhì)量事故，對責任方的認定也造成一定難度。

(2)一般在進行水平定向鉆作業(yè)時，為保證穿越管道防腐層的安全，回擴孔與回拖管材之間會有一定的間隙，不能像開槽敷設(shè)施工那樣進行回填夯實，因此會有一定的沉降風險。

研究和分析影響水平定向鉆施工的風險因素，對把控工程質(zhì)量和安全、減少因風險因素導致水平定向穿越失敗的問題具有積極意義。

2 水平定向鉆技術(shù)應(yīng)用實例

2.1 工程概況

深圳高壓輸配系統(tǒng)17標段水官高速斷面穿越水官高速燃氣管道工程。第一次穿越按照原圖紙設(shè)計進行，見圖1。定向鉆入、出土點0705～0706平面總長度為650 m，其中定向鉆水平長度650 m，由于出土側(cè)塌方，開挖了一段塌方段，孔洞曲線長度實長600 m。入土角5°，出土角6°，曲線段曲率半徑R=1 500D。

圖1 第一次穿越斷面

工程實際開始于2013年4月，施工時遭遇各種不利因素，斷斷續(xù)續(xù)進行到2015年1月時，因施工斷面上方水官高速公路發(fā)生路面塌陷而停止。經(jīng)過施工現(xiàn)場察看，事后展開專家會議論證評估，決定放棄原有的穿越路徑并進行泥漿封堵，然后由設(shè)計到現(xiàn)場選擇其他穿越路徑。2015年3月開始了第二次水平定向鉆施工。

此次工程將穿越分成了兩段，見圖2。一段采用了頂管穿越，入、出口井0705-1～0705-2平面總長度為100 m；另一段還是采用水平定向鉆施工，入、出土點0705-2～0706平面總長度為542 m，其中定向鉆水平長度513 m，曲線實長516 m，入土角6°，出土角6°，曲線段曲率半徑R=1 500D。2015年7月順利穿越回拖完成。

圖2 第二次穿越斷面

2.2 兩次定向穿越對比

(1)第一次水平定向鉆穿越耗時時間過長，原施工計劃為3個月至半年，實際耗時近2年，而第二次定向穿越僅用時4個月，對比前次用時大為縮短。

(2)第一次定向穿越時，地質(zhì)勘探不到位，因為地理環(huán)境因素和水官高速公路的存在并未按照要求合理地分布勘探點，導致施工時對于地下環(huán)境的了解有一定缺失，在遇到地下巖石帶或碎石帶時沒有調(diào)整好鉆速，而導致鉆頭或鉆桿損壞。在第二次穿越前因為水官高速塌陷的原因，補足了所有的地質(zhì)勘測點，從而對于穿越路徑地下環(huán)境有了一個明確的認知，施鉆時能夠合理地控制鉆速，減少了鉆具的損耗。

(3)第一次定向穿越時，由于鉆頭和鉆桿的經(jīng)常性損耗，鉆頭準備不充分，并且鉆頭部件斷裂在孔洞內(nèi)需要回收以避免將來回拖管材時造成表面劃傷，因此鉆機時常處于停擺狀態(tài)，而第二次定向穿越時準備到位，并未產(chǎn)生太多的停擺時間。

(4)深圳處于南方多雨地區(qū)，經(jīng)常會出現(xiàn)臺風暴雨天氣，兩次定向穿越都經(jīng)歷過暴雨天氣雨水淹沒整個孔洞的情況，但施工耗時的不同，第二次定向穿越受到雨水影響的次數(shù)明顯少于第一次定向穿越。

兩次穿越對比平面圖見圖3。

圖3 兩次穿越對比平面

3 影響水平定向鉆施工的風險因素

通過上述兩次定向穿越工程的對比，找出影響水平定向鉆穿越工程的風險因素，就能提高該施工技術(shù)的可靠性。

3.1 時間因素

任何工程對于施工時間即施工工期都有嚴格的制約性，其中可能涉及到了施工效益或者其他經(jīng)濟因素。定向鉆施工的時間限制不單單只是面臨到這些問題，還有更重要的一點就是其施工本身對于時間控制是非常嚴苛的。一般大型定向穿越都會選擇距離地面10 m以下的位置進行施工，孔洞上方包括表面以上的構(gòu)筑物和地下土石層會形成一個非常大的自重，對新形成的孔洞時刻進行著擠壓，伴隨著可能出現(xiàn)滲水而造成水土流失，會使得孔洞上部區(qū)域逐漸形成空洞，時間越長破壞越大，從而導致穿越路徑表面構(gòu)筑物破壞或路面塌陷，造成不可挽回的損失。

3.2 地下環(huán)境因素

作為定向鉆工程的前期準備工作，地質(zhì)勘查是最重要的一個環(huán)節(jié)。根據(jù)勘察報告反饋的情況，施工時才能夠選擇滿足功率的鉆機、合適的鉆頭、合理的鉆速和泥漿配比。如果發(fā)現(xiàn)其中有硬石塊或者碎石帶也可以及時進行評估，討論施鉆方案或者另選路徑。一旦地下環(huán)境不明或者勘察不到位，往往會對施工造成很大的阻力因素，小則延誤施工進度，耗損鉆探工具，大則破壞工程質(zhì)量，導致穿越失敗。所以，正確合理的勘察報告對定向穿越施工產(chǎn)生的助力是巨大的。

3.3 鉆機停擺因素

在水平定向穿越施工過程中，鉆機停擺是一個經(jīng)常會發(fā)生的狀況。有時候是機器故障或維護，有時候是鉆具耗損需要更換，有時候是鉆頭斷裂在孔洞內(nèi)，需要將斷裂的零部件清理干凈才能再次施鉆。但是長時間的鉆機停擺狀態(tài)是非常危險的情況，因孔洞周圍的作用力會不停地擠壓孔洞邊緣，極易讓孔洞產(chǎn)生變形，一旦變形巨大形成不規(guī)則形狀會不利于再次施鉆擴孔，增加繼續(xù)擴孔的難度。因此鉆機停擺時間不宜過長，鉆機在整個定向鉆施工的過程中，需要盡可能保持運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3.4 孔洞上部擾動因素

水平定向鉆穿越一般會選擇地面有障礙物的環(huán)境下進行施工，這些障礙物可能是高速公路、鐵路或者大型公共建筑。這些構(gòu)筑物帶來的車輛、火車和大量人流不可避免地對施工中的孔洞帶來擾動，從而加速孔洞上部結(jié)構(gòu)的沉降，使得施工工作越發(fā)艱難。

3.5 天氣因素

一般工程都會受到天氣因素的影響，而對于水平定向鉆施工最大的天氣影響因素應(yīng)當是雨水天氣。水平定向鉆屬于非開挖地下作業(yè)，對于地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性尤為看重，且雨水滲入地下土層會對地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。特別是暴雨天氣，大量雨水灌入會對定向穿越形成的孔洞進行一定的沖刷，破壞孔洞結(jié)構(gòu)，并對孔洞的上部結(jié)構(gòu)進行滲透形成水土流失，全都流入到孔洞內(nèi)，從而對定向鉆施工造成一定的影響。

4 風險因素的防范措施

4.1 合理的工期是施工成功的關(guān)鍵

嚴格控制施工進度，在施工準備期間就做好嚴格的施工計劃，做到各個環(huán)節(jié)都能夠環(huán)環(huán)相扣，不在不必要的事項上(如資金、設(shè)備材料供給、人員調(diào)度等因素)浪費時間，可以有效減少因沉降、上部擾動和不利天氣因素造成的影響。在合理的工期內(nèi)完成擴孔回拖工作是對定向鉆施工安全質(zhì)量上的最大保障。

4.2 地質(zhì)勘查工作是施工順利完成的前提

施工前需合理正確地布局施工路徑上的勘察點位，探坑深度能夠有效達到定向鉆擴孔深度，查明地下結(jié)構(gòu)以及硬石分布情況的詳細信息，最后形成與現(xiàn)場狀況正確一致的勘察報告。施工人員若熟知穿越路徑的地下分布情況，將會對整個定向鉆施工起到巨大的助力作用。

4.3 合理使用泥漿配比有助于擴孔和回拖工作

泥漿的使用是水平定向鉆施工最重要的輔助工序之一。在擴孔和回拖管材時往往需要依靠泥漿的潤滑效果來達到相應(yīng)的目的。鉆頭經(jīng)過硬石塊或碎石帶時一般都會留下粗糙的痕跡，而這部分由石塊形成的孔洞對于擴孔和管道回拖有著不利的影響，通過加大泥漿的黏稠度可以有效覆蓋掉這些石塊的表面，從而保護鉆具和管材，而在松軟土層則要減小泥漿的黏稠度，避免噴出的泥漿又變回泥塊，增加麻煩。

4.4 管材表面的防腐層增加紫外線光固化材料

紫外線光固化纖維增強復(fù)合材料，需要日光或紫外燈固化。其適用于定向穿越施工時對整條穿越管線的保護，能提供優(yōu)秀的防機械性損傷、防水和防絕緣損壞保護。在管道穿越前，先對管道外層包覆光固化材料保護層，利用其堅硬的耐劃傷保護性能，在管道回拖時使得防腐層可以得到有效保護。

4.5 入、出土點設(shè)置排水渠

雨天天氣對水平定向鉆施工有很大的制約作用。在入出土點合理布局排水渠，在下雨時及時引導雨水流出作業(yè)范圍，能有效保護定向鉆形成的孔洞，減少孔洞上土層滲水作用帶給定向鉆的影響。

5 結(jié)語

近年來，水平定向鉆技術(shù)作為一項非開挖新技術(shù)，在工程實踐中得到了較為廣泛的應(yīng)用。本文通過對比同一工程的兩次定向穿越，分析了影響水平定向鉆穿越工程的風險因素，包括施工時間、天氣、地下環(huán)境、鉆機停擺、孔洞上部擾動等，進而給出了相應(yīng)的解決措施，包括合理工期、深入地質(zhì)勘查、合理使用泥漿配比、管材表面增加紫外線光固化材料防腐層、入出土點設(shè)置排水渠等，確保水平定向鉆技術(shù)既實用又可控。