水平定向鉆穿越施工風險識別及應對措施

宋聰 韓毅 劉佳林

（中國石油管道局工程有限工地第四分公司，河北 廊坊 065000）

引言

高新技術的快速發(fā)展推動我國各行業(yè)發(fā)展迅速，先進技術的融入為我國注入新的發(fā)展動力。水平定向鉆穿越施工，是在于查明隧道所處位置的工程地質條件和水文地質條件以及隧道施工和運營對環(huán)境保護的影響。為規(guī)劃、設計、施工提供所需的勘察資料，并對存在的巖土工程問題、環(huán)境問題進行分析評價提出合理的設計方案和施工措施，從而使隧道工程的實施經濟合理和安全可靠。

一、主要風險因素識別

（一）定向鉆進階段風險因素辨識，定向鉆進是水平定向鉆穿越施工的模擬曲線繪制完成后的第一個關鍵工作。按照施工圖設計路線，在控向儀指引下按照擬定的設計路線鉆進施工，其穿越盡量控制在設計參數(shù)允許的誤差范圍之內，主要控制參數(shù)有出入土角、曲率半徑、深度等。根據(jù)定向鉆進階段施工所蘊藏的安全風險，繪制相應的風險識別圖。

（二）擴孔階段風險因素辨識，擴孔是鉆機系統(tǒng)水平定向鉆穿越施工的重要節(jié)點，也是檢驗泥漿配比是否合理、鉆機選型是否匹配、擴孔頻次是否科學的重要環(huán)節(jié)。在確保成型完好的前提下，預擴孔不允許出現(xiàn)塌方和縮徑現(xiàn)象。在擴孔作業(yè)過程中，泥漿配比準確性是保障孔壁穩(wěn)定性和光滑度重要因素，其有利于成孔質量。

二、水平定向鉆穿越施工風險識別應對措施

（一）超高精度

水平定向鉆技術用于隧道地質勘察可沿著隧道設計軸線對圍巖信息進行精確的劃分，水平定向鉆用于隧道地質勘察的精確性可分為兩部分內容：1.鉆進過程中導向控向的精度控制；2.對隧道圍巖地質勘察的準確性。

（二）技術要點

1.注漿管處理，選擇合適的PE 注漿管尺寸。注漿管外徑應小于套管與孔位設計直徑差的1/2，為漿液的流動預留空間，避免管件回拖過程中強烈擾動孔壁。但注漿管不宜過細，否則會影響注漿效率。在注漿管前端貫穿兩排直徑10mm 的小孔，利用鋼絲繩、鐵絲以及U 型鍍鋅鋼卡扣將注漿管固定在定向鉆鉆頭的扣件上。2.注漿管纏繞，由于定向鉆單根拉管長度有限，需要進行人工卸管，因此管件在洞內為間歇式前進。但間歇時間不宜過長，以免泥漿護壁失效，管道內部發(fā)生坍塌。鉆頭轉速宜取低值且保持穩(wěn)定，較低的轉速對泥壁的擾動更小，有利于維持孔壁的穩(wěn)定。在定向鉆回拖管件的過程中，于孔位入口處和與之相隔一定距離的位置處各安排一名工人，輔助注漿管的均勻纏繞。3.漿液制備，利用水泥攪拌機現(xiàn)場制備水泥漿。根據(jù)設計地基承載力要求，進行漿液制備。由于雙漿液（水泥漿和水玻璃）成本較高，普遍采用純水泥漿作為漿體。對于純水泥漿，隨著水灰比的增大，其黏度、結石率和抗壓強度會顯著降低，而初凝時間和終凝時間會延長，因此需要確定合適的水灰比。

（三）注水的注意事項

靜態(tài)注水平衡技術和動態(tài)平衡技術在管段回拖作業(yè)中，都可以有效地平衡管段的浮力。但在應用動態(tài)注水平衡技術時，注水時間與注水流量的控制是關鍵。1.注水時間和流量控制，注水時間的控制。注水時間應選擇在管段已進入水平段后，不能過早注入。過早注入后，管段前端自重大，垂直向下的分力大，造成下扎的現(xiàn)象，會破壞管段入土側的井孔，使管段入孔口坍塌，形成卡管和由于泥漿返流通道堵死造成憋壓。注水流量的控制。根據(jù)孔段情況計算并控制好注水量，量過小時無法控制管段的浮力，過大會導致管段下沉使管段與孔底產生摩擦，由于孔底有大量的鉆屑淤積，也有可能形成砂橋，致使卡管。為了精確控制注水量，管段上要標記長度，每段長度與相應的注水量要記錄在表格上，以便于在回拖過程中根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)調整回拖速度和控制注水量。2.注水時其他注意事項，注水時要注意將水注在管段入土一側，在發(fā)送道和輥道的管段不能有水，否則影響管段的發(fā)送或將發(fā)送輥道損壞。靜態(tài)注水平衡技術特別是小管注水方式可以精確控制浮力，在難度較大的工程上可以預先安排，以保證回拖的成功率。動態(tài)注水平衡技術不僅可以作為一項技術措施，而且可以用于處理工程事故，當回拖管段發(fā)生卡管時，可及時注水解卡。工程實踐表明，動態(tài)注水平衡技術是一個較為有效可行的方法，但應注意注水時機。在擴孔完成后，如果地質情況不理想，可采取較短的一段管段進行模擬回拖，借以對孔道進一步整形，待模擬管段順利回拖后，可進入正式的回拖作業(yè)。

（四）施工階段風險控制

1.破壞應力與防腐檢驗。施工人員應嚴格按照設計文件和已批準的施工方案進行作業(yè)。防腐前需要對管道進行雙100%的射線和超聲檢查，防腐后需要進行電火花檢漏。2.出入土點定位。出入點選擇期間，人們要根據(jù)管道穿越的長度、設計的入土角、出土角、模擬曲率半徑以及管材的管徑，選擇合適的定位點，其間需要對照設計文件，在滿足誤差范圍的情況下，由有經驗的施工人員對鉆機進行校準，然后進行實施。定向鉆出土點位置需要形成出土角度坡向，采用袋裝濕土，隨地形變化而適當調整土坡，以增加土坡承載力和調整導向角的作用。3.機械設備風險控制。在機械設備入場前，關鍵設備需要做到一機一卡一備案，合格證明文件齊全，使用說明書、維護保養(yǎng)手冊完整，維修記錄、年鑒標識均在有效期內。4.避免成孔時出現(xiàn)S 形缺陷。在作業(yè)過程中，要嚴格按照審批通過的施工方案進行，除了對施工鉆桿控向角度進行嚴格控制，還要及時調整鉆頭規(guī)格，一旦施工過程偏離原設計曲線，就要及時報告技術人員按照應急預案進行調整。5.管線回拖。管線回拖過程中，要根據(jù)機械設備顯示回拖力的大小控制好回拖的速度，根據(jù)批準的施工方案監(jiān)控好泥漿配比。

（五）水平定向鉆地質勘察

1.建立水平定向鉆鉆進參數(shù)與鉆孔圍巖的關聯(lián)性，并結合巖芯的室內物理實驗和牙輪鉆頭的破巖機理對隧道圍巖的強度變化進行分析，為TBM 掘進提供真實可靠的數(shù)據(jù)支撐。2.將傳統(tǒng)地勘取芯技術與水平定向鉆相結合，實現(xiàn)間斷取芯，并對巖芯進行抗壓強度等基本物理測試，詳細分析隧道沿線巖性的基本物理特性，為隧道圍巖分級提供精確的巖性參數(shù)。3.采用綜合測井技術中的聲波、自然伽馬、電阻率等對水平勘察孔內圍巖巖性變化進行劃分，對孔內圍巖溫度、密度、滲透性和裂隙發(fā)育程度等進行評價。4.采用孔內3D 電視對水平定向鉆勘察孔進行視頻檢測，可直觀對水平孔內圍巖巖性變化、裂隙發(fā)育、以及破碎帶分布進行精確檢測，并可對綜合測井檢測結果的準確性進行校核。5.對水平定向鉆勘察孔孔內涌水量的大小進行日常測量計算，并利用計算結果分析隧道富水段落具體位置，進而對隧道施工涌水量大小進行分段預測。

（六）應急管理

定向鉆回拖作業(yè)的成敗直接決定著整個定向鉆工程的成敗，在管道回拖前或在管道回拖過程中，孔洞、設備的狀況不好（如孔壁坍塌、縮孔時）會出現(xiàn)回拖力不足、卡鉆現(xiàn)象，尤其是在大口徑管道的回拖過程中，更容易出現(xiàn)卡鉆情況，因此必須在回拖前做好管道卡鉆的應急措施準備（落實并準備推管機、夯管機、換輪組）。施工應單位認真分析定向鉆回拖風險，及時制定并落實應急措施，一旦發(fā)生緊急情況能及時采取措施，避免延誤搶救時機。如遇到卡鉆時，首先與對岸取得聯(lián)系后再進行解卡作業(yè)，解卡時首先在不旋轉的情況下用鉆機助力進行點動，在推之前要求對岸人員仔細觀察鉆桿位置，確定兩邊的鉆桿是否同步運動，如入土點鉆桿推動超過安全范圍而出土點鉆桿無反應時應立即停止點動，把鉆桿拉回到原來位置，防止鉆桿在孔內發(fā)生扭曲折斷。

結語

水平定向鉆穿越技術導向精準、成功率高，不會對河床造成干擾。施工前，施工單位不僅要充分考慮夏季泄洪、冬季凌汛對河床整體結構及定向穿越管線所造成的影響，還要確保施工作業(yè)面范圍內地質資料齊全、地下設施資料齊全，為定向穿越施工掃清風險隱患。