水平定向鉆穿越施工風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及應(yīng)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(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)我國各行業(yè)發(fā)展迅速，先進(jìn)技術(shù)的融入為我國注入新的發(fā)展動(dòng)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(zhì)條件和水文地質(zhì)條件以及隧道施工和運(yùn)營對環(huán)境保護(hù)的影響。為規(guī)劃、設(shè)計(jì)、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(jìn)行分析評價(jià)提出合理的設(shè)計(jì)方案和施工措施，從而使隧道工程的實(shí)施經(jīng)濟(jì)合理和安全可靠。

一、主要風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別

（一）定向鉆進(jìn)階段風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)，定向鉆進(jìn)是水平定向鉆穿越施工的模擬曲線繪制完成后的第一個(gè)關(guān)鍵工作。按照施工圖設(shè)計(jì)路線，在控向儀指引下按照擬定的設(shè)計(jì)路線鉆進(jìn)施工，其穿越盡量控制在設(shè)計(jì)參數(shù)允許的誤差范圍之內(nèi)，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(jìn)階段施工所蘊(yùn)藏的安全風(fēng)險(xiǎn)，繪制相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別圖。

（二）擴(kuò)孔階段風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)，擴(kuò)孔是鉆機(jī)系統(tǒng)水平定向鉆穿越施工的重要節(jié)點(diǎn)，也是檢驗(yàn)?zāi)酀{配比是否合理、鉆機(jī)選型是否匹配、擴(kuò)孔頻次是否科學(xué)的重要環(huán)節(jié)。在確保成型完好的前提下，預(yù)擴(kuò)孔不允許出現(xiàn)塌方和縮徑現(xiàn)象。在擴(kuò)孔作業(yè)過程中，泥漿配比準(zhǔn)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(zhì)量。

二、水平定向鉆穿越施工風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別應(yīng)對措施

（一）超高精度

水平定向鉆技術(shù)用于隧道地質(zhì)勘察可沿著隧道設(shè)計(jì)軸線對圍巖信息進(jìn)行精確的劃分，水平定向鉆用于隧道地質(zhì)勘察的精確性可分為兩部分內(nèi)容：1.鉆進(jìn)過程中導(dǎo)向控向的精度控制；2.對隧道圍巖地質(zhì)勘察的準(zhǔn)確性。

（二）技術(shù)要點(diǎn)

1.注漿管處理，選擇合適的PE 注漿管尺寸。注漿管外徑應(yīng)小于套管與孔位設(shè)計(jì)直徑差的1/2，為漿液的流動(dòng)預(yù)留空間，避免管件回拖過程中強(qiáng)烈擾動(dòng)孔壁。但注漿管不宜過細(xì)，否則會(huì)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(jìn)行人工卸管，因此管件在洞內(nèi)為間歇式前進(jìn)。但間歇時(shí)間不宜過長，以免泥漿護(hù)壁失效，管道內(nèi)部發(fā)生坍塌。鉆頭轉(zhuǎn)速宜取低值且保持穩(wěn)定，較低的轉(zhuǎn)速對泥壁的擾動(dòng)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(jī)現(xiàn)場制備水泥漿。根據(jù)設(shè)計(jì)地基承載力要求，進(jìn)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(jié)石率和抗壓強(qiáng)度會(huì)顯著降低，而初凝時(shí)間和終凝時(shí)間會(huì)延長，因此需要確定合適的水灰比。

（三）注水的注意事項(xiàng)

靜態(tài)注水平衡技術(shù)和動(dòng)態(tài)平衡技術(shù)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(yīng)用動(dòng)態(tài)注水平衡技術(shù)時(shí)，注水時(shí)間與注水流量的控制是關(guān)鍵。1.注水時(shí)間和流量控制，注水時(shí)間的控制。注水時(shí)間應(yīng)選擇在管段已進(jìn)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(huì)破壞管段入土側(cè)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(jì)算并控制好注水量，量過小時(shí)無法控制管段的浮力，過大會(huì)導(dǎo)致管段下沉使管段與孔底產(chǎn)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(biāo)記長度，每段長度與相應(yīng)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(diào)整回拖速度和控制注水量。2.注水時(shí)其他注意事項(xiàng)，注水時(shí)要注意將水注在管段入土一側(cè)，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?qū)l(fā)送輥道損壞。靜態(tài)注水平衡技術(shù)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(yù)先安排，以保證回拖的成功率。動(dòng)態(tài)注水平衡技術(shù)不僅可以作為一項(xiàng)技術(shù)措施，而且可以用于處理工程事故，當(dāng)回拖管段發(fā)生卡管時(shí)，可及時(shí)注水解卡。工程實(shí)踐表明，動(dòng)態(tài)注水平衡技術(shù)是一個(gè)較為有效可行的方法，但應(yīng)注意注水時(shí)機(jī)。在擴(kuò)孔完成后，如果地質(zhì)情況不理想，可采取較短的一段管段進(jìn)行模擬回拖，借以對孔道進(jìn)一步整形，待模擬管段順利回拖后，可進(jìn)入正式的回拖作業(yè)。

（四）施工階段風(fēng)險(xiǎn)控制

1.破壞應(yīng)力與防腐檢驗(yàn)。施工人員應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)文件和已批準(zhǔn)的施工方案進(jìn)行作業(yè)。防腐前需要對管道進(jìn)行雙100%的射線和超聲檢查，防腐后需要進(jìn)行電火花檢漏。2.出入土點(diǎn)定位。出入點(diǎn)選擇期間，人們要根據(jù)管道穿越的長度、設(shè)計(jì)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(diǎn)，其間需要對照設(shè)計(jì)文件，在滿足誤差范圍的情況下，由有經(jīng)驗(yàn)的施工人員對鉆機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，然后進(jìn)行實(shí)施。定向鉆出土點(diǎn)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(dāng)調(diào)整土坡，以增加土坡承載力和調(diào)整導(dǎo)向角的作用。3.機(jī)械設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)控制。在機(jī)械設(shè)備入場前，關(guān)鍵設(shè)備需要做到一機(jī)一卡一備案，合格證明文件齊全，使用說明書、維護(hù)保養(yǎng)手冊完整，維修記錄、年鑒標(biāo)識(shí)均在有效期內(nèi)。4.避免成孔時(shí)出現(xiàn)S 形缺陷。在作業(yè)過程中，要嚴(yán)格按照審批通過的施工方案進(jìn)行，除了對施工鉆桿控向角度進(jìn)行嚴(yán)格控制，還要及時(shí)調(diào)整鉆頭規(guī)格，一旦施工過程偏離原設(shè)計(jì)曲線，就要及時(shí)報(bào)告技術(shù)人員按照應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行調(diào)整。5.管線回拖。管線回拖過程中，要根據(jù)機(jī)械設(shè)備顯示回拖力的大小控制好回拖的速度，根據(jù)批準(zhǔn)的施工方案監(jiān)控好泥漿配比。

（五）水平定向鉆地質(zhì)勘察

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

（六）應(yīng)急管理

定向鉆回拖作業(yè)的成敗直接決定著整個(gè)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(shè)備的狀況不好（如孔壁坍塌、縮孔時(shí)）會(huì)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(yīng)急措施準(zhǔn)備（落實(shí)并準(zhǔn)備推管機(jī)、夯管機(jī)、換輪組）。施工應(yīng)單位認(rèn)真分析定向鉆回拖風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)制定并落實(shí)應(yīng)急措施，一旦發(fā)生緊急情況能及時(shí)采取措施，避免延誤搶救時(shí)機(jī)。如遇到卡鉆時(shí)，首先與對岸取得聯(lián)系后再進(jìn)行解卡作業(yè)，解卡時(shí)首先在不旋轉(zhuǎn)的情況下用鉆機(jī)助力進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)，在推之前要求對岸人員仔細(xì)觀察鉆桿位置，確定兩邊的鉆桿是否同步運(yùn)動(dòng)，如入土點(diǎn)鉆桿推動(dòng)超過安全范圍而出土點(diǎn)鉆桿無反應(yīng)時(shí)應(yīng)立即停止點(diǎn)動(dòng)，把鉆桿拉回到原來位置，防止鉆桿在孔內(nèi)發(fā)生扭曲折斷。

結(jié)語

水平定向鉆穿越技術(shù)導(dǎo)向精準(zhǔn)、成功率高，不會(huì)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(jié)構(gòu)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(nèi)地質(zhì)資料齊全、地下設(shè)施資料齊全，為定向穿越施工掃清風(fēng)險(xiǎn)隱患。