定向鉆過江穿越技術(shù)在供水工程原水管道施工中的應(yīng)用

張良

（福建海環(huán)海濱資源開發(fā)有限公司）

1 工程概況

連江粗蘆島供水工程包括原水管道工程、粗蘆島水廠廠區(qū)工程、配水管道工程，原水管道總長度約9.8km，其中最關(guān)鍵的部分是由粗蘆島大橋西橋頭穿過閩江到達(dá)粗蘆島新建凈水廠的管道，該過江段管道長度約為0.61km，管徑為DN600。由于現(xiàn)狀粗蘆島大橋設(shè)計時未考慮掛管荷載，因此只能采用倒虹管施工方案。

現(xiàn)階段長距離過江、跨海管除了采用在橋梁上掛管施工外，主要采用沉管法及水平定向鉆技術(shù)施工工藝。由于本工程過江地點水域為感潮段，地質(zhì)為淤泥地質(zhì)，采用沉管法施工方案的管槽回淤現(xiàn)象會比較嚴(yán)重；而且工程穿越地點目前有許多采砂船作業(yè)，如果過江管道埋深較淺，不但受來往船只拋錨影響較大，而且管道底河床可能被沖刷形成懸空，危及管道安全，因此過江管不適宜采用沉管法施工。

綜合考慮，該原水管道的過江段管道施工采用水平定向鉆技術(shù)施工，施工基本不受外界影響，而且管道埋深有保證，運行不受外部因素干擾，具有非常顯著的優(yōu)點。

2 設(shè)計方案

本工程水平定向鉆穿越的過江管段采用Q345B 鋼板卷管，管徑為DN600，壁厚16mm，其工作及試驗壓力分別 為0.7MPa、1.2MPa。起始點樁號分別是：C2+493、C3+042?？紤]到出土點需要場地布置管線，且與穿越方向水平，因此穿越場地入土點為河流西側(cè)（設(shè)計入土角為6.2°），在入土點之后20m 內(nèi)該管道段應(yīng)為直線段，出土點為河流東側(cè)（設(shè)計出土點為6°），設(shè)計曲率半徑R 為1500D（D 為該管道外徑）。過江管水下部分覆土盡可能厚，最少不低于8m。從工程勘察地質(zhì)圖紙獲悉，穿越場地從上到下依次為：淤泥層、粉質(zhì)粘土層、碎石層、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r層（砂土狀）、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r層（碎塊狀）。穿越河流東側(cè)出土點附近有魚塘，若按原計劃穿越，需將魚塘填滿，焊接管線，成本較高。因此將出土點往東移動50m，避開魚塘，節(jié)約成本（具體穿越示意如圖1 所示）。

圖1 穿越示意平面圖

3 主要施工工序

3.1 測量放線

依據(jù)技術(shù)交底文件及控制樁，進(jìn)行設(shè)備位置及控制線精準(zhǔn)定位放樣，保證鉆機(jī)與出、入土點的中心軸線精確一致，以防穿越軸線產(chǎn)生偏移，與設(shè)計曲線不符。

3.2 鉆導(dǎo)向孔

導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)是整個定向鉆施工的關(guān)鍵。導(dǎo)向孔鉆具組合為9-1/2″牙輪鉆頭+7″無磁鉆鋌+6 5/8″S-135 鉆桿。

圖2 導(dǎo)向鉆進(jìn)示意圖

穿越控向尤為關(guān)鍵，直接影響鉆進(jìn)過程精度控制及管道穿越成敗。開鉆施工前必須結(jié)合地質(zhì)勘察資料分析控向關(guān)鍵點，制定控制方案，鉆進(jìn)施工各環(huán)節(jié)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)讀取各項參數(shù)，依照地勘報告分析鉆孔實際情況，及時校偏，以保證準(zhǔn)確導(dǎo)向出土，鉆孔完好可使用。

為了進(jìn)一步能夠精確導(dǎo)向，避免過程控向與設(shè)計曲線的偏移過大，使用美國ParatrackII 控向設(shè)備,精準(zhǔn)控向保證滿足穿越導(dǎo)向需求。同時，鉆進(jìn)過程施工技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格執(zhí)行施工規(guī)范要求，及時根據(jù)泥漿、鉆桿操作及穿越地質(zhì)情況及時校偏反饋調(diào)整，保證每個操作環(huán)節(jié)符合規(guī)范及設(shè)計要求。

3.3 擴(kuò)孔

導(dǎo)向鉆頭鉆進(jìn)精準(zhǔn)出土后，拆卸控向鉆具，安裝擴(kuò)孔器，檢查噴射泥漿情況，符合要求后，方可進(jìn)行擴(kuò)孔工序。采取五級擴(kuò)孔加二級洗孔的施工工藝，詳見表1。

表1 擴(kuò)孔、洗孔施工工序

擴(kuò)孔施工要點：

⑴每級擴(kuò)孔過程中，技術(shù)人員必須結(jié)合擴(kuò)孔施工情況調(diào)整操作。若擴(kuò)孔中出現(xiàn)阻礙或卡頓等情況，必須啟動桶式擴(kuò)孔器洗孔，以保證擴(kuò)孔施工順利。

⑵參考地勘資料、導(dǎo)向鉆進(jìn)施工數(shù)據(jù)以及上級擴(kuò)孔施工過程反饋的數(shù)據(jù)，確定下級的擴(kuò)孔工藝要求（如擴(kuò)孔器的尺寸、水嘴數(shù)量及直徑等），確保泥漿的壓力、流速及性能，提升泥漿攜帶能力，降低巖屑床的產(chǎn)生。

⑶清孔次數(shù)依據(jù)成孔和孔內(nèi)清潔度實際情況進(jìn)行確定。

3.4 回拖

回拖采用鉆具組合：51/2″S-135 鉆桿+Ф850 擴(kuò)孔器+500T 萬向節(jié)+Ф610mm 主管線。選用發(fā)送溝形式進(jìn)行施工，尺寸為2.0m（上口寬）×1.0m（下口寬）×1.0m（深度）；發(fā)送溝施工前，技術(shù)人員應(yīng)將進(jìn)入該段管線發(fā)送溝的坡度計算完成，同步核實穿越軸線是否與其一致，保證穿越管線與穿越孔洞的平緩圓滑，避免施工準(zhǔn)備工作不足，導(dǎo)致施工受阻無法進(jìn)行。

圖3 管道回拖示意圖

技術(shù)人員在回拖施工前，應(yīng)組織人員將補口、補傷等材料，以及工器具、電火花檢漏儀等設(shè)備準(zhǔn)備到位，并且對管線設(shè)立專人使用電火花檢漏。回拖施工過程技術(shù)人員應(yīng)巡視管線，發(fā)現(xiàn)問題（如管道防腐層破損等問題）應(yīng)立行立改，確保管道施工質(zhì)量。除此以外，技術(shù)人員在回拖施工過程中應(yīng)當(dāng)做好施工記錄（如扭矩、拖力、泥漿流量、回拖速度、沿線是否漏漿及不正?，F(xiàn)象等原始記錄），若發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即報告并采取相應(yīng)措施，技術(shù)人員協(xié)調(diào)指揮通訊必須保持通暢，避免因管控不到位導(dǎo)致施工質(zhì)量事故的發(fā)生。

4 施工過程總結(jié)分析

4.1 穿越曲線

若泥漿無法在孔道內(nèi)充分流動、穿越孔道軌跡偏離過大、周邊土層出現(xiàn)隆起及坍塌以及泥漿的類型不滿足施工要求等情況，均會導(dǎo)致孔道中發(fā)生泥漿阻塞。

若孔道出現(xiàn)偏離平滑曲線,且沿著前進(jìn)方向發(fā)生錯位,如圖4、圖5 所示,孔道與管道間出現(xiàn)抵觸，將可能造成環(huán)道中的泥漿流動發(fā)生阻塞，最終導(dǎo)致管道被卡住。

圖4 平滑管道—泥漿可沿環(huán)道自由流

圖5 孔道偏離—泥漿流動受阻

為避免上述情況的出現(xiàn)，技術(shù)人員結(jié)合施工現(xiàn)狀地形、穿越管道施工范圍地質(zhì)情況以及施工管道管徑大小等因素，確定入、出土角分別為12°、6°，曲率半徑R為1500D，即約950m。穿越河段管底設(shè)計標(biāo)高至少為-23m。管道選擇從強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化凝灰?guī)r層中通過。定向鉆穿越水平長度為603.2m，實長約608.7m。

4.2 泥漿性能保證

泥漿在各個施工環(huán)節(jié)所起的作用如下：

⑴導(dǎo)向孔施工環(huán)節(jié)應(yīng)提前按照要求調(diào)制泥漿，泥漿應(yīng)具備將鉆孔內(nèi)的泥砂攜帶排出，盡可能降低鉆孔內(nèi)泥沙含量，降低鉆進(jìn)阻力，發(fā)揮泥漿對孔壁的維護(hù)與穩(wěn)定作用。

⑵預(yù)擴(kuò)孔施工環(huán)節(jié)泥漿應(yīng)當(dāng)具備較好的護(hù)壁穩(wěn)定效果，防止施工過程出現(xiàn)鉆孔坍塌，充分發(fā)揮泥漿攜帶作用。

⑶回拖施工環(huán)節(jié)泥漿應(yīng)具備較好的護(hù)壁能力、攜砂功能以及潤滑作用，從而降低摩擦阻力及扭矩。

鉆頭鉆進(jìn)時泥漿起到維護(hù)孔道穩(wěn)定作用,選用符合要求的鉆進(jìn)泥漿在該工序尤為重要，是避免孔道跨塌的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。鉆進(jìn)泥漿除了維護(hù)孔道穩(wěn)定作用外還具備懸浮泥沙屑和攜帶運排的功能。若泥漿選用無法滿足要求,將可能造成鉆進(jìn)時的泥沙屑不能隨泥漿從孔道或環(huán)道攜帶排出,造成管道周邊鉆屑及泥沙沉積,可能會出現(xiàn)阻塞環(huán)道,無法發(fā)揮泥漿作用，且其流動受阻,形成泥漿阻塞情況。

鉆頭鉆進(jìn)時泥漿具有懸浮并攜帶運排鉆孔過程產(chǎn)生的泥沙屑顆粒的能力，其能力的大小由鉆孔鉆進(jìn)泥漿的流速值決定。其值較小時,泥沙屑顆粒極易沉積在管道周邊，導(dǎo)致阻塞環(huán)道。故泥漿的流速值控制也尤為重要,其值可通過泥漿泵送孔道的壓力進(jìn)行控制保證。本項目各施工環(huán)節(jié)的泥漿控制值如表2 所示。

表2 泥漿密度及泵入壓力控制

4.3 計算回拖力選擇鉆機(jī)

管道回拖施工的受力相當(dāng)復(fù)雜。受力主要體現(xiàn)在回拖施工過程中管道與孔壁、地表間的摩擦力、流體阻礙產(chǎn)生的力、隨彎曲鉆孔回拖拉管長度增加產(chǎn)生的承載壓力以及回拖管道彎曲時自身剛度產(chǎn)生的力等，故需進(jìn)行驗算后進(jìn)行鉆機(jī)選型。

結(jié)合本項目的管材、地質(zhì)情況，引用相關(guān)規(guī)范計算其回拖力如下：

因上述計算方式未考慮到管道與地表間的阻力以及回拖管道彎曲時自身剛度產(chǎn)生的阻力，故該值相較于實際值偏小。依據(jù)規(guī)范要求選擇鉆機(jī)時宜按照該值的1.5～3 倍進(jìn)行選擇，故本工程選用的非開挖水平定向鉆機(jī)型號：GD2800-L。管道回拖時，起步拖力約160 噸，隨后逐步下降并維持在60 噸至70 噸之間，充分證明回拖力計算和公式選用的正確性，為類似工程項目的實施起到借鑒作用。

4.4 卡管的處理

粗蘆島定向鉆管道于某日12:08 開始回拖，在13:35 分管道順利入孔，但在第47 根鉆桿時略微有些跳動，第48 根鉆桿時恢復(fù)正常。在第49 根鉆桿回拖前5米左右時數(shù)據(jù)顯示正常，但在進(jìn)入后4 米時拉力開始增加，又行進(jìn)3.5 米左右，拉力增加到180 噸左右，然后再無進(jìn)尺，但扭矩正常，還是維持在18kN·m。然后又多次嘗試，但還是無進(jìn)尺。

在回拖期間，孔道一直在正常返漿，回拖前20 根鉆桿時，出土端返漿，20 根鉆桿后，入土端返漿。但在第40根鉆桿時，施工人員發(fā)現(xiàn)入土端返漿量開始減少，在第44 根左右時入土端無返漿，且在距入土端20 多米的位置（該區(qū)域為回填土）出現(xiàn)塌方，這時入土端孔道內(nèi)的泥漿迅速流失。此時正值江水退潮期。

綜合上述情況，結(jié)合勘察報告和前期導(dǎo)向孔施工情況，分析原因如下：退潮階段，孔道外部壓力降低，孔壓大，導(dǎo)致泥漿在巖層與黏土層軟硬結(jié)合處漏失，此漏失直接導(dǎo)致鉆屑不能沿孔道排出，而是堆積在漏失處附近，最后因淤積過多造成鉆屑卡住管道，致使大回拖力下依然無進(jìn)尺。

為防止過大的回拖力造成孔內(nèi)斷鉆桿，采取方案如下：①先進(jìn)行鉆桿套洗。在入土端將套洗器送至拖管鉆頭處進(jìn)行泥漿沖洗，將孔道洗通并且將管頭淤積的鉆屑盡量攜帶，減少鉆屑淤積。②在套洗完成后，開始再次回拖，同時在管道尾部加夯管錘進(jìn)行回拖助力，以幫助卡管頭沖開淤積鉆屑。最終回拖成功，充分驗證了卡管原因分析的正確性及處理措施的得當(dāng)性，為類似項目的建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗。

5 結(jié)束語

隨著城市市政建設(shè)工程的發(fā)展，穿越管線技術(shù)將發(fā)揮其獨特優(yōu)勢，并且該技術(shù)會越來越完善成熟。通過實例分析，希望能夠為類似項目的實施提供借鑒，提高定向鉆穿越工程的成功率。