濕陷性黃土地區(qū)跨既有道路非開挖水平定向鉆施工技術研究

文 / 王賡

引言

水平定向鉆進技術于1988年從國外引進，經(jīng)過多年發(fā)展，國內(nèi)水平定向鉆技術得到了長足的發(fā)展，在各類管道施工中均有應用，成為我國新興的產(chǎn)業(yè)。該工藝具有在施工中不破壞原有道路、管線較深時成本較低的特性，因而在市政管網(wǎng)建設中也占有很重要席位。但是，水平定向鉆完全是在地下隱性施工，導向強度難以量化，而本項目由于既有線路的限制，對頂線鉆進技術的精度要求很高，同時該地區(qū)地質(zhì)情況為微濕陷性黃土，極易發(fā)生諸如孔壁土體的分散、垮塌、流失、崩落、變形、縮頸、超徑等問題，因而為了安全、快速地完成該完成電纜鋪設，二七區(qū)紫云路等21條道路工程項目對導向強度分析和鉆進液的選取進行分析研究，確定濕陷性黃土地區(qū)水平定向鉆施工工藝，有借鑒意義。

一、工程概況

河南省鄭州市二七區(qū)賀江路起點與南溪路相交，終點接現(xiàn)狀京廣南路，全長520.07米。新建賀江路與已建京廣路新增T型交叉口，增設的交通信號燈及監(jiān)控設施懸掛于京廣快速路高架橋護欄下，由于前期京廣路實施過程中未預留電力及信號過街，新建時需將電力及信號電纜從賀江路延伸并下穿京廣南路輔道后隨橋墩進行上橋。由于京廣南路為近幾年新建的城市快速路，相關產(chǎn)權單位禁止破路埋設電纜，故采用非開挖水平定向鉆進施工技術。

二、定向鉆施工技術

（一）水平定向鉆設備

水平定向鉆主要包括地下定位系統(tǒng)、水平鉆進設備和泥漿系統(tǒng)。

1.地下定位系統(tǒng)包括接收器、遙顯儀、信號棒三部分，信號棒位于鉆頭內(nèi)，向接收器提供自身位置信號。在施工時，操作手手持接收器在鉆進線路上方追蹤鉆孔信號，接受到的信號在遙顯儀上顯示，司鉆手通過顯示信息判斷鉆頭位置，調(diào)整鉆頭狀態(tài)。

2.泥漿系統(tǒng)包括泥漿攪拌系統(tǒng)和灌注系統(tǒng)，泥漿攪拌系統(tǒng)主要是進行鉆進液的的配置，灌注系統(tǒng)將鉆進液通過鉆機進行加壓灌注至孔內(nèi)，達到冷卻鉆頭、穩(wěn)定孔壁、清除鉆渣、減少拉管時的阻力等作用。泥漿循環(huán)系統(tǒng)可對泥漿池中泥漿進行回收處理，達到節(jié)約材料、降低成本的目的，施工完成后剩余泥漿自然曬干后拉至棄土場棄置。

（二）現(xiàn)場勘查

現(xiàn)場調(diào)查的主要內(nèi)容包括以下內(nèi)容

1.首先進行地質(zhì)勘探，地勘報告是選擇鉆機、鉆具組合及鉆進液配合比的依據(jù)，同時也是工程造價的直接影響因素。

2.與建設單位、各管線產(chǎn)權單位聯(lián)系，結合現(xiàn)場工作井查看、管線探測儀探測等不同方式，對地下管網(wǎng)進行勘察，探明準確位置，利用BIM技術進行三維建模，作為軌跡設計的依據(jù)。管網(wǎng)布置狀況是影響鉆孔軌跡的主要因素，探測不全極易造成地下管線挖斷，導致嚴重社會影響。

3.對回拖管線進行檢測，確定其彎曲半徑。

4.選擇開孔和終孔位置，鉆機及泥漿系統(tǒng)需要一定施工作業(yè)面，而終孔位置相對較小。開孔位置注意盡量從高到低，避免泥漿外流。

（三）軌跡設計

1.確定入土點和出土點位置。在開槽施工路段與定向鉆施工共用井選擇時，需先根據(jù)定向鉆施工工藝需求確定，避免長度不足導致穿越軌跡無法設計。

2.確定造斜點。軌跡包括起終點的兩個直線段和中間的曲線段，造斜點就是其轉(zhuǎn)折點。該位置宜選擇在較硬土層，兩段直線是最容易精確控制的，也是穿越已有管線最關鍵步驟。

3.確定軌跡參數(shù)。軌跡參數(shù)包括入土角、出土角、過渡段曲率半徑、管道深度，過路管為鋼管，入土角8°～18°，出土角4°～12°，曲率半徑大于1500D，與路面凈距不小于1.5m。軌跡設定必須考慮已有管線，在已有管線上方穿越時垂直凈距大于0.6m，下方穿越時垂直凈距根據(jù)地質(zhì)情況分別大于擴孔直徑的1倍（黏土層）、1.5倍（粉土層）、2倍（砂土層）。

（四）鉆進液配置

1.減少失水量

選用優(yōu)質(zhì)粘土，優(yōu)質(zhì)粘土中的粘土顆粒可以吸附較厚的水化膜，減少鉆進液中的自由水含量，從而達到減少失水的效果。常見的粘土礦物主要有高嶺石、伊利石、蒙脫石和海泡石，其中蒙脫石親水性最大。

2.增加粘度

為增加泥漿粘度，在粘土中添加純堿。純堿在水中易于電離和水解，可有效改善粘土的水化分散能力。粘土粒子本身帶負電荷，在粘土粒子形成的膠團中吸引大量離子半徑小的H+后，中和了大部分負電荷，導致相鄰同號電荷之間排斥力減小，使得膠團之間易于吸附從而增加粘聚性。

3.增加添加劑

添加降失水劑，鈉羧甲基纖維素（Na-CMC）可增加水化膜厚度，增大滲透阻力，起井壁網(wǎng)架隔膜作用。

添加防塌劑，磺化瀝青能增加護壁的潤滑性，堵塞護壁中的空隙，增加護壁上固體顆粒間的粘結力。同時磺化瀝青的分子中的親水基附著于鉆頭與泥土表面，形成一層堅固的化學膜，從而使鉆頭與粘土之間的摩擦發(fā)生在親油基之間，降低了摩擦力，同時可防止吸附性卡鉆。

按照膨潤土：純堿：Na-CMC：磺化瀝青=1:0.04:0.06:0.06配置鉆進液，黏度75s，濾失量4.5ml，PH10，動切力＞15Pa，符合施工要求。

4.計算用量

鉆機內(nèi)設系統(tǒng)已確定泥漿泵流量檔數(shù)，在鉆孔時由于鉆頭鉆桿均為小直徑，泥漿泵采用小檔控制，回拖時孔徑較大，采用大流量控制。泥漿總量用Q=KD2*104/13計算，其中Q為需要的泥漿總量，D為最終成孔孔徑，K為系數(shù)，在堅硬無斷層地區(qū)取2，砂礫石地區(qū)取5。

（五）導向施工

鉆桿以設計坡度入土，同時注入泥漿以滿足鉆頭降溫及保護孔壁的需要。在定位系統(tǒng)的引導下，由鉆機驅(qū)動帶信號棒的鉆桿按照設計軌跡鉆孔，并不斷糾偏。實施過程中發(fā)現(xiàn)軌跡走偏時需立即停止鉆進，調(diào)整鉆頭板的傾斜方向，只施加推力不進行旋轉(zhuǎn)，直至方向正確后繼續(xù)正常鉆進。信號影響是在導向施工中最容易遇到的情況，光纖、有限電視及同頻信號等干擾源均會影響檢測的準確性，甚至失去鉆頭中傳感器信號，影響施工的正常進行。除了在現(xiàn)場調(diào)查階段和BIM進行3D建模階段進行仔細分析，軌跡設計時盡可能避開外，還要在施工階段采取鉛板隔斷、調(diào)整頻率等措施，必要時沿穿越路徑在設計出土點布人工磁場，結合控向軟件反饋的磁場數(shù)據(jù)，檢測探頭反饋數(shù)據(jù)是否準確，及時進行調(diào)整，保證施工的正常進行。

（六）回擴鉆進

導向施工完成后，進行回擴拖管。根據(jù)鋪管需要斷面的不同，換不同直徑的擴孔器，一次或多次實施達到設計要求，最后一次回擴時回擴頭與鋪管相連，拖管完成管線鋪設。擴孔器有20cm、30cm、40cm等多種規(guī)格，擴孔過程要逐級替換鉆頭，不得跨級別使用。

回擴時需取下傳感器，換成錐形擴孔器，擴孔器直徑采用1.2～1.5倍回拖管道外包直徑。過大會增加施工成本，且容易造成塌孔；過小則增加拉管難度，易發(fā)生抱管事故。擴孔結束需進行清孔，否則殘留泥土將極大增加管道回拖過程中的阻力。

回擴過程中需控制鉆孔速度。不宜忽快忽慢甚至停鉆，尤其在軟硬交界的底層位置，極容易導致孔道變形，因故停鉆時要定時活動井下鉆具。

（七）管道回拖

擴孔完成后做好拖管的準備工作，仔細檢查旋轉(zhuǎn)接頭、連接頭、擴孔器的連接，確定連接牢固后進行最后一次清孔，此工序是為了清除擴孔時攪碎的孔內(nèi)廢土，形成圓順光滑的拖管通道，清孔和拖管之間間隔盡量小，大于24H時需要再次清孔。

在出土口一側(cè)將管道通過萬向節(jié)與擴孔器相連，鋪設的管線根據(jù)預定拉管長度分段焊接至足夠長度，可以一次焊接完成也可分段邊拉邊焊，鉆孔器回拉鉆頭將預埋管線拖入孔內(nèi)，PE管由于具有良好的抗壓、抗拉性能和足夠的撓度，是良好的回拖管材。管道回拖前，應使用電火花檢漏儀全面檢測防腐層的完整性，如有損傷及時進行處理。管道就位時要避免與鉆機碰撞，同時兩側(cè)管口必須做好封口，避免外部泥漿流入管內(nèi)，從而增加管道清洗工作，造成不必要的成本增加。

（八）剩余泥漿處理

根據(jù)施工經(jīng)驗，導向施工有30%的泥漿剩余，擴孔有70%的泥漿剩余，管線回拖有40%泥漿剩余，總剩余泥漿為三者總和。在入口和出口均需配置一套泥漿回收設備，將剩余泥漿通過泥漿泵、鉆桿回收到泥漿罐中，通過沉淀后棄置于指定棄土點。

三、結論

定向鉆施工是一項風險性極大的施工方法，地質(zhì)資料不準、泥漿配比不合適、控制參數(shù)不當?shù)容^多因素都會導致出現(xiàn)卡鉆、塌孔、出土點偏差大、管線無法回拖等情況，這就要求在施工前仔細認真的做好前期準備工作，泥漿配置時選擇合理的粘土種類和適當?shù)奶砑觿?，才能保證施工過程中一氣呵成。但是水平定向鉆施工技術與明槽開挖施工管線的方法相比，其不影響交通、不破壞環(huán)境、施工周期短、綜合施工成本低、社會效益顯著的優(yōu)點，必將在未來施工中發(fā)揮更大的作用。