水平定向鉆在鐵路管線遷改中的應(yīng)用

蔣俊偉

（江蘇省鐵路建設(shè)管理有限公司，南京 212000）

0 引言

鐵路常與電力線路交叉或并行，高壓和超高壓電力線路由于弧垂高度、倒桿距離等不滿足鐵路和電力行業(yè)有關(guān)規(guī)程和規(guī)定，往往需要在鐵路工程實(shí)施期間進(jìn)行遷改。上跨鐵路的特、超高壓線路一般采用架空跨越，而高壓和低壓線路常采用電纜入地的方式下穿。由于受交通同行影響和自然條件的限制，部分區(qū)域不具備開(kāi)挖直埋的條件，因此水平定向鉆得以在受限區(qū)域內(nèi)的鐵路管線遷改中廣泛應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 遷改工程概況

江蘇省內(nèi)現(xiàn)狀有一條110kV 單回路架空線路采用“耐-耐”跨越既有普速鐵路及在建高速鐵路，交叉角為58，獨(dú)立耐張段長(zhǎng)度為299m。普速鐵路在該區(qū)段內(nèi)為路基，高速鐵路為橋梁。高速軌面標(biāo)高15.345m，下導(dǎo)線至高速軌面高差為9.5m，不滿足架梁凈高要求，需結(jié)合在建高鐵施工和既有普速鐵路同步遷改。由于江蘇省供電公司相關(guān)規(guī)定要求：110kV 在跨越鐵路等重點(diǎn)區(qū)段應(yīng)采用電纜入地下穿方式，并同步預(yù)留通信通道。為減少直接開(kāi)挖對(duì)既有普速鐵路通車的影響，設(shè)計(jì)采取水平定向鉆的方式穿越。在普速鐵路北側(cè)新建1 孔定向鉆，定向鉆孔徑為φ560mm，定向鉆拖管管束采用1-D560mm×26.7mmHDPE 管，以滿足電力電纜下穿鐵路的需求。

1.2 穿越地質(zhì)情況

此次電力線路遷改定向鉆主要穿越兩種土層：①素填土，松散，灰褐色、雜灰色，以粉質(zhì)黏土為主，含較多植物根莖；②黏土，可塑，灰黃色，等級(jí)中，濕，含鐵錳結(jié)核，高嶺土團(tuán)塊，稍有光澤，干強(qiáng)度及韌性中等。

2 水平定向鉆設(shè)計(jì)

2.1 鉆桿軌跡設(shè)計(jì)

水平定向鉆的鉆進(jìn)軌跡設(shè)計(jì)需要綜合考慮所處區(qū)域地下管線的分布情況，必須進(jìn)行合理避讓。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇在鐵路南、北兩側(cè)合適位置設(shè)置工作坑。軌跡分為兩部分：造斜段和鋪設(shè)段。入土點(diǎn)設(shè)在鐵路北側(cè)，距鐵路線路中心線水平距離為91.1m，入土角約為12；出土點(diǎn)設(shè)在鐵路南側(cè)，距鐵路線路中心線水平距離為49.7m，出土角約為12。定向鉆穿越出入土點(diǎn)間水平投影長(zhǎng)度為140.80m，實(shí)際曲線長(zhǎng)度為148.4m，如圖1 所示。

圖1 水平定向鉆軌跡設(shè)計(jì)剖面

2.1.1 鉆桿入土角

式（1）中：α：PE 管線入土角，度（）；

：管線埋深，取7m；

：管線入土?xí)r的曲率半徑，米（m）；≈1200D～1500D，取1200D。

計(jì)算得α=12.1°

2.1.2 入土造斜段距離L：

計(jì)算得L=26.9m。

2.1.3 水平鉆進(jìn)距離L=93.8m。

2.1.4 鉆桿出土角

式（3）中：α：PE 管線出土角，度（）；

：管線埋深，取7m；

：管線出土?xí)r的曲率半徑，米（m）；≈1200D～1500D，取1200D。鉆桿直徑取88.9mm。

計(jì)算得α=12.2°

2.1.5 出土造斜段距離L：

計(jì)算得L=27.3m

2.2 摩阻力計(jì)算及設(shè)備選型

最大控制回拖力應(yīng)滿足管材力學(xué)性能和設(shè)備能力要求，總回拖阻力的計(jì)算可按下式進(jìn)行：

式（5）～（7）中：F——總回拖摩擦阻力（kN）；

F——管外壁環(huán)向摩擦阻力（kN）；

F——鉆頭迎面阻力（kN）；

D——鉆頭外徑（m），為管道外徑1.2～1.5 倍；

D——管節(jié)外圈直徑（m）；

P——迎面土環(huán)向壓力（kN/m）；通常黏性土可取500～600kN/m，砂性土可取800～1000KN/m；

L——定向鉆穿越總長(zhǎng)度（m）；

f——管節(jié)環(huán)向平均摩擦阻力（kN/m）；可參照表1 計(jì)算：

表1 管節(jié)環(huán)向平均摩擦阻力f1（kN/m2）

F=F+F=859kN。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，定向鉆機(jī)總回拖力應(yīng)大于859kN。

該文選取64例妊娠糖尿病病患做為研究對(duì)象，按照隨機(jī)方法，將患者分為研究組和對(duì)照組，每組32例患者。 研究組患者年齡22～39歲，平均年齡（29.3±4.3）歲；孕周 22～34 周，平均孕周（27.6±2.5）周；其中有 23 例初產(chǎn)婦，9例經(jīng)產(chǎn)婦。對(duì)照組患者年齡22～38歲，平均年齡（28.9±4.1）歲；孕周 22～35 周，平均孕周（28.2±2.7）周；其中有24例初產(chǎn)婦，8例經(jīng)產(chǎn)婦。比較兩組患者的基本資料差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

3 施工工藝流程

3.1 地下管線調(diào)查

施工前，組織相關(guān)人員編制具體施工內(nèi)容及計(jì)劃安排，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工條件進(jìn)行調(diào)查、摸底和明確人員、機(jī)械進(jìn)場(chǎng)道路，定向鉆穿越位置等。在每個(gè)鐵路封鎖點(diǎn)前，均提前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行深入調(diào)查，細(xì)化每個(gè)封鎖點(diǎn)的施工預(yù)案。為了確保施工作業(yè)安全可控，避免定向鉆穿越時(shí)對(duì)既有各類管線產(chǎn)生干擾和破壞，在探坑開(kāi)挖及鉆進(jìn)前，充分與施工區(qū)域內(nèi)可能存在的管線產(chǎn)權(quán)單位進(jìn)行對(duì)接，共同核實(shí)現(xiàn)狀管線水平和高程位置。

3.2 鉆機(jī)就位和調(diào)試

水平定向鉆的鉆進(jìn)位置位于入土點(diǎn)工作坑，與出土點(diǎn)在同一條軸線上。由于要預(yù)留鉆桿在工作坑中左右上下擺動(dòng)的作業(yè)空間，鉆進(jìn)角度比前文中計(jì)算的角度大1，取13。定向鉆機(jī)兩側(cè)的支腿必須安裝在平穩(wěn)牢固的地面上，試運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程應(yīng)不晃動(dòng)、不移動(dòng)。試運(yùn)轉(zhuǎn)期間，通過(guò)對(duì)導(dǎo)向控制系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)準(zhǔn)確校正，校正至完全準(zhǔn)確后開(kāi)始正式鉆進(jìn)。

3.3 泥漿配制

泥漿采用淡水+膨潤(rùn)土+添加劑配制，用水量通常為每分鐘1.5m，按照一定比例均勻添加水和膨潤(rùn)土，用強(qiáng)制式攪拌桶攪拌而成。定向鉆鉆進(jìn)過(guò)程中，泥漿通過(guò)泥漿泵和管道回收，經(jīng)過(guò)沉淀池沉淀后循環(huán)使用。泥漿指標(biāo)通過(guò)泥漿三件套測(cè)量，每?jī)尚r(shí)測(cè)量一次，泥漿的黏度是保證鉆進(jìn)不塌孔的關(guān)鍵，在該工程中，黏度控制在35～40s。鉆孔泥漿經(jīng)沉淀后的棄渣外運(yùn)至當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門(mén)指定的地點(diǎn)存放。

3.4 管道的安裝組焊

該工程選用高強(qiáng)度HDPE 管，從出土點(diǎn)平行于鉆進(jìn)軸線將HDPE 管按照接頭朝向擺放。HDPE 管的接頭焊接采用熱熔焊，在HDPE 管回拖前對(duì)焊接完成的通長(zhǎng)管道進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)管道注水并施加0.2MPa 壓力，穩(wěn)壓10min，觀察接頭部分有無(wú)滲水和輕微裂紋判斷管道的接頭性能。

3.5 導(dǎo)向孔鉆進(jìn)、回?cái)U(kuò)和管線回拖

3.5.1 導(dǎo)向孔鉆進(jìn)

鉆機(jī)以預(yù)定的13的鉆進(jìn)角度開(kāi)孔，通過(guò)導(dǎo)向系統(tǒng)控制導(dǎo)向鉆桿，以一定的曲率半徑逐漸調(diào)整姿態(tài)向下導(dǎo)向鉆進(jìn)，達(dá)到設(shè)計(jì)深度（7m）時(shí)，鉆頭的方向近似調(diào)整至水平鉆進(jìn)方向。施工過(guò)程中，地面操作人員隨時(shí)持儀器與鉆機(jī)操作手保持溝通順暢，謹(jǐn)慎控制保持鉆進(jìn)角度與方向，適當(dāng)控制鉆進(jìn)速度，保證鉆進(jìn)的順直與水平。

3.5.2 回拖擴(kuò)孔成孔

3.5.3 管道回拖

定向鉆擴(kuò)孔成孔后，為防止塌孔，維持孔壁的穩(wěn)定性應(yīng)立即進(jìn)行管道回拖，管線回拖施工按照設(shè)定的回拖速率連續(xù)進(jìn)行，必要時(shí)在出土點(diǎn)采用機(jī)械輔助進(jìn)行送管，避免強(qiáng)制拖管導(dǎo)致已成孔的孔道擠壓變形。

3.6 管道外側(cè)注漿

由于擴(kuò)孔鉆頭的直徑大于設(shè)計(jì)管道直徑，管道回拖完成后，在管道外壁與孔道之間的空隙中壓注水泥漿，通過(guò)使水泥漿與膨潤(rùn)土泥漿產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成具有一定強(qiáng)度的水泥土，填充空隙。

4 定向鉆施工要點(diǎn)

4.1 鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

水平定向鉆鉆進(jìn)的軌跡通?？紤]三方面因素：管道埋深和水平鉆進(jìn)距離；地下管線布置；入土角和出土角的控制。該工程采用7m 的埋設(shè)深度，較短的水平距離和較小的入土角和出土角，盡可能避免對(duì)既有鐵路產(chǎn)生的干擾，也減少了鉆進(jìn)過(guò)程中碰到孤石和其他障礙物的概率，在實(shí)施過(guò)程中也印證了鉆孔軌跡的設(shè)計(jì)能夠較為順利的實(shí)施。

4.2 預(yù)防措施

為防止在施工過(guò)程中出現(xiàn)回拖失敗、擴(kuò)孔報(bào)廢、防止塌孔等突發(fā)情況，可提前采取以下措施：

4.2.1 定向鉆機(jī)的總回拖力主要與鉆進(jìn)穿越的地層地質(zhì)、管道規(guī)格和長(zhǎng)度、回拖擴(kuò)孔的直徑和擴(kuò)孔質(zhì)量有關(guān)。因此，可根據(jù)理論計(jì)算結(jié)合經(jīng)驗(yàn)估算的最大推、拉力和最大輸出扭矩選擇合適的定向鉆機(jī)。

4.2.2 定向鉆導(dǎo)向鉆進(jìn)的基本控制指標(biāo)是出、入土角、曲線偏移以及造斜段鉆桿的曲率半徑。出、入土角一般比較容易控制，進(jìn)行導(dǎo)向作業(yè)時(shí)，應(yīng)確保穿越曲線的圓滑，防止出現(xiàn)反向彎曲的現(xiàn)象發(fā)生。

4.2.3 確保導(dǎo)向孔質(zhì)量，導(dǎo)向孔是預(yù)擴(kuò)孔的基礎(chǔ)。在滿足管道回拖要求的前提下盡可能選擇較小的擴(kuò)孔直徑，選用適宜的泥漿，并盡可能縮短施工周期。

5 鐵路線路監(jiān)控

其一，水平定向鉆穿越鐵路施工期間，穿越路基段采用吊軌梁進(jìn)行防護(hù)，普速鐵路采取限速60km/h開(kāi)行；施工區(qū)域內(nèi)由設(shè)備管理單位24 小時(shí)派員監(jiān)護(hù)，以確保鐵路行車安全。

其二，施工過(guò)程中，對(duì)下穿鐵路路基段進(jìn)行沉降觀測(cè)。在定向鉆出、入口處各設(shè)置一個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，并在其50m 外各設(shè)置一個(gè)控制點(diǎn)，在穿越鐵路正上方布置一個(gè)變形觀測(cè)點(diǎn)。施工時(shí)加強(qiáng)定向鉆的方向和高低控制確保中線標(biāo)高滿足設(shè)計(jì)要求；施工結(jié)束后，鐵路兩側(cè)設(shè)置標(biāo)志樁，標(biāo)明管道埋深、管徑等參數(shù)。

其三，安排專人從施工開(kāi)始至結(jié)束時(shí)間段內(nèi)，對(duì)鋼軌的幾何尺寸進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要包括軌距和水平。在定向鉆位置的正上方鋼軌上安裝軌道尺作為觀測(cè)點(diǎn)，每隔5 分鐘觀察一次，當(dāng)軌道尺讀數(shù)有變化時(shí)，應(yīng)立即停止作業(yè)，上報(bào)設(shè)備管理單位，查找變化原因。

6 結(jié)語(yǔ)

管線遷改單位應(yīng)在實(shí)施前與相關(guān)運(yùn)輸站段位簽訂安全協(xié)議，做好現(xiàn)場(chǎng)交底，明確施工期間各自安全職責(zé)及配合方案。鐵路營(yíng)業(yè)線管線遷改影響著整條鐵路的運(yùn)營(yíng)安全，通過(guò)應(yīng)用水平定向鉆孔技術(shù)穿越并鋪設(shè)電力管道能夠?qū)︻愃频耐ㄓ嵰约靶≈睆绞姓艿来┰借F路遷改起到引導(dǎo)示范作用。