燃?xì)夤艿蓝ㄏ蜚@對(duì)接穿越卵石層技術(shù)探討

王落飚， 童 德， 葛洪凱

(浙江浙能燃?xì)夤煞萦邢薰?，浙江杭?10008)

定向穿越卵石層是定向鉆穿越施工的一大難題，一般在定向鉆穿越曲線的一端或兩端需要穿越卵石層，主要有開挖換填、套管隔離、改良地層3種穿越方案[1-3]。本文以某中壓燃?xì)夤艿来┰焦こ虨槔?，探討定向鉆對(duì)接穿越卵石層技術(shù)。

1 工程概述

本工程位于義烏市大陳鎮(zhèn)蘇八線八都溪段，外直徑315 mm中壓管道沿八楂公路東南側(cè)敷設(shè)。結(jié)合穿越場(chǎng)地的地形地貌及用地狀況、河流性質(zhì)、河流水文地質(zhì)狀況，采用定向鉆穿越方式穿越八都溪。新建中壓燃?xì)夤艿揽傞L(zhǎng)度350 m，定向鉆水平距離295 m，材質(zhì)為PE100，規(guī)格為SDR11。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

根據(jù)勘探資料，場(chǎng)地地基土按巖性、成因時(shí)代、埋藏分布特征、物理力學(xué)性質(zhì)，將勘探深度內(nèi)地基土細(xì)分為4個(gè)工程地質(zhì)亞層。

① 雜填土層

以碎石、塊石及少量黏性土回填，土質(zhì)不均勻，碎石含量占30%～40%，可見粒徑30～100 mm，最大粒徑大于100 mm，全場(chǎng)分布。

② 卵石層

粒徑大于20 mm的顆粒含量占總量的60.1%，礫石含量約19.0%左右，粒徑以2～90 mm為主，其余為砂及黏性土填充。磨圓度較好，多呈亞圓形，母巖成分為凝灰?guī)r，母巖的強(qiáng)度較高，級(jí)配、分選性一般，膠結(jié)程度較差。

③ 強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層

含少量云母碎片以及高嶺土土斑團(tuán)，原巖結(jié)構(gòu)已大部分破壞，風(fēng)化程度不一，呈原巖碎塊夾土狀。

④ 中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層

泥質(zhì)、粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，成分以粉砂質(zhì)為主，泥質(zhì)次之。含少量云母碎片以及高嶺土土斑團(tuán)，巖石裂隙稍有發(fā)育，巖芯較完整，飽和單軸抗壓強(qiáng)度為12.4 MPa，屬于軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為IV級(jí)， RQD(巖石質(zhì)量指標(biāo))約70%～80%，最大控制層厚9.60 m。

場(chǎng)地勘探深度范圍內(nèi)地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水。主要賦存于淺部雜填土層、卵石層中，其中雜填土屬中透水性，且與地表聯(lián)系密切，卵石層屬于強(qiáng)透水性。地層分布統(tǒng)計(jì)見表1(表中范圍為最大值至最小值)。

表1 地層分布統(tǒng)計(jì)

3 穿越方案選擇

根據(jù)SY/T 6968—2021《油氣輸送管道工程水平定向鉆穿越設(shè)計(jì)規(guī)范》，一般有開挖換填、套管隔離、改良地層3種穿越方案，對(duì)不同方案進(jìn)行比較。

① 開挖換填

將兩岸所要穿越的卵石層挖出后，密實(shí)回填更適合定向鉆的土質(zhì)，再進(jìn)行鉆孔和回拖，適用于卵石層較淺、地下水位較低、周邊開挖條件較好的地段。本工程由于受限于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、地方河道管理部門要求，且所需作業(yè)面及土石方太大，現(xiàn)場(chǎng)不具備條件，故不作進(jìn)一步分析。

② 套管隔離

采用夯管機(jī)將DN 800 mm或DN 1 000 mm的鋼質(zhì)套管沿穿越路徑夯入雜填土層及卵石層，夯管結(jié)束后使用攪龍進(jìn)行鋼套管內(nèi)取土作業(yè)。進(jìn)出土兩端套管夯管取土完成后，采用定向鉆機(jī)將導(dǎo)向孔貫通，經(jīng)擴(kuò)孔后將燃?xì)夤艿缽奶坠苤谢赝贤瓿纱┰健?/p>

優(yōu)點(diǎn)：不需太大土方量，作業(yè)面較??；作為地質(zhì)改良中經(jīng)常使用的辦法，國(guó)內(nèi)外均有很多先例，施工手段成熟，有較高的成功率；解卡鉆能力較強(qiáng)。缺點(diǎn)：夯管過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲污染；配套控向必須精準(zhǔn)。

③ 改良地層

采用入土端夯管，出土端黏土(黏性土的一種)固化改良。在導(dǎo)向孔施工時(shí)，使用高黏度并添加堵漏劑的膨潤(rùn)土泥漿在卵石層底部對(duì)穿越段卵石層先進(jìn)行滲透注漿，使整個(gè)卵石層達(dá)到一定自穩(wěn)能力，達(dá)到滿足控向?qū)蜚@頭穩(wěn)定承載力即可。在每一級(jí)擴(kuò)孔前，使用高黏度黏土泥球?qū)υ谢財(cái)U(kuò)孔洞進(jìn)行填充，再通過(guò)桶式擴(kuò)孔器進(jìn)行擠壓式擴(kuò)孔。通過(guò)多次填充后擠壓，使整個(gè)穿越軌跡在卵石層形成一個(gè)穩(wěn)定空間。

優(yōu)點(diǎn)：施工過(guò)程中產(chǎn)生噪聲污染的時(shí)間較短，只有入土端夯管，工期較短，一次成功時(shí)造價(jià)較低。缺點(diǎn)：由于黏土固化工藝較新，較依賴施工經(jīng)驗(yàn)，一次成功率較低，解卡鉆能力較弱。

根據(jù)本工程具體情況，采用套管隔離穿越方案。

4 方案的設(shè)計(jì)

① 入土角、出土角的設(shè)置

入土角和出土角應(yīng)根據(jù)穿越長(zhǎng)度、穿越深度、管道彈性敷設(shè)條件等綜合確定。入土角宜為8°～18°，出土角宜為4°～12°，本工程入土角、出土角均設(shè)置為10°。

② 套管的確定

兩端套管選用直縫高頻電阻焊鋼管，直縫管比螺旋縫管在受力時(shí)更不容易變形，比無(wú)縫管價(jià)格低，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9711——2017《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》，材質(zhì)Q235B。

本工程入土端套管采用DN 800 mm直縫高頻電阻焊鋼管(外直徑為813 mm，壁厚25 mm)。出土端為提高導(dǎo)向控向成功率，擴(kuò)大鋼管規(guī)格，套管采用DN 1 000 mm直縫高頻電阻焊鋼管(外直徑為1 016 mm，壁厚25 mm)。套管穿越深度6～8 m的卵石層到達(dá)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。DN 800 mm、DN 1 000 mm套管長(zhǎng)度均為48 m。

③ 定向鉆設(shè)備、夯管機(jī)的確定

考慮通過(guò)巖石地層施工，為避免鉆桿斷裂，必須使用經(jīng)無(wú)損檢測(cè)的直徑114 mm以上的鉆桿擴(kuò)孔，鉆機(jī)應(yīng)保證扭矩。為避免套管損壞，根據(jù)套管壁厚，選擇夯管機(jī)。為保證套管入土角為10°，需在工作坑內(nèi)提前設(shè)置10°的操作平臺(tái)并設(shè)置導(dǎo)軌，導(dǎo)軌中心軸線必須與夯進(jìn)的中心軸線完全符合，確保夯進(jìn)套管準(zhǔn)確度。套管在夯進(jìn)過(guò)程中邊夯進(jìn)邊焊接，鋼管內(nèi)的渣土一般可采用壓縮空氣射流、高壓水射流、人工掏土等方法進(jìn)行清理。為確保人員安全，本工程采用鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)攪龍將套管內(nèi)的渣土帶出。

④ 對(duì)接穿越技術(shù)

在兩端夯管基礎(chǔ)上，定向鉆穿越導(dǎo)向孔方向(即鉆頭的角度)控制會(huì)比較難，采用對(duì)接穿越技術(shù)可以比較好地解決這一問(wèn)題。對(duì)接穿越技術(shù)就是在穿越曲線的出、入土端各設(shè)置一臺(tái)鉆機(jī)，其中入土點(diǎn)鉆機(jī)為主鉆機(jī)，出土點(diǎn)鉆機(jī)為輔助鉆機(jī)，兩臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)按設(shè)計(jì)穿越曲線相對(duì)進(jìn)行導(dǎo)向孔施工。當(dāng)兩臺(tái)鉆機(jī)的鉆頭鉆至預(yù)先設(shè)定的對(duì)接區(qū)域內(nèi)時(shí)，入土端鉆機(jī)的探頭(探頭安裝在主鉆機(jī)鉆頭后探棒倉(cāng)內(nèi))感應(yīng)到出土端鉆機(jī)鉆頭發(fā)出的磁信號(hào)后，出土端鉆機(jī)勻速回抽鉆桿，入土端鉆機(jī)根據(jù)感應(yīng)的磁信號(hào)沿出土端鉆機(jī)的導(dǎo)向孔方位同步勻速鉆進(jìn)，直至兩個(gè)鉆機(jī)的穿越曲線完全合二為一，從而較精確完成導(dǎo)向孔施工。

對(duì)接區(qū)域應(yīng)選擇在地質(zhì)相對(duì)單一、無(wú)裂隙、無(wú)斷層、巖石狀況較好的距出土端較近的水平段上，同時(shí)地面無(wú)磁場(chǎng)干擾。本工程對(duì)接區(qū)域設(shè)置在水平段穩(wěn)定基巖內(nèi)。

5 施工技術(shù)要點(diǎn)

① 夯管施工

a.夯管前檢查夯管錘的方位與水平角度，若偏差超過(guò)0.5°需重新調(diào)整就位。為確保套管能鉆透卵石層，夯管角度為10°。

b.夯管過(guò)程中要求實(shí)時(shí)復(fù)測(cè)套管入土角度。由于第1根套管夯進(jìn)方向的準(zhǔn)確性是關(guān)鍵，所以在第1根套管夯進(jìn)500 mm后，應(yīng)仔細(xì)測(cè)量套管的方位與水平角度，軸線偏差不超過(guò)夯進(jìn)長(zhǎng)度的1%時(shí)可繼續(xù)夯進(jìn)，若軸線偏差超出允許范圍，應(yīng)進(jìn)行糾偏。管尾留在操作坑外4 m左右，以便和第2根套管進(jìn)行焊接。每夯進(jìn)8 m時(shí)再進(jìn)行一次復(fù)測(cè)，確保夯進(jìn)方向不出現(xiàn)較大偏移。

c.為在夯進(jìn)時(shí)不使鋼管前端發(fā)生卷邊變形，加工鑄鋼切削環(huán)焊接在管頭上，用于切削地層。套管前進(jìn)阻力較大時(shí)及時(shí)清土，在套管夯進(jìn)過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)套管前進(jìn)速度緩慢或停滯不前，應(yīng)立即停止夯進(jìn)，將套管內(nèi)的積土清除干凈后再繼續(xù)。根據(jù)套管管徑利用攪龍進(jìn)行取土作業(yè)，嚴(yán)禁人工取土。攪龍取土見圖1。

圖1 攪龍取土

② 定向鉆施工

定向鉆對(duì)接穿越見圖2。

圖2 定向鉆對(duì)接穿越

a.鉆機(jī)及配套設(shè)備就位。主鉆機(jī)和輔助鉆機(jī)保證在穿越中心線位置上，兩臺(tái)鉆機(jī)就位完成后，進(jìn)行各系統(tǒng)連接、試運(yùn)轉(zhuǎn)，保證設(shè)備正常工作，并確保兩個(gè)鉆機(jī)場(chǎng)地之間的無(wú)線電通信正常。

b.設(shè)置人工磁場(chǎng)。在地表沿穿越曲線中心線人工敷設(shè)電纜，該電纜通交流電后在穿越過(guò)程中將作為導(dǎo)向孔施工控向系統(tǒng)的磁信號(hào)源。

c.測(cè)量控向參數(shù)。校準(zhǔn)導(dǎo)向孔施工控向儀器，標(biāo)定控向參數(shù)。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，在穿越中心線的不同位置測(cè)取，進(jìn)行對(duì)比，并做好記錄。

d.導(dǎo)向孔施工。待兩個(gè)鉆機(jī)場(chǎng)地的設(shè)備和儀器準(zhǔn)備就緒，鉆桿和鉆頭清掃完畢后進(jìn)行試鉆。啟動(dòng)控向儀器，信號(hào)電纜將產(chǎn)生交流磁信號(hào)，此時(shí)啟動(dòng)鉆機(jī)并鉆進(jìn)。當(dāng)鉆進(jìn)1～2根鉆桿后檢查各部位運(yùn)行情況，各種參數(shù)正常后正常鉆進(jìn)。當(dāng)主鉆機(jī)鉆進(jìn)導(dǎo)向孔時(shí)，輔助鉆機(jī)同時(shí)進(jìn)行鉆進(jìn)，當(dāng)輔助鉆機(jī)鉆頭抵達(dá)對(duì)接區(qū)域時(shí)，啟動(dòng)鉆頭短節(jié)內(nèi)安裝的目標(biāo)磁鐵，該目標(biāo)磁鐵負(fù)責(zé)在對(duì)接時(shí)引導(dǎo)主鉆機(jī)的鉆頭鉆進(jìn)。在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過(guò)程中，進(jìn)行泥漿配比時(shí)加入適量的泥漿潤(rùn)滑劑，保證導(dǎo)向孔孔壁的完整性，減小鉆進(jìn)阻力，防止粘卡現(xiàn)象發(fā)生。

e.對(duì)接。兩臺(tái)鉆機(jī)相互協(xié)調(diào)工作，當(dāng)主鉆機(jī)鉆頭與輔助鉆機(jī)目標(biāo)磁鐵的間距在5 m以內(nèi)時(shí)，即可進(jìn)行導(dǎo)向孔的對(duì)接。對(duì)接成功后輔助鉆機(jī)回退鉆桿，主鉆機(jī)根據(jù)采集的磁性號(hào)控制鉆進(jìn)方向，沿輔助鉆機(jī)已形成的導(dǎo)向孔頂進(jìn)，直至出土，完成整個(gè)導(dǎo)向孔施工。

f.導(dǎo)向孔完成后，即可連接擴(kuò)孔器，開始擴(kuò)孔、洗孔及拖管施工作業(yè)。

6 結(jié)語(yǔ)

定向穿越卵石層施工技術(shù)方案的制定，需要詳細(xì)完整的地質(zhì)勘察資料，了解穿越段及周邊區(qū)域地質(zhì)情況。本工程采用兩端夯管+定向鉆對(duì)接穿越技術(shù)，根據(jù)所穿越區(qū)域土層分布情況，針對(duì)特殊地質(zhì)，綜合應(yīng)用夯鋼套管隔離、攪龍取土、對(duì)接穿越、調(diào)制泥漿護(hù)壁等關(guān)鍵技術(shù)和管理工序，使工程在確保安全的情況下順利完成。