非開(kāi)挖定向鉆穿越技術(shù)在水利工程中應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

李光亮 LI Guang-liang；李學(xué)敏 LI Xue-min；任曉舟 REN Xiao-zhou

（①?gòu)V饒縣孫子文化旅游區(qū)管理中心，東營(yíng) 257300；②廣饒縣水利局，東營(yíng) 257300）

0 引言

水是人類(lèi)生活生產(chǎn)不可缺少的寶貴資源，水利作為農(nóng)業(yè)的命脈，對(duì)推動(dòng)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到無(wú)可替代的作用，同時(shí)水利還具有“興利”和“除害”的功能[1]。水利工程則是通過(guò)修建閘、壩、堤和渠道等各類(lèi)水工建筑物，用于控制和調(diào)配自然界的地表水和地下水，實(shí)現(xiàn)興利除害的目的[2]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，水利工程建設(shè)者把各種先進(jìn)的施工工藝及技術(shù)應(yīng)用到施工過(guò)程中，其中非開(kāi)挖定向鉆穿越技術(shù)在水利工程建設(shè)中的應(yīng)用，將水利工程可持續(xù)發(fā)展推向新的高度[3]。

非開(kāi)挖定向鉆穿越技術(shù)是在不進(jìn)行地表清障的條件下，實(shí)現(xiàn)從障礙物的底部穿越[4]。早在1971年，美國(guó)便在開(kāi)始了水平定向鉆的研究與嘗試，并于1978年奠定了現(xiàn)代水平定向鉆技術(shù)[5]。目前非開(kāi)挖定向鉆穿越技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中主要面對(duì)的問(wèn)題有：

①施工過(guò)程中，孔洞的掉塊、剝落及坍塌[6-7]；

②施工中存在軌跡線偏差過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)、泥漿壓力不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)[8]；

③冒漿、水力壓裂、地表隆起等多種常見(jiàn)病害[9-10]。

本文在上述背景下，對(duì)非開(kāi)挖定向鉆穿越技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備、技術(shù)準(zhǔn)備進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)施工質(zhì)量的控制要點(diǎn)進(jìn)行了闡述與分析，并詳細(xì)描述了非開(kāi)挖定向鉆穿越技術(shù)的施工注意事項(xiàng)及應(yīng)對(duì)措施。旨在為推進(jìn)非開(kāi)挖定向穿越技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用提供參考。

1 施工前期準(zhǔn)備分析

施工前期準(zhǔn)備包括現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備及技術(shù)準(zhǔn)備。

在非開(kāi)挖定向鉆穿越施工前，要做好現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)備工作，首先，在穿越施工前，要對(duì)擬施工路徑位置的地面構(gòu)筑物進(jìn)行調(diào)查，對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行勘察，為施工方案的確定提供準(zhǔn)確的地質(zhì)資料；其次，在穿越施工前，要探明施工區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有地下管道、電線電纜、障礙物等情況，明確實(shí)際分布情況，為施工提供詳細(xì)、真實(shí)、準(zhǔn)確的資料，以便確定管道穿越路徑；最后，在穿越施工前，要根據(jù)實(shí)地勘察確定的管道走向、施工開(kāi)挖工作面和堆土堆料場(chǎng)地等，做好三通工作。

技術(shù)準(zhǔn)備方面，一是對(duì)照施工圖紙，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的地形地貌，詳細(xì)了解工程的基本全貌，若發(fā)現(xiàn)不明白的問(wèn)題，及時(shí)向設(shè)計(jì)單位提出答疑，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察的地質(zhì)及地形地貌資料，再結(jié)合施工的具體要求，及時(shí)采取有針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化施工方案，最大限度的確保非開(kāi)挖穿越施工的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；二是及時(shí)審核圖紙工程量，以及所用材料的種類(lèi)和數(shù)量，提前做好物資計(jì)劃；三是按照設(shè)計(jì)坐標(biāo)和總平面圖展開(kāi)控制網(wǎng)的布設(shè)測(cè)量，科學(xué)合理的設(shè)置控制點(diǎn)，建立起準(zhǔn)確的控制網(wǎng)，便于對(duì)非開(kāi)挖穿越施工進(jìn)行測(cè)量。

2 施工質(zhì)量控制要點(diǎn)分析

測(cè)量放線、泥漿配置、導(dǎo)向孔鉆進(jìn)、擴(kuò)孔施工、管道回拖等對(duì)施工質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，具體分析如下：

2.1 測(cè)量放線

在施工前，要根據(jù)設(shè)計(jì)交底、施工圖及施工方案等，充分利用現(xiàn)代高科技測(cè)繪儀器，準(zhǔn)確定位出入土點(diǎn)位，精確確定施工穿越軸線，確保穿越軌跡與設(shè)計(jì)曲線不偏移，同時(shí)根據(jù)施工需要，及時(shí)確定施工控制測(cè)量點(diǎn)位。在此基礎(chǔ)上，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量確定的出入點(diǎn)位，及時(shí)測(cè)量確定施工設(shè)備、泥漿池、管線預(yù)制、組裝焊接等場(chǎng)地位置，為工程施工奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 泥漿配制

泥漿的配制在非開(kāi)挖定向鉆穿越的實(shí)施過(guò)程中起著決定性作用，是順利實(shí)施的保證。因此，在穿越施工過(guò)程中，要嚴(yán)格按照泥漿工藝要求及地質(zhì)情況確定配制方案，針對(duì)不同的地質(zhì)層配制符合施工要求的泥漿。泥漿配置工藝如圖1所示。一般泥漿的標(biāo)準(zhǔn)比重在1.02-1.05g/cm3之間，含沙量≤1%，pH值在7.0-10.0之間，失水率<15%，泥漿在配制前，要對(duì)施工用水進(jìn)行化驗(yàn)，得出水的pH值，以便確定添加劑的用量。目前通常做法是采用膨潤(rùn)土、纖維素、SD-3等添加劑，同時(shí)在施工用水中加入純堿，將水的pH值調(diào)整到9.0左右，以便加速粘土顆粒分散。

圖1 泥漿配置工藝

在非開(kāi)挖定向鉆穿越施工過(guò)程中，泥漿配比不是固定不變的，要利用馬式漏斗每隔兩小時(shí)測(cè)試一次，查看泥漿是否滿(mǎn)足規(guī)范要求，若不滿(mǎn)足要求要及時(shí)調(diào)整泥漿配比，同時(shí)也要根據(jù)地層及工藝狀況隨時(shí)調(diào)整泥漿配比，確保泥漿配比符合規(guī)范要求。

2.3 導(dǎo)向孔鉆進(jìn)

在開(kāi)鉆前，要根據(jù)地質(zhì)資料、施工長(zhǎng)度、管徑及現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)情況，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)構(gòu)造、巖土層的性質(zhì)、地層結(jié)構(gòu)特征及其空間分布情況進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)研究，做好管道穿越地層的工程地質(zhì)評(píng)價(jià)，確定控向方案，同時(shí)也要根據(jù)分析情況，制定相應(yīng)的施工預(yù)案。由于導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)是整個(gè)穿越順利實(shí)施的關(guān)鍵因素，必須嚴(yán)格按照施工規(guī)范要求，保證每根鉆桿在鉆進(jìn)施工過(guò)程中曲率半徑均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，確保每根鉆桿的傾角和方位角的變化值均滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的鉆桿折角要求，把全角變化率的控制作為重中之重，減少每次測(cè)量之間的間隔距離，在遇到地層軟硬變化或者砂層時(shí)，要把參數(shù)測(cè)量之間的距離嚴(yán)格控制在2m之內(nèi)，盡量減少控向數(shù)據(jù)采集的誤差，防止鉆進(jìn)曲線與設(shè)計(jì)曲線的偏移，確保達(dá)到出土準(zhǔn)確，成孔良好。鉆導(dǎo)向孔施工工藝如圖2所示。

圖2 鉆導(dǎo)向孔施工示意圖

2.4 擴(kuò)孔施工

在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)完成后，要根據(jù)擴(kuò)孔鉆進(jìn)的地質(zhì)狀況、鉆機(jī)能力、鉆桿規(guī)格及擴(kuò)孔器的類(lèi)型等，選擇適合本次工程施工的擴(kuò)孔器及時(shí)進(jìn)行擴(kuò)孔施工。如果終孔直徑較大或者設(shè)備能力有限時(shí)，要采取多次擴(kuò)孔的方式，逐步將鉆孔直徑擴(kuò)至設(shè)計(jì)要求。在擴(kuò)孔施工過(guò)程中，按照設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，將泥漿的排量適當(dāng)加大，嚴(yán)格控制回拖速度，按照設(shè)計(jì)要求平穩(wěn)擴(kuò)孔，在此過(guò)程中，要嚴(yán)格控制泵壓、扭矩及回拖力，防止出現(xiàn)憋泵、憋鉆、強(qiáng)行回?cái)U(kuò)等現(xiàn)象，以免影響擴(kuò)孔質(zhì)量。擴(kuò)孔完成后，要先分析成孔情況，必要時(shí)再進(jìn)行清孔。在擴(kuò)孔和清孔時(shí)，要保持足夠的排量，配備合適排量的泥漿泵，保證泥漿流速。在施工過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際穿越地層情況及時(shí)調(diào)整擴(kuò)孔級(jí)數(shù)及清孔次數(shù)，同時(shí)根據(jù)土層地質(zhì)實(shí)際情況可加大擴(kuò)孔級(jí)差。

2.5 管道回拖

在擴(kuò)孔施工完成后，要盡快實(shí)施回拖施工，盡量減少擴(kuò)孔施工完成與回拖施工間的間隔時(shí)間，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，若停工間隔時(shí)間超過(guò)12小時(shí)，在回拖施工前，要重新進(jìn)行一次通孔，避免在回拖過(guò)程中出現(xiàn)回拖困難的現(xiàn)象。

在回拖施工時(shí)，為確保回拖施工的順利進(jìn)行，可采取以下幾種方式：

①根據(jù)施工實(shí)際情況，可將洞口沿軸線方向前開(kāi)挖20-30m管道引溝（或適應(yīng)托管長(zhǎng)度的發(fā)送溝），以達(dá)到降低支撐高度，管道入洞容易的目的。

②盡量使用與終孔成孔施工時(shí)相同的鉆具結(jié)構(gòu)，在回拖時(shí)更利于沿原成孔軌跡前進(jìn)，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)接頭和工作管之間加“U”型環(huán)進(jìn)行連接，可有效避免鉆具與管道間的硬連接，減少摩擦力。

③根據(jù)施工實(shí)際情況，為進(jìn)一步提高泥漿的懸浮和固孔能力，可適當(dāng)增加聚合物含量；為進(jìn)一步提高泥漿的攜帶能力，降低粘滯力，使泥漿在較高的粘度下保持良好的流動(dòng)性，可加入泥漿流變劑；為進(jìn)一步可減小摩阻，可加入潤(rùn)滑劑；為進(jìn)一步保證成孔的堵漏效果，可加入單項(xiàng)壓力封閉劑，既可以在孔壁周?chē)纬芍旅艿谋Ｗo(hù)膜，又可以對(duì)上部砂層起到良好的封閉作用。

④在管道自重不能全部抵消泥漿浮力時(shí)，可采用在管道內(nèi)增加其他介質(zhì)的方式，增加管道重力，以來(lái)達(dá)到消除不平衡浮力的目的，使管道處于更為理想的狀態(tài)，減少管道與孔壁之間的接觸和摩擦。管線回拖施工工藝如圖3所示。

圖3 管線回拖施工示意圖

3 施工注意事項(xiàng)及應(yīng)對(duì)措施

鉆進(jìn)卡鉆、鉆孔塌方、冒泥漿則為施工過(guò)程中需格外注意的事項(xiàng)，其應(yīng)對(duì)措施如下：

3.1 鉆進(jìn)卡鉆

在非開(kāi)挖定向鉆穿越施工過(guò)程中，若出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，首先通過(guò)調(diào)整泥漿配比，使用大排量泥漿泵，及時(shí)將鉆桿撤出卡鉆區(qū)；其次要及時(shí)查出卡鉆原因，通過(guò)調(diào)整泥漿配比，增加泥漿切力與粘度，同時(shí)使用扭矩大、推力大的鉆機(jī)及與之相匹配的鉆頭，進(jìn)行導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)。

3.2 鉆孔塌方

由于非開(kāi)挖定向鉆穿越施工都處于地表以下（一般位于地表層以下3m～20m），地質(zhì)松軟，鉆孔容易塌方，形成鉆孔較難，要求我們?cè)谑┕み^(guò)程中，嚴(yán)格按照地質(zhì)情況進(jìn)行泥漿配制。泥漿作為非開(kāi)挖定向鉆穿越施工的沖洗液，要嚴(yán)格按照比例，將優(yōu)質(zhì)的膨潤(rùn)土及添加劑經(jīng)過(guò)系統(tǒng)攪拌成泥漿，然后注入洞內(nèi)，既要起到潤(rùn)滑鉆具、穩(wěn)定孔壁、降低回轉(zhuǎn)扭矩、回拉力，又要減小拖管時(shí)管道和洞壁的摩擦系數(shù)，同時(shí)還要在固孔、護(hù)管等方面起到一定的作用。

在穿越回拖施工時(shí)，如果出現(xiàn)回拖力增加至超過(guò)預(yù)計(jì)最大安全拉力的情況時(shí)，可斷定為管道在孔洞中遭遇孔壁坍塌，導(dǎo)致抱管現(xiàn)象。遇到這種情況時(shí)，可立即在管尾安裝動(dòng)滑輪組，實(shí)施向后回拖一定距離，同時(shí)加大泥漿排量，當(dāng)回拖力明顯下降時(shí)，可待管道解卡后，再進(jìn)行鉆機(jī)回拖。若回拖仍然無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，則穿越孔洞內(nèi)坍塌現(xiàn)象可能比較嚴(yán)重，管道無(wú)法繼續(xù)回拖。針對(duì)此現(xiàn)象，可立即在管尾安裝夯管錘進(jìn)行錘擊，使管道受到夯管錘的振擊后，擺脫穿越孔洞對(duì)其的束縛，從而回拖作業(yè)得以繼續(xù)進(jìn)行。夯管錘仍無(wú)法回拖時(shí)，將滑輪機(jī)組與回拖管道的尾部連接，將管道及時(shí)從孔洞中拽出，避免管道存留在孔洞內(nèi)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致更大的解卡阻力。

出現(xiàn)上述情況后，要及時(shí)安排泥漿應(yīng)急小組，對(duì)穿越施工沿線泥漿情況進(jìn)行仔細(xì)巡查，若發(fā)現(xiàn)泥漿冒點(diǎn)，及時(shí)通知技術(shù)人員，采取相應(yīng)措施控制冒點(diǎn)，待控制冒點(diǎn)并調(diào)整施工方案后，重新進(jìn)行回拖施工。

3.3 冒泥漿現(xiàn)象

在非開(kāi)挖定向鉆穿越施工過(guò)程中，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，嚴(yán)格控制泥漿壓力，避免施工中出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象。若施工過(guò)程中出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象，為防止出現(xiàn)大規(guī)模冒漿現(xiàn)象，可根據(jù)地質(zhì)情況添加必要的泥漿藥品；若施工過(guò)程中出現(xiàn)冒漿嚴(yán)重的現(xiàn)象，可采取一邊起鉆一邊小排量注漿，這樣既可以保證孔壁的完好，又可以通過(guò)起鉆使孔壁更加通暢，同時(shí)保證孔內(nèi)向外返漿良好，降低孔內(nèi)壓力，達(dá)到防止冒漿的效果。使用較大直徑鉆頭，增大環(huán)形空間，同時(shí)每鉆進(jìn)一根將再回拉旋轉(zhuǎn)洗孔一次，使孔內(nèi)泥漿比較暢通，以防止冒漿。

4 非開(kāi)挖定向鉆穿越技術(shù)意義分析

總結(jié)非開(kāi)挖定向鉆穿越技術(shù)的意義，主要集中于降低成本、保護(hù)環(huán)境及縮短工期等方面。

在目前市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，通過(guò)非開(kāi)挖定向鉆穿越施工在水利工程建設(shè)中的實(shí)施，最大限度的降低了施工成本。由于穿越施工前期不需要進(jìn)行大規(guī)模的地面開(kāi)挖，從而地面附加費(fèi)不再產(chǎn)生，如拆遷安置費(fèi)、補(bǔ)償費(fèi)等，后期回填、植被恢復(fù)及相應(yīng)設(shè)施維修等方面相應(yīng)的費(fèi)用也不再產(chǎn)生，有效地降低了施工成本。

采用傳統(tǒng)的施工方式，需對(duì)地面進(jìn)行明開(kāi)挖，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)可能影響工程建設(shè)的設(shè)施要進(jìn)行拆遷或?qū)υ薪煌ǖ缆纷钄嘈滦薇愕赖炔坏靡汛胧?，這樣在實(shí)施過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生大量粉塵和噪音等，進(jìn)而造成污染，但穿越施工技術(shù)的運(yùn)用，有效避免了以上問(wèn)題的發(fā)生，有利于環(huán)境保護(hù)。

非開(kāi)挖定向鉆穿越施工不再采用傳統(tǒng)的“開(kāi)膛破肚”的施工方式，而是采用機(jī)械化、自動(dòng)化工具進(jìn)行施工，這樣既節(jié)省了勞動(dòng)力，又進(jìn)一步提高了工作效率，大大縮短了施工時(shí)間。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)非開(kāi)挖定向鉆穿越技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備、技術(shù)準(zhǔn)備進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)施工質(zhì)量的控制要點(diǎn)進(jìn)行了闡述與分析，并詳細(xì)描述了非開(kāi)挖定向鉆穿越技術(shù)的施工注意事項(xiàng)及應(yīng)對(duì)措施。在施工過(guò)程中的測(cè)量放線、泥漿配置、導(dǎo)向孔鉆進(jìn)、擴(kuò)孔施工、管道回拖等對(duì)施工質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用；而鉆進(jìn)卡鉆、鉆孔塌方、冒泥漿則為施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的病害；非開(kāi)挖定向鉆穿越技術(shù)在有效降低成本、環(huán)境保護(hù)、縮短工期等方面有著顯著的意義。