水平定向鉆施工技術(shù)及應(yīng)用案例

李曉慧

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

0 引言

定向鉆施工是指在不開挖地表面的條件下，鋪設(shè)地下管道、線纜等的一種施工方式，目前廣泛應(yīng)用于給水管道、電力線纜、通信光纜、燃?xì)夤艿?、石油管道等柔性管線鋪設(shè)，適用于我國(guó)大部分非硬巖地區(qū)。水平定向鉆施工方式具有施工速度快、成本低、智能安全、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。其發(fā)展趨勢(shì)正朝著適應(yīng)硬巖作業(yè)、自動(dòng)鉆進(jìn)、軌跡更加精準(zhǔn)、超深度導(dǎo)向監(jiān)控、主動(dòng)安全保護(hù)、節(jié)能減排、拆解運(yùn)輸更加方便、應(yīng)用范圍廣等特征發(fā)展[1]。

1 定向鉆施工準(zhǔn)備工作

施工前需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量放線，劃定作業(yè)范圍；勘察路由附近范圍內(nèi)的地下管線，是否與施工路由沖突；勘察現(xiàn)場(chǎng)水源、電力情況，確定取用水、電方案；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件進(jìn)行勘察并出具詳細(xì)的地勘報(bào)告，定向鉆施工前，需分析要穿越地層的自穩(wěn)性，可以有效防止成孔導(dǎo)流，避免引起地面塌陷[2]。

鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)前需進(jìn)行場(chǎng)地平整，開挖發(fā)射坑、接收坑，并對(duì)鉆機(jī)底座進(jìn)行混凝土基礎(chǔ)加固，保證鉆機(jī)的穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)入土點(diǎn)和出土點(diǎn)的連接線上安裝鉆機(jī)，一般鉆機(jī)的導(dǎo)軌與水平面的夾角較所設(shè)計(jì)的入土角度大1°為宜，并根據(jù)穿越長(zhǎng)度、管徑、鉆具承載力對(duì)鉆進(jìn)拉力進(jìn)行調(diào)整[3]。

2 管道安裝

管道安裝工序?yàn)椋?）管道場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸；2）布管；3）穿越管道坡口加工及組對(duì)；4） 焊接、無損檢測(cè)；5）防腐補(bǔ)口、補(bǔ)傷；6）清管、壓力試驗(yàn)、吹掃等。

管材運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)前要具備管材和外涂層防腐質(zhì)量檢驗(yàn)合格證，現(xiàn)場(chǎng)防腐管應(yīng)注意確保防腐質(zhì)量，管材在裝卸過程中需采取保護(hù)措施以免損壞防腐層和管端，如有損壞應(yīng)及時(shí)補(bǔ)傷并檢漏。管道穿越大中型水域、一二級(jí)公路、高速公路、鐵路時(shí)，所有焊縫需進(jìn)行100%射線探傷檢驗(yàn)，并進(jìn)行100%超聲波復(fù)驗(yàn)[4]。

3 導(dǎo)向孔

鉆導(dǎo)向孔是利用水平定向鉆設(shè)備在入口處開始定向鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程中通過監(jiān)控和控制手段使鉆孔按設(shè)計(jì)軌跡延伸。并從另一端鉆出地表，完成導(dǎo)向孔的施工。鉆導(dǎo)向孔前需要根據(jù)穿越處地質(zhì)的情況，選擇合適的鉆頭、導(dǎo)向板等。鉆頭通常帶有斜面或斜節(jié)，使得鉆頭在連續(xù)回轉(zhuǎn)時(shí)能鉆出直孔。傳感器需安裝在靠近鉆頭的地方，便于接收、跟蹤鉆頭位置，從而獲得鉆孔深度及其他所需參數(shù)。鉆導(dǎo)向孔時(shí)，必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的穿越曲率半徑進(jìn)行，鉆桿折角不宜過大[5]。

定向鉆入土角和出土角的大小一般根據(jù)地質(zhì)、地形、管材、管徑確定，入土角度一般在8°～20°之間，出土角度一般在4°～12°之間，特殊情況，可適當(dāng)調(diào)整角度大小。管道的曲率半徑不宜小于1500D，且需預(yù)留≥10m 的管線在管道出、入土兩端。穿越普通地質(zhì)時(shí)一般直接采用鉆機(jī)本身的推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)功能進(jìn)行鉆進(jìn)施工，穿越堅(jiān)硬地質(zhì)時(shí)由于鉆機(jī)本身旋轉(zhuǎn)速度有限，需利用泥漿馬達(dá)的高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行鉆孔。如果在巖層變化較大的地區(qū)施工，需要對(duì)不同的軟硬巖層采用不同的鉆進(jìn)速度，以防止鉆孔的升降，形成交錯(cuò)的平臺(tái)孔[6]。

4 預(yù)擴(kuò)孔

拖拉大管徑管線時(shí)，由于導(dǎo)向孔孔徑遠(yuǎn)小于管線直徑，故需要將導(dǎo)向孔擴(kuò)大，一般需用擴(kuò)孔器將孔徑擴(kuò)大至管線直徑的1.5倍左右，擴(kuò)孔器的擴(kuò)孔方向由出土點(diǎn)向入土點(diǎn)進(jìn)行，分級(jí)、多次擴(kuò)孔至所需孔徑，對(duì)于管徑小于DN400mm 的管線，在鉆機(jī)能力足夠的情況下擴(kuò)孔和回拖可同時(shí)進(jìn)行，最小擴(kuò)孔直徑與穿越管徑的關(guān)系見表1。

表1 最小擴(kuò)孔直徑與穿越管徑關(guān)系

擴(kuò)孔過程中擴(kuò)孔器需要及時(shí)更換，以縮短施工時(shí)間，減小孔道塌方的可能性。如果出現(xiàn)擴(kuò)孔扭矩過大的情況，需采用相同尺寸的擴(kuò)孔器進(jìn)行重新擴(kuò)孔約1 ～2 次。如果出現(xiàn)跳鉆情況，需減小鉆速、鉆壓，待工作平穩(wěn)后再逐漸恢復(fù)至最優(yōu)的鉆速、鉆壓[7]。

施工時(shí)需根據(jù)地層特點(diǎn)選擇不同的擴(kuò)孔器，地層不同擴(kuò)孔器的結(jié)構(gòu)形式也不同，目前主要有擠擴(kuò)式、流道式、切削式以及巖石擴(kuò)孔器等。擠擴(kuò)式擴(kuò)孔器通過擠壓地層實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔，常用于松軟土層。流道式擴(kuò)孔器在擠壓地層的同時(shí)具有一定的切削和排屑效果，適用性較廣，在大部分土層中均可使用。切削式擴(kuò)孔器主要通過切削地層實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔，排屑效果好，適用于密實(shí)的砂質(zhì)土層[8]。巖石擴(kuò)孔器分為牙輪擴(kuò)孔器和滾刀擴(kuò)孔器，其中牙輪又可細(xì)分為鑲齒和鋼齒兩種，通常鋼齒用于軟巖及硬土層，鑲齒主要用于硬巖施工，而滾刀式擴(kuò)孔器則主要用于對(duì)付硬度較高的巖石或進(jìn)行長(zhǎng)距離的巖層擴(kuò)孔施工。

5 回拖

管線回拖作業(yè)方向和擴(kuò)孔作業(yè)方向一致，從出土點(diǎn)至入土點(diǎn)。管道回拖過程中如出現(xiàn)回拖力迅速增大，回拖困難的情況，可采用推土機(jī)、吊管機(jī)同時(shí)助力的方式。回拖過程中管線會(huì)與孔壁接觸產(chǎn)生摩擦，管線壁外防腐層易受到損壞，為減小回拖過程中防腐層的損壞，需在回拖前對(duì)管線外防腐層進(jìn)行全面檢漏及修補(bǔ)，一般采用電火花檢漏儀?；赝辖Y(jié)束后，管材與回?cái)U(kuò)孔之間的空隙無法進(jìn)行回填夯實(shí)處理，因此，對(duì)管材沉降要求比較高的工程需慎重選擇該施工方式[9]。

在擴(kuò)孔及回拖過程中泥漿具有很重要的作用，可以穩(wěn)固孔壁，潤(rùn)滑孔洞減小回拖過程中的摩擦力，泥漿的流動(dòng)性也可以將鉆屑帶出孔洞[7]。泥漿的粘度一般通過地質(zhì)情況和鉆孔工藝確定，也可按表2 確定。為防止泥漿泄露，需檢測(cè)土壤壓實(shí)度，防止泥漿壓力過大滲入土壤造成環(huán)境破壞[10]。如需穿越重要的河壩，須注意防止泥漿對(duì)大壩產(chǎn)生不利影響。

表2 泥漿粘度（S）

6 水平定向鉆硬巖施工

水平定向鉆施工方式應(yīng)用于硬巖地質(zhì)時(shí)，需采用泥漿馬達(dá)，使用高壓泥漿驅(qū)動(dòng)泥漿馬達(dá)中的渦輪高速旋轉(zhuǎn)，以此帶動(dòng)鉆頭破碎巖石。硬巖地層施工鉆進(jìn)較為困難，由于巖石強(qiáng)度大，鉆進(jìn)過程中對(duì)鉆具的磨損較大，對(duì)于抗壓強(qiáng)度≥60MPa 以上的巖層，優(yōu)先采用硬質(zhì)合金鑲齒牙輪鉆頭，對(duì)于石英質(zhì)含量較高的巖層，牙輪鉆頭應(yīng)盡量采用小齒以延長(zhǎng)齒輪壽命，對(duì)于軟巖地層采用小直徑鉆頭。由于泥漿對(duì)各類地質(zhì)的適應(yīng)性較差，鉆進(jìn)過程中需要根據(jù)不同的巖層及時(shí)調(diào)整泥漿特性，巖層粒徑≥20mm時(shí)，需提高泥漿動(dòng)塑比、靜切力等提高泥漿攜帶能力，巖層粒徑＜2mm 時(shí)，需降低泥漿粘度，增強(qiáng)其流動(dòng)性。

7 應(yīng)用實(shí)例

7.1 案例一

以新建鐵路漢中至巴中至南充鐵路南充至巴中段巴中西站為例，巴中西站水源接用當(dāng)?shù)厥姓詠硭緟^(qū)污水提升排入市政污水管網(wǎng)，給水及污水管道均需穿越機(jī)場(chǎng)大道，機(jī)場(chǎng)大道寬約25m，施工圖設(shè)計(jì)過程中為防止開挖施工影響道路通行，故采用定向鉆施工方式。距離道路兩端5m 距離設(shè)置發(fā)射坑、接受坑給水管道采用DN100 鋼管，定向鉆施工長(zhǎng)度35m；污水壓力管道采用DN80 鋼管，定向鉆施工長(zhǎng)度35m。

該項(xiàng)目所處地層主要包括素填土、粉質(zhì)黏土，粉砂巖等，管道穿越地層為粉質(zhì)黏土層，地質(zhì)情況較好。且由于該項(xiàng)目管徑較小，導(dǎo)向孔作業(yè)完成后可直接進(jìn)行管道回拖，無需進(jìn)行擴(kuò)孔施工。

7.2 案例二

以小清河復(fù)航工程為例，小清河途經(jīng)高新區(qū)、章丘、鄒平、高青、桓臺(tái)、博興、廣饒、壽光全長(zhǎng)169.2km。復(fù)航工程對(duì)小清河沿線與河道交叉及影響范圍內(nèi)的架空跨越或地下穿越的原油管道、水管道、天然氣管道、熱力管道、國(guó)防光纜、通信線纜、電力線纜等進(jìn)行遷改，全線共九十余處管線纜，涉及給排水管線、熱力管線、油氣類管線、長(zhǎng)輸及國(guó)防光纜、電力線路，航道及河灘寬度約120m，全部采用定向鉆施工方式從河底穿越小清河。穿越管道管徑最小DN100，最大DN1200，管材采用PE100 塑料管或鋼管。其中最大的DN1200 管道為給水管道，定向鉆施工長(zhǎng)度660m，采用螺旋鋼管，壁厚14mm。該處管道實(shí)施穿越巖土層主要包括粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層等，地質(zhì)情況良好。設(shè)計(jì)穿越管段入土角為8°，出土角為7°，曲率半徑為2000m，管外頂距離設(shè)計(jì)航道底凈距＞15m。在管道穿越大型河流時(shí)，管線埋設(shè)管頂距離河底一般要6m 以上，該地層內(nèi)氧氣含量少，具腐蝕性物質(zhì)少，對(duì)管材的防腐起到很好的保護(hù)作用，同時(shí)兼具保溫功能，可延長(zhǎng)管線的使用壽命。

該項(xiàng)目穿越管道采用鋼制管材時(shí)，均對(duì)管道進(jìn)行了內(nèi)外防腐，且在管道接口處設(shè)置熱縮套以防止管道在拖拉過程中的破損，管道外防腐采用擠壓聚乙烯三層結(jié)構(gòu)加強(qiáng)防腐，底層環(huán)氧粉末涂層≥150μm，中間層膠黏劑層≥170μm，外層采用聚乙烯層，防腐層厚度≥4.2mm，外層采用TO 樹脂保護(hù)。內(nèi)防腐采用IPN8710—2 飲水設(shè)備涂料，2 底2 面，涂裝方式采用手工刷涂或高壓無氣噴涂，防腐層厚度≥220μm。

通過該項(xiàng)目九十余處管線采用定向鉆施工方式的成功，進(jìn)一步證實(shí)了該技術(shù)在粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等地層的良好適用性。

8 結(jié)語

水平定向鉆施工技術(shù)已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于管線施工中，與其它施工方法比較，該方法施工場(chǎng)地可靈活調(diào)整，設(shè)備進(jìn)出場(chǎng)速度快，施工占地面積小，施工速度快，且不影響交通運(yùn)行，不影響周邊建筑物基礎(chǔ)。水平定向鉆施工技術(shù)的應(yīng)用在工程施工中已經(jīng)越來越多，前景也會(huì)越加廣泛，該技術(shù)也會(huì)朝著越加精準(zhǔn)、越加方便、越加高效的方向發(fā)展。