水平定向鉆拖拉法在長輸管道中小型穿越中的應(yīng)用

高云來

吉林石油集團(tuán)工程建設(shè)有限責(zé)任公司 吉林松原 138000

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷發(fā)展，以及各地區(qū)對能源需求的不斷提高，長輸管道線路設(shè)計越來越受地方規(guī)劃和地理位置限制,但又不可避免地需要經(jīng)過一些規(guī)劃區(qū)、航道、景觀化河流、經(jīng)濟(jì)養(yǎng)殖塘、城市道路、高速公路、鐵路、建筑密集區(qū)、地下障礙物密集區(qū)等地段。以往的長輸管道施工中一般只有在大中型穿越采用水平定向鉆，最小穿越長度受管道曲率半徑影響，一般穿越長度均在500m以上，穿越深度在10m以上；中小型穿越一般采用開挖或頂管方式穿越，但是管道穿越這些特殊地區(qū),如果按照開挖或頂管方式敷設(shè),往往造成高賠補(bǔ)、高成本且風(fēng)險大、工期長，不利于各相關(guān)管理部門的利益角。

慶鐵四線改造工程是國家重點工程之一，是振興東北重要戰(zhàn)略工程，要求質(zhì)量高、工期短，6標(biāo)段線路工程沿長春市寬城區(qū)、綠園區(qū)近郊敷設(shè)進(jìn)入垂楊站，沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，居民區(qū)、道路、養(yǎng)殖塘、大棚、園林等密集分布，且距離四線3～10m為在役的一線、二線和三線，施工空間受限。如采用開挖敷設(shè)，賠償費(fèi)用在8000萬以上，且協(xié)調(diào)周期長，不能滿足工期要求。經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，水平定向鉆拖拉法在本工程中得到了廣泛應(yīng)用，全線共有2km/18處穿越利用了該技術(shù)，包括居民房密集區(qū)、道路、養(yǎng)殖塘、大棚、河流、地下障礙物密集區(qū)等，最小穿越長度60m，最大穿越長度240m。

1 工作原理

1.1 工作原理

根據(jù)設(shè)計斷面圖和鋼管的最小曲率半徑設(shè)計鉆桿的鉆進(jìn)軌跡（包括造斜段和鋪設(shè)段），依據(jù)地勘資料計算最大回拖力，選擇適用的鉆機(jī)和泥漿配比；設(shè)置工作坑和接收坑，鉆機(jī)就位后，按預(yù)先設(shè)計好的軌跡驅(qū)動契形鉆頭鉆出一個導(dǎo)向孔，期間利用地面儀器接收鉆頭內(nèi)傳送器發(fā)出的信息，控制鉆頭走向；然后用適當(dāng)尺寸和特殊類型的擴(kuò)孔器進(jìn)行擴(kuò)孔，并將預(yù)制好的管道回拖就位，完成管道穿越工作。

1.2 工藝參數(shù)

1.2.1 造斜段距離

式中：L——造斜段距離，（m）；

h——管道埋深，（m）；

R——造斜段的曲率半徑，需要考慮鉆桿和管道的曲率半徑，（m)。

1.2.2 鉆桿入土角角度

式中：α——鉆桿入土角，（°）；

其它字母意義同（式1）

1.2.3 鉆桿出土角角度

鉆桿出土角按導(dǎo)向鉆桿及拖拉管道允許的曲率半徑較大值確定，一般控制在5°～8°。

1.2.4最大拉力

水平定向鉆最大拉力計算經(jīng)驗公式見（式3）

式中：F拉—計算的拉力（t）；

L2—穿越管道的長度（m）；

f—摩擦系數(shù)，取0.1～0.3；

D—管子的直徑（m）；

γ泥—泥漿的密度（），一般取1.17～1.22；

δ1—管子的壁厚（m）；

k粘—粘滯系數(shù)，0.01～0.03。

以慶鐵四線第6標(biāo)段長客公路穿越為例，該穿越長度L2=240m，摩擦系數(shù)f取0.2，管子直徑D=0.711m，泥漿的密度取1.2t/m3，管子壁厚δ1=0.009m，粘滯系數(shù)k粘取0.02，根據(jù)公式計算出本工程管道的回拖力為:

F拉=3.14×240×0.2×[（0.711×0.711×1.2/4）-7.85×0.009×（0.711-0.009）]+0.02×3.14×0.711×240=26.1（t）

水平定向鉆機(jī)宜根據(jù)上述公式計算值的1.5～3倍選取，即本工程中選擇拉力70t的水平鉆機(jī)能夠滿足工程需要。

2 工藝流程及操作要點

2.1 工藝流程

見圖1。

圖1 水平定向鉆拖拉法工藝流程圖

2.2 操作要點

2.2.1 施工準(zhǔn)備

（1）詳細(xì)了解施工圖紙及設(shè)計文件，掌握設(shè)計文件對穿越段的技術(shù)質(zhì)量要求；并根據(jù)施工圖紙斷面設(shè)計鉆進(jìn)軌跡，確定造斜段、直鋪段長度及鉆桿入土角角度。

（2）制定具體穿越方案，報業(yè)主或EPC、監(jiān)理及當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)主管部門審批。

（3）由協(xié)調(diào)部門配合業(yè)主代表與當(dāng)?shù)刂鞴懿块T辦理施工許可手續(xù)，做好施工用地清點補(bǔ)償工作。

（4）做好用于施工的機(jī)械設(shè)備的檢修和養(yǎng)護(hù)工作（包括儀器、儀表校驗）。

（5）對參與施工的有關(guān)人員進(jìn)行技術(shù)交底和HSE交底。

（6）各種主材和消耗材料準(zhǔn)備到位。

2.2.2 測量放線

（1）用測量儀器放出管道預(yù)制作業(yè)帶及穿越段中心線、作業(yè)帶占地邊界線以及工作坑、接收坑位置，并設(shè)置標(biāo)志樁、撒白灰線。穿越中心線每3～6m設(shè)置一個加密樁，并記錄樁高程與設(shè)計管道埋深的關(guān)系，以便導(dǎo)向時控制。

（2）向當(dāng)?shù)卣⒋迕窦坝嘘P(guān)主管部門了解施工作業(yè)帶范圍內(nèi)有無地下的線纜及埋地管線等障礙物，確定其位置、埋深及尺寸，并在線路與地下障礙物交叉范圍兩端各3m設(shè)置標(biāo)志樁及警告牌，在樁上注明障礙物類型、走向、埋深及交叉點等數(shù)據(jù)。

2.2.3 修筑便道及作業(yè)帶清理

（1）進(jìn)場施工便道盡量利用現(xiàn)有鄉(xiāng)村公路或機(jī)耕路，對于路面窄或承載力低的機(jī)耕路，對其進(jìn)行加寬或加固后加以利用；對于無現(xiàn)有道路可利用的情況，選擇場地平整且預(yù)制作業(yè)帶離公路近的位置修筑連通便道，修筑施工便道時盡量避開耕作區(qū)、林區(qū)等植被茂密區(qū)，以減少破壞。修筑的施工便道必須保證設(shè)備、機(jī)具、材料轉(zhuǎn)運(yùn)暢通。

（2）履帶式車輛直接在運(yùn)輸公路、砼路上行駛時，路面上應(yīng)墊上廢輪胎等軟性材料，防止破壞路面。

（3）當(dāng)施工便道經(jīng)過一些農(nóng)田灌溉溝渠時，先在溝渠內(nèi)敷設(shè)足夠流量的過流涵管，涵管埋深根據(jù)溝渠深確定，四周用草袋裝土填實，并用推土機(jī)壓實，施工后恢復(fù)原貌。

（4）預(yù)制作業(yè)帶選擇在鉆桿出土側(cè)，作業(yè)帶應(yīng)平整干燥。

（5）擺放鉆機(jī)位置的地面應(yīng)經(jīng)壓實平整。

2.2.4 鉆機(jī)就位及泥漿配置

2.2.4.1 鉆機(jī)就位

鉆機(jī)入場后，根據(jù)設(shè)計出的導(dǎo)向軌跡確定鉆機(jī)的擺放位置，擺放場地必須平整并有一定的承載力。擺放鉆機(jī)盡量使入土點和出土點在一條直線上，以方便導(dǎo)向，并根據(jù)預(yù)先設(shè)計的導(dǎo)向軌跡調(diào)整鉆機(jī)傾斜度。鉆機(jī)方位調(diào)整完畢后，依靠鉆機(jī)動力將錨桿打入土中，使鉆機(jī)后支撐和前底座錨與地層固結(jié)穩(wěn)定。

鉆機(jī)設(shè)備、泥漿設(shè)備安裝完成后，對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試、檢查，確保設(shè)備安全運(yùn)行；導(dǎo)向設(shè)備儀器安裝完成后，對其進(jìn)行校準(zhǔn)，確保導(dǎo)向孔的精度。

2.2.4.2 泥漿配置

泥漿具有帶出鉆屑、護(hù)壁、潤滑、降溫等作用，水平定向鉆泥漿一般由水、膨潤土及泥漿添加劑（純堿、防塌劑、降失水劑、潤滑劑等）組成，水宜采用堿性水，膨潤土宜采用鈉膨潤土，配置好的泥漿PH值應(yīng)控制在8～10。

泥漿配置中泥漿添加劑根據(jù)不同地層添加：

（1）粘土地層：可鉆性好、成孔性好，泥漿添加劑一般為純堿和降失水劑；

（2）砂層、細(xì)砂、卵石及少量礫石地層：成孔性一般、易塌、易漏水、吸水能力強(qiáng)且對機(jī)具磨損嚴(yán)重，泥漿添加劑一般為防塌劑（聚合物）、降失水劑和潤滑劑；

（3）成孔性極好的泥巖地層：一般只需加清水或清水加堿即可。

泥漿粘度值采用馬氏漏斗測量，各種地層的粘度值見表1。

表1 各地層泥漿粘度值表

2.2.5 設(shè)置作業(yè)坑

（1）作業(yè)坑分入口作業(yè)坑和出口作業(yè)坑，作業(yè)坑位置根據(jù)設(shè)計穿越管道長度確定，一般來說，入口作業(yè)坑和出口作業(yè)坑就是穿越管道的起始點；作業(yè)坑深度根據(jù)穿越管道設(shè)計深度確定。

（2）入口作業(yè)坑與造斜段相連，用于檢測鉆桿的鉆進(jìn)角度和旋轉(zhuǎn)扭動等工作狀態(tài)，出口作業(yè)坑與管道發(fā)送溝相連。

（3）作業(yè)坑溝壁不夠穩(wěn)定時，可采用鋼板樁加固。

2.2.6 導(dǎo)向鉆孔

（1）選擇合適的鉆頭和導(dǎo)向頭，將探測棒插入導(dǎo)向頭內(nèi)，導(dǎo)向頭后端與鉆桿連接。

（2）控制鉆桿的入射角度和鉆頭斜面的方向,緩慢給進(jìn)而不旋轉(zhuǎn)鉆頭，完成造斜段鉆進(jìn)；然后旋轉(zhuǎn)鉆頭并提供給進(jìn)力,使鉆頭沿水平直線鉆進(jìn)，完成直線段鉆進(jìn)。

（3）鉆機(jī)配有一手持步履跟蹤式導(dǎo)向儀,用以確定鉆頭位置及各項數(shù)據(jù),監(jiān)測鉆頭是否偏離設(shè)計軌跡。在造斜段鉆頭每鉆進(jìn)10cm 就測一次鉆頭的位置,在平敷段則每隔20cm 監(jiān)測一次。如果發(fā)現(xiàn)偏離軌道,就通過調(diào)整鉆頭斜面的方向進(jìn)行糾偏,但糾偏不能太急也不要過度。

（4）司鉆要認(rèn)真記錄鉆進(jìn)過程中的扭矩、推力、泥漿壓力，以便給擴(kuò)孔提供依據(jù)。

2.2.7 鉆進(jìn)操作的注意事項

（1）鉆桿的上、下接頭應(yīng)對正，邊緩慢給進(jìn)動力邊慢轉(zhuǎn)上扣不得擰得過緊。鉆桿上的螺紋應(yīng)潔凈，旋扣前應(yīng)涂上絲扣油，鉆桿直徑宜大于73mm，曲率半徑不應(yīng)小于鉆桿外徑的1200倍。彎曲和有損傷的鉆桿不得使用；

（2）鉆進(jìn)速度不宜過快,應(yīng)根據(jù)地層條件合理調(diào)定給進(jìn)力；

（3）造斜頂進(jìn)時,每次頂進(jìn)尺度控制在0.5m左右為好,曲線要緩；

（4）鉆桿內(nèi)不得進(jìn)臟物,以免堵塞鉆頭噴嘴；

（5）按規(guī)范開動鉆機(jī)后不要馬上用全負(fù)荷鉆進(jìn),而應(yīng)先進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn),待確定各部分運(yùn)轉(zhuǎn)正常后方可開始鉆進(jìn)。

2.2.8 擴(kuò)孔

（1）擴(kuò)孔操作過程:卸下導(dǎo)向鉆頭,在鉆桿尾端連接擴(kuò)孔器,開動鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)、回拉擴(kuò)孔器進(jìn)行擴(kuò)孔?；乩^程中須不斷加接鉆桿(始終保持鉆桿不能沒入孔洞中),擴(kuò)孔器回拉到入土點后卸下,再在出口工作坑的鉆桿尾端接上大一號的擴(kuò)孔器,如此多次逐級擴(kuò)孔直至預(yù)定孔徑，一般要求最終擴(kuò)孔孔徑是拖拉管道的1.3～1.5倍。

（2）在鉆桿回拉擴(kuò)孔過程中,需通過鉆桿注入泥漿,以減少摩擦,降低回轉(zhuǎn)扭矩和回拉阻力,同時泥漿還有固壁、防止孔洞塌方和冷卻鉆頭的作用。旋轉(zhuǎn)回擴(kuò)頭切削下來的泥土與膨潤土漿混合形成泥漿后流到出口工作坑的集漿坑里,實現(xiàn)了將土排出的目的。

（3）應(yīng)根據(jù)擴(kuò)孔過程扭矩及拉力的大小決定回拖前是否擴(kuò)孔。

2.2.9 管道預(yù)制

（1）管道預(yù)制中心線應(yīng)與水平定向鉆鉆進(jìn)軌跡在同一條支線上。如預(yù)制作業(yè)帶長度大于或等于穿越管道長度，則按一段預(yù)制；如預(yù)制作業(yè)帶小于穿越管道長度，則根據(jù)兩者關(guān)系，分兩段或多段預(yù)制，但應(yīng)盡量減少分段數(shù)量。

（2）管道預(yù)制包括運(yùn)布管、組焊、無損檢測、防腐補(bǔ)口補(bǔ)傷、單體清管試壓、電火花檢漏、封堵及拖拉頭焊接等工序，各道工序均在預(yù)制場地進(jìn)行。

（3）管道運(yùn)布管、組焊等工藝及技術(shù)質(zhì)量要求同主線路。設(shè)計有要求時，無損檢測除100%射線探傷外還須進(jìn)行100%超聲波探傷，射線探傷合格標(biāo)準(zhǔn)為Ⅱ級，超聲波探傷合格標(biāo)準(zhǔn)為100%，焊口不允許二次返修。

（4）防腐補(bǔ)口按正常要求施工外，還需在靠穿越側(cè)補(bǔ)口帶與原防腐層搭接處設(shè)置一道犧牲補(bǔ)口帶，以確保回拖過程原補(bǔ)口帶的質(zhì)量。所有補(bǔ)口、補(bǔ)傷位置均應(yīng)進(jìn)行電火花檢漏，檢漏電壓一般為15kv，以無漏點為合格。

（5）設(shè)計有要求時，穿越管段要求單獨進(jìn)行清管、測徑及試壓，清管次數(shù)不少于3次，以管內(nèi)無明顯雜物為合格；測徑采用鋁板+直板清管器進(jìn)行（鋁板10～12mm厚，直徑為最小管道內(nèi)徑的92.5%），測徑以測徑板無變形、褶皺為合格；試壓應(yīng)采用潔凈水為介質(zhì)，強(qiáng)度試驗壓力為設(shè)計壓力的1.5倍，穩(wěn)壓時間4h，以無泄漏為合格，嚴(yán)密性試驗壓力為設(shè)計壓力，穩(wěn)壓時間24h，以壓降不大于試驗壓力值的1%且不大于0.1Mpa為合格。

（6）管道試壓合格后，用清管器將管道內(nèi)游離水排凈，然后將管道兩側(cè)管口用封堵滿焊焊死?？看┰絺?cè)管端堵頭還須設(shè)置拖拉頭。

2.2.10 管道回拖

（1）管道回拖前應(yīng)開挖發(fā)送溝，發(fā)送溝的長度及深度應(yīng)滿足發(fā)送管道曲率半徑要求。

（2）管道回拖時各部件連接順序：動力頭—動力頭保護(hù)短節(jié)—鉆桿—擴(kuò)孔器—分動器—U型環(huán)—拖拉頭—管道。

（3）原則上要求擴(kuò)孔（或清孔）與管道回拖連續(xù)進(jìn)行，中間不允許有長時間的非作業(yè)停頓。

（4）回拖時鉆機(jī)應(yīng)先開泵打水，保證擴(kuò)孔器排漿暢通，當(dāng)擴(kuò)孔器快要入土?xí)r，鉆機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，通過鉆桿輸送泥漿到擴(kuò)孔器，一邊旋轉(zhuǎn)一邊回拉。

（5）回拉過程中要密切注意拉力、扭矩、水壓等參數(shù)的變化，要隨時關(guān)注現(xiàn)場有無異常情況出現(xiàn)，及時處理多余的泥漿，回拉整個過程要保持連續(xù)性。

（6）在管道即將入土位置設(shè)置防腐工檢漏，確保進(jìn)入孔道的管道防腐層無損傷、無漏點。

3 注意事項

（1）導(dǎo)向工作是施工中的一個重點，影響擴(kuò)孔、托管的質(zhì)量及速度，應(yīng)事先設(shè)計好所需的軌跡數(shù)值，使整個軌跡盡量形成一條平滑的曲線。導(dǎo)向過程出現(xiàn)偏差，不宜猛糾硬調(diào)。地面接收儀器精度不宜小于0.1。

（2）鉆機(jī)必須用地錨固定，如回拉力大，可在鉆機(jī)后方再設(shè)置一個地錨牽引。

（3）組裝鉆具時必須在插銷孔中穿入鐵絲固定，以防止螺母在回拖過程中松動脫落。

（4）要保持孔內(nèi)清潔，不要殘留過多鉆屑，清孔時宜采用擠壓式擴(kuò)孔器，操作鉆機(jī)時應(yīng)“慢拉快轉(zhuǎn)”。

（5）在回拖過程中要時刻注意兩側(cè)的返漿現(xiàn)象，如果沒有返漿，要分析實際原因。

（6）拖管時由于客觀原因限制中途需要停頓時，要隔一段時間向孔中發(fā)送一次清洗液，不能使孔內(nèi)壁的殘留鉆屑失水后抱死管道。

（7）鉆進(jìn)、擴(kuò)孔和回拖過程中，要采取措施（如砌筑泥漿池等）防止泥漿外流，施工結(jié)束后應(yīng)由具有相應(yīng)資質(zhì)的單位處理泥漿。

水平定向鉆拖拉法施工避免了傳統(tǒng)開挖施工對居民生活的干擾,對交通、河道、環(huán)境、周邊建筑物基礎(chǔ)的破壞和不良影響，適應(yīng)環(huán)保的各項要求；施工受季節(jié)影響小，具有施工周期短、勞動強(qiáng)度低、成功率高、施工安全可靠等特點，且占地少、工程造價低、進(jìn)出場地速度快，施工場地可以靈活調(diào)整，尤其在城市及近郊施工時可以充分顯示出其上述優(yōu)越性。這些優(yōu)勢使得該技術(shù)在長輸管道敷設(shè)施工中具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 《油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范》GB50369-2014

2 《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》GB50424-2007

3 《水平定向鉆進(jìn)管線鋪設(shè)工程技術(shù)規(guī)范》