復雜地層下水平定向鉆施工技術

董智杰

（河北省水利工程局，石家莊 050000）

1 工程概況

磁縣和諧大道污水管道穿越南水北調(diào)中線工程位于和諧大橋北側，與南水北調(diào)中線總干渠 （樁號18+790.89）相交，穿越管道的水平投影長347.62m，管頂距渠底最小距離13m。穿越管道采用外套鋼塑復合管內(nèi)穿PE管，鋼塑復合管管徑DN700mm，鋼筒外徑720mm，壁厚14mm。

該管線穿越區(qū)域地層復雜，參雜一定厚度的卵石地層。該工程區(qū)地層巖性主要為：上第三系中新統(tǒng)湖積（N1）黏土巖、砂巖、礫巖、細砂，第四系中更新統(tǒng)下段冰磧（glQ12）泥礫、細砂，其中上第三系中新統(tǒng)與上覆地層呈不整合接觸。

2 施工難點

水平定向鉆施工技術目前存在許多問題，其技術理論主要基于成熟的盾構施工，在工程應用方面，不同的工程地質(zhì)條件對水平定向鉆施工工藝方法不同，穿越工程路徑較長，在不同地質(zhì)層下穿越目前沒有合適水平定鉆施工技術方法能夠解決，尤其在本工程地質(zhì)條件下施工非常困難，工程所處場地有一定局限性，存在一定風險。穿越設備比較昂貴。目前水平定向鉆技術施工只是基于其他類非開挖施工技術的市政規(guī)范進行，沒有合適的施工設計標準，單純憑借施工經(jīng)驗去驗證完善理論、標準及規(guī)范。

3 施工方案

3.1 施工工藝流程

采用水平定向鉆施工技術需要提供安放設備場地和放置管線的足夠空間場地，提供給機械設備較大的放置面積，通常鉆進設備周邊預留面積要滿足一根鉆桿長度的操作，檢查鉆進設備有無雜物，保證能正常起吊。設備也可分開擺放，留出較小的面積放置可分離的設備。應提供足夠長的空間便于鋪設管道的連接。穿越工程的設計，應盡量設法將欲鋪設的全長度管線一次性拉入，并盡可能地避免水平方向的彎曲，多次回拉連接管線會增加施工風險。但多數(shù)工程由于穿越路徑太長，均需要采用“二接一”的工藝。鉆機進出口基坑的開挖及注入泥漿的使用池也要布置。水平定向穿越進場前后必須進行地下管線及地下障礙物的仔細探查，并做詳細記錄；進行現(xiàn)場信號干擾探測，明確干擾源或干擾區(qū)域。

水平定向鉆穿越施工流程主要包括施工準備、精確導向、鉆導向孔、逐級擴孔、鋼管焊接、焊口檢測、水壓試驗、管道發(fā)送、管道回拖及竣工驗收等。定向鉆穿越施工工藝流程如圖1。

圖1 定向鉆穿越施工工藝流程

3.2 鉆機選擇

眾多工程實踐表明鉆機的選擇要依據(jù)回拖力的大小，根據(jù)地層條件、工程參數(shù)來準確計算回拖力?；赝狭Σ粌H可作為鉆機的選擇因素，并關系著定向鉆工程后期管道安裝設計、 泵送泥漿壓力等工程參數(shù)的設計。本工程采用柔性管道模型，凈浮力法計算回拖力，鉆機選型HY-3000型鉆機。

3.3 泥漿壓力的確定

施工過程中泥漿壓力的控制非常關鍵，壓力太大超過土體的最大允許壓力值，則可能造成土體塑性區(qū)貫通到地面，產(chǎn)生冒漿，使土體遭到破壞，嚴重影響工程施工，冒出到地表的漿液也會對環(huán)境造成影響；壓力太小，則達不到平衡地應力、便于鉆頭切削土層的目的，對維持孔壁土體穩(wěn)定及鉆頭鉆井不利。以往通過經(jīng)驗公式計算得到的泥漿壓力，因經(jīng)驗公式無法充分考慮實際現(xiàn)場的地質(zhì)情況，而地層特性又是影響最大允許泥漿壓力的重要因素，所以本工程采用有限差分計算軟件FLAC3D建立孔洞開挖模型，對水平定向鉆的擴孔過程進行數(shù)值仿真模擬，通過模擬開挖過程中孔洞周圍土體在不同泥漿壓力作用下的塑性區(qū)擴展情況來確定施工時的泥漿壓力，如圖2，圖3。

圖2 開挖模型

圖3 孔洞內(nèi)施加環(huán)向泥漿壓力

在孔壁上施加逐漸增加的泥漿壓力，當泥漿壓力超過0.3MPa后，x擬結果得出孔壁的上下部塑性破壞發(fā)展十分劇烈。當泥漿壓力繼續(xù)增大，產(chǎn)生水壓劈裂，泥漿沿裂隙溢出地表，對工程安全造成極大影響；反之，壓力太小，泥漿攜帶土屑的能力不足，開挖掉的土沉積在孔洞之中，另外泥漿也失去了護壁的效果。根據(jù)計算機模擬，當泥漿壓力在0.2～0.3MPa這個范圍時，土體的塑形破壞范圍在1倍孔徑內(nèi)，不會對工程的安全造成損害。根據(jù)試鉆結果，最后泥漿的壓力設定為0.3MPa。

3.4 鉆導向孔

本次工程選擇七分螺形狀的鉆頭以射流的方式掘進。鉆進過程中高壓泥漿的沖攝作用形成鉆孔，通過一定的傾斜角鉆頭掌握鉆導向孔。初始鉆進時，鉆頭通過動力設備的驅(qū)動下開始轉(zhuǎn)動，不斷掘進土層；在鉆進過程中，邊使鉆頭回轉(zhuǎn)邊給進則鉆進的方向會呈直線變化，而鉆頭給進的同時，回轉(zhuǎn)停止則會使鉆進方向傾斜。鉆頭的位置和方向是通過其內(nèi)部的精確儀器來確定和追蹤的。每當鉆桿鉆進結束后，都要對鉆頭進行檢查，對下一根鉆桿進行鉆進導向的參數(shù)調(diào)整，以確保鉆進過程形成鉆孔姿態(tài)達到預期目標要求。導向孔施工路線如圖4。

圖4 導向孔施工

控向系統(tǒng)采用世界上最先進的paratrack2系統(tǒng)和人工輔助磁場相結合的方法，確保穿越的精度。為防止鉆孔時導向孔與設計穿越曲線偏移，本工程采取了以下技術措施。

3.4.1 精確放線工作

采用先進的全站儀對鉆進導向標出精確路徑，給定向鉆設備劃定場地，保證鉆機鉆頭入土點、出土點及鉆機中線在相同軸線上。每隔9.6m布設樁號，并測出標高。按照設計坡度計算出各樁點的管底標高，再計算鉆孔軌跡線上的樁點軌跡高程，最后計算出鉆孔在該點深度及鉆孔斜度，將偏差減小到最小。

3.4.2 樁點位置測量

將測得的數(shù)據(jù)與設計導向曲線對照，有無偏差，并及時調(diào)整。對于彎曲段鉆進要滿足管線的曲率半徑，按照每3～5根鉆桿一組，時刻觀察導向軌跡，確保鋪設管線的方位準確無誤。

3.4.3 導向孔嚴格按設計曲線鉆進

鉆進過程中，鉆桿角度變化要滿足曲率半徑及規(guī)范的要求誤差之內(nèi)。以相鄰3根鉆桿為1組，鉆出1條圓滑曲線。在整個鉆進過程中必須保證定向手、司鉆手及施工關鍵技術人員的交流暢通。以便對異常情況進行匯報，及時溝通處理突發(fā)狀況，完成定向鉆孔工程。

3.5 擴孔

當鉆頭在預計出土點出土后，進行拆卸鉆具換裝鉆桿，安裝擴孔器。擴孔器入洞前噴射泥漿，以便檢查水嘴是否暢通，在確定一切正常的情況下，開始進行定向鉆的擴孔作業(yè)。擴孔施工如圖5。

本次水平定向鉆穿越工程采用5級擴孔+6級洗孔，選用51/2″S-135鉆桿，如表1。

圖5 擴孔施工

表1 5級擴孔

當5級擴孔結束后，擴孔效果是否滿足要求，如不滿足要求，需再次擴孔修整。本工程鋼管回拖擴孔直徑為φ720mm。

擴孔作業(yè)按照高轉(zhuǎn)速、 小進尺的要求盡量減少破碎巖石碎屑的產(chǎn)生。將形成的細碎巖屑通過泥漿作用運輸至地面或就近流入地層裂縫，保證孔洞的干凈。若鉆孔過程中洗孔數(shù)據(jù)發(fā)生異常，則應立即停止擴孔，待排除隱患后再進行作業(yè)。

在完成每一級擴孔后進行洗孔，根據(jù)地質(zhì)條件及上一級的擴孔情況確定下一級的擴孔參數(shù)。

設置帶泥漿噴嘴長錐桶式扶正器，這樣可以保證整體組合所受浮力正常，使導向擴孔更加精確，能防止卡鉆、損壞鉆進等設備的損害。

3.6 管線回拖

整個水平定向鉆穿越工程最后要進行的是管道回拖步驟，為方便以后管道的檢修和更換，該工程采用先回拖直徑720mm、壁厚14m的套管，再在套管中回拉排污管線。在鋼管回拖前已經(jīng)全部焊接完畢，并按設計要求進行了水壓試驗； 托管接頭與鋼管受拉端焊接完畢，并經(jīng)超聲波無損探傷檢驗合格。用鉤機配合安裝擴孔器、萬向旋轉(zhuǎn)接頭、“U”型環(huán)，并將擴孔器與鋼管用分動器連接牢固，檢查合格后，在吊車與鉆機旋轉(zhuǎn)牽引的配合下，將焊接完成的管道拖入已成形的軌跡孔洞。

本次管道回拖采用管溝發(fā)送。在鉆孔出口處，發(fā)送溝挖成斜坡，放坡角度與管線出土點的角度一致，避免管道回拖時與鉆孔形成較大的夾角，減小回拖初期在出口處的絞盤效應。

穿越管段鋼管焊接完畢后，沿穿越中心線開挖發(fā)送溝，溝內(nèi)無石塊、樹根等硬物，然后將管道第一段吊入溝內(nèi)。挖溝時，表層土放置在下層，深層土放置在上層。用水泵將管溝中的泥漿水抽出，確保管溝的斷面尺寸施工要求。

3.7 管道連接

因為施工現(xiàn)場管道入土點附近空間較小，不能放置全部管線。所以本次以平行方式布置，將管道兩節(jié)并一節(jié)進行管道回拖作業(yè)。當?shù)谝还?jié)管道即將完全回拖入孔時，使用吊車將第二節(jié)管道吊入發(fā)送溝，利用機械對兩節(jié)管道進行對口，臨時加固。

3.8 渠道兩側滲壓監(jiān)測

由于施工時需要對孔洞內(nèi)注漿，漿液會從孔壁滲入到周圍土體，這種情況下會導致地下水位發(fā)生變化。如果水位波動太大，則會造成渠底應力發(fā)生變化，對渠道穩(wěn)定帶來影響。本次在渠道兩側預先打孔，使用吊錘對水位變化進行監(jiān)測。通過定期監(jiān)測，整個施工過程中地下水波動很小，東側水深穩(wěn)定在7.91m，西側水深穩(wěn)定在7.66m，基本不會對渠道基底產(chǎn)生應力。

4 結語

本工程針對卵礫石地層定向鉆施工工藝進行了分析，制定了合理的施工方案，平穩(wěn)穿越了正在運行的南水北調(diào)總干渠，為卵礫石地層的水平定向穿越項目的施工提供了寶貴經(jīng)驗，具有很好的借鑒作用。