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水平定向钻穿越砂砾层敷管工艺实践杨彦平

发表时间：2020/6/11 来源：《基层建设》2019年第34期作者：杨彦平

[导读] 摘要：水平定向钻施工技术应用日益广泛，施工技术逐渐成熟，现已成为暗敷中、小直径管道常规工艺。

        中铁上海工程局集团第六工程有限公司云南昆明 650000
        摘要：水平定向钻施工技术应用日益广泛，施工技术逐渐成熟，现已成为暗敷中、小直径管道常规工艺。但是，在工程案例中也出现在砂砾地层穿越容易形成卡钻、成孔困难的技术难题。本文以昆明市官渡区姚安河水质提升工程为例，该项目成功采用水平定向钻敷设PE管线穿越砂砾层，取得了实践经验成果。
        关键词：水平定向钻；穿越；砂砾层
        1 工艺特点
        1.1 成孔质量可控
        应用特殊配合比的化学膨润泥浆，保证了水平定向钻在砂砾层中穿越成孔、固孔的质量。
        1.2 标高控制准确
        施工中适当降低导向孔标高，以有效克服因施工扰动砂砾层使砂体产生自由下坠和流动对每级扩孔产生向上的推力，从而使所敷设的管道的标高符合设计要求。
        1.3 安全可靠
        能有效保证水平定向钻在地下砂砾层穿越施工时毗邻环境的安全。
        1.4 具有水平定向钻施工工艺共同特点
        如工期短、施工场地可灵活调整且用工少；施工进出场快；施工不受季节性限制；具有显著的社会效益和环保优势等。
        2 适用范围
        适用于穿越公路、铁路、建（构）筑物、河流等不允许或不适宜进行开挖施工的地段，敷设中、小直径（即直径在1m及其以下）的石油、天然气、煤气、电缆及供水、排水等管道；所敷设的管材为钢管、HDPE管、PVC管等。
        3 工艺原理
        水平定向钻地下穿越砂砾层的施工工艺原理，与水平定向钻穿越其它地层施工工艺原理基本相同，不同之处在于：一是依据地质勘察资料及试验检测数据中砂砾层砂的细度模数、地层含水量及所敷设管道的直径等来确定降低导向孔钻进标高控制点的高程；二是改变化学膨润泥浆液的配合比，以此改变“马氏漏斗”粘度、失水量、PH值等技术参数，保证水平定向钻穿越砂砾层时成孔、固孔质量。
        4 施工工艺及操作要点
        4.1 施工工艺
        昆明官渡区姚安河水质提升工程，补水采用压力管道，管段材质分为D630×8焊管和DN600PE管。水平定向钻穿越城市道路饵季路（路面宽度45m）及河道（河宽15.5m）。下穿段采用DN600PE管，设计长度180m，道路下方土层中富含砂砾石。下穿施工平面布置示意如图1所示。

        图1 水平定向钻穿越公路、河道（全断面砂砾层）平面布置示意图
        4.2 施工工艺过程
        4.2.1 钻导向孔
        依据导向孔造斜长度及入、出土倾角计算公式（参见（1）和（2）公式）和已确定的导向孔控制点下降标高，水平定向钻钻头带动钻杆从入钻工作坑钻入地下并从安管工作坑出土，完成导向孔钻进施工。
        4.2.2 钻扩孔
        在安管工作坑拆除钻头，在钻杆上安装回扩器（回扩器由回扩装置和切削刀盘等组成）进行回拖扩孔施工。在回拖扩孔施工过程中，切削刀盘旋转前进切削砂体完成扩孔。施工中，将配置好的专用化学膨润泥浆液通过钻机上的高压泥浆泵、钻杆上的泥浆注浆系统喷射注入到扩孔作业面。在扩孔器旋转前进切削砂体的过程中，同时将切削下的砂土与专用化学膨润泥浆液搅拌成化学膨润泥浆。化学膨润泥浆在回扩器旋转前进产生的离心力和挤压力的共民作用下，将化学膨润泥浆挤入孔壁周围的砂体中，并与孔壁周围的砂体形成稳固的孔体护壁。剩余大部份化学膨润泥浆随回扩器回拖被带出入钻工作坑。分级扩孔按上述施工方法施工。
        回拖扩孔施工过程中，在入钻工作坑分节拆除并回收钻杆，同时在安管工作坑分节安装同等数量的钻杆，以保证在导向孔内逐级扩孔回拖敷设管道之前，钻杆始终贯穿在孔内。
        水平定向钻穿越砂砾层施工过程中，为了减小钻杆的扭矩和回拖阻力以及对施工对砂砾层的扰动，回扩器上的旋转切削刀具应选择和使用密集的小齿牙和小号切削刀盘，小齿牙和小号切削刀盘回扩器示意图如图2所示。

        图2 小齿牙和小号切削刀盘回扩器示意图
        4.2.3 回拖敷设管道
        逐级扩孔达到设计敷设管道直径的1.25～1.5倍后，在安管工作坑将回扩器与分动器及所敷设的管道连接起来，由水平定向钻回拖至入钻工作坑完成管道敷设。
        4.3 操作要点
        由于砂砾地层土类属于无粘性土且富含地下水并处于平衡状态。当遇水平定向钻钻导向孔、扩孔、拖管等施工扰动时，破坏了砂体和承压水原有的平衡，此时砂体涌水量突然增加，在承压水涌水的作用下，粉砂、细砂形成流动的液态砂砾；由于地下水长时间浸泡使砂砾地层内聚力消失，砂体极易出现塌方。因此主要施工操作要点为：
        4.3.1 砂砾层中轨迹控制
        钻导向孔是水平定向钻穿越砂砾层施工的第一道关键工序，钻进过程中主要是控制其轨迹和标高控制点高程。
        4.3.1.1 导向孔造斜长度及入、出土倾角计算
        水平定向钻穿越砂砾层轨迹控制与水平定向钻穿越其它地层轨迹控制基本相同，主要是控制钻头与水平面的入土倾角α1及造斜长度L1，其计算公式为：

        4.4 专用化学膨润泥浆液配合比控制
        4.4.1 专用化学膨润泥浆液材料选择
        水平定向钻穿越砂砾层施工所用的专用化学膨润泥浆液必须具有一定的密度，搅拌成为化学膨润泥浆才能平衡砂砾层压力，且应有一定的固相含量（主要来自于纳基膨润土），同时其固相含量不能过多，否则会影响水平定向钻的钻进和回拖扩孔以及回拖敷设管道的速度并增大其阻力。专用化学膨润泥浆液是在低固相泥浆的基础上，加入适当添加剂，通过合理调整专用化学膨润泥浆液的配合比，以改变其综合性能，使化学膨润泥浆能满足水平定向钻穿越砂砾层施工的性能要求。
        配制专用化学膨润泥浆液的主要原材料如下：
        ①纳基膨润土；②HDD高分子聚合物；③羟基纤维素；④清洁的淡水
        4.4.2 专用化学膨润泥浆液配合比，如表2所示

        注：以上数据均以1000L水配制专用化学膨润泥浆液为标准。
        从表2专用化学膨润泥浆液配合比控制表中可以看出，随着纳基膨润土、HDD 、羟基纤维素各成分含量的增加，其粘度均呈现增长的趋势，失水量均呈现降低的趋势。
        施工中预先试配并确定护壁用专用化学膨润泥浆液最佳配合比。配合比中“马氏漏斗”粘度控制35～45 S之间，可以通过调整纳基膨润土、HDD的用量来控制“马氏漏斗”粘度；失水量控制在12～14ml之间，就通过增减用水量来控制失水量；PH值控制在7.0～8.0中性或弱碱性之间，用PH试纸检测专用化学膨润泥浆液的PH值。若发现PH值偏大或偏小，可以通过适当增加或减小烧碱（NaOH）的用量来调节。
        4.5 砂砾层中回拖敷设管道阻力计算
        所敷设的管道回拖控制是水平定向钻穿越砂砾层施工技术中的最后一道关键工序，也是实现非开挖敷设管道目标的最后一步。当在砂砾地层中穿越施工时，地下水位的位置是影响砂砾层砂体稳定的重要因素之一。作用在管道上的地下水垂直压力越大，其拖管的阻力也越大，具体计算公式如下：
        地下水位对管道的垂直正压力计算公式：
        P=rh1+（r-rw）hw+rwhw        （3）
        式中：P—管道上的垂直正压力（KN/m）；
        rw—水的容重（KN/m3）；
        h1—地下水位以上覆土厚度（m）；
        hw—施工位置到地下水位的高度（m）；
        管道的回拖阻力计算公式：
        W＝[2P（1+K）+P0]fL        （4）
        式中：W—管的摩擦力（KN）；
        P—管道上的垂直正压力（KN/m）；
        K—主动土压力系数；
        P0—管的重量（KN/m）；
        f—管壁的摩擦系数；
        L—管道的长度（m）；
        4.6 水平定向钻穿越砂砾层容易出现问题的处理方法
        4.6.1 遇小粒径孤石
        主要处理方法是：操作水平定向钻机的机手通过对钻机控制杆的机手感和操作经验，操作回扩器在孔内反复、来回清孔，把障碍物挤压到砂砾层下部，从而实现顺利穿越。
        4.6.2 遇砂砾层砂体塌方形成卡管
        短距离卡管可以采用直接拔管后重新钻进回以解决；长距离的卡管，在卡管位置做沉管井清孔，清孔的速度要快，防止二次卡管。
        4.6.3 水平定向钻穿越砂砾层容易出现问题解决的辅助措施
        水平定向钻穿越砂砾层施工长度达到200～300m时还必须在穿越上方开挖泄压孔以降低水平定向钻钻杆的扭矩和减少回拖敷设管道的阻力。
        5 结语
        本项目采用的工艺技术在质量、安全、环境、进度、成本等方面可控，施工期间，保证了周边居民的正常生活和企事业单位的正常工作，无施工扰民投诉，社会、经济、环保效益显著。