摘要：在大口径天然气管道铺设过程中，水平定向钻不需要地面“开膛破肚”、管沟开挖就可以完成管道铺设，具有施工周期短、效率高、不影响交通、不破坏环境、安全性好等优点，因此在城市道路、山区、河流和地面障碍穿越中应用较为普遍，发展迅速。然而在面对需要铺设距离长，管径大且复杂地层环境下，特别是硬度较大的岩石地层，常规的水平定向钻施工方案即用传统钻机、钻杆和扩孔器的施工方式，扩孔孔径小，效率低，本文结合具体项目实践，创新性地提出了水平定向钻穿越硬质岩层大口径管道正向扩孔施工工法，解决了传统钻机回转扩孔施工弊端，具有较好的推广应用价值。
关键词：水平定向钻 硬质岩层 天然气管道 正向扩孔 施工工法
0 引言
随着我国经济的持续稳定发展，我国的基础设施建设工程也越来越多。地下管线是一个城市赖以发展的“生命线”，因此地下管线的施工方案和建设水平常常标志着一个国家的基建能力和现代化水平。传统的地下管线施工技术采用开挖施工法，这种方法对地面交通影响极大，而且由于开挖土方量大，带来的环境污染问题越来越受到人们的关注，因此在绿水青山就是金山银山的今天，从某种意义上来说这种施工方法并不适合社会的长远发展。近些年发展迅速的非开挖技术很好弥补了这些缺点，水平定向钻属于非开挖工艺中的一种，具有施工周期短、效率高、不影响交通、不破坏环境、安全性好等优点，因此在城市道路、山区、河流和地面障碍穿越中应用较为普遍，发展迅速。但是常规的水平定向钻施工方案即用传统钻机+钻杆+扩孔器的施工方式，扩孔孔径小、扩孔扭矩小、扩孔级差小、钻进效率低、钻杆断裂和牙轮脱落等事故多、风险大，施工速度慢、工期长，笔者在工程施工中通过实践应用、创新研究、分析总结形成了水平定向钻穿越硬质岩层大口径天然气管道正向扩孔施工工法，很好地解决了上述问题。
1 工法特点及适用范围
1.1 工法特点
⑴本施工方法相对于常规的水平定向钻利用传统钻机、钻杆和扩孔器反向扩孔的施工方法而言，其推进动力大，钻进扭矩大，扩孔级差大，钻头抗频繁冲击能力强，尤其避免了反向扩孔时由于钻杆在预先的长距离导向孔中与周围土产生的摩擦力过大而形成了动力损失。所以在面对复杂地层环境，尤其是硬岩地层，不需要频繁多次扩孔，可以实现一次扩孔和大极差扩孔，极大的减少了施工周期，降低了施工风险，其经济实用性好，有效增加了在各种地层环境下水平定向穿越的成功率。
⑵动力钻具采用独有的钻具与扩孔器一体化设计，主要由螺旋马达、万向轴、传动轴和岩石扩孔器构成，在岩石扩孔器（主要为牙轮式扩孔器、滚轮式扩孔器或复合扩孔器）后有一个高压泥浆马达作为正向扩进的主动力，通过后面连接的钻杆运输高压泥浆驱动阿基米德螺旋马达转子旋转，在通过万向轴、传动轴驱动岩石扩孔器进行破岩。
⑶正扩定向穿越，扩孔时与预先钻好的导向孔相容性好。其泥浆马达既作为推进工具，又作为造斜工具，其方向控制是通过位于钻头后面1.5m处的一个最大不超过3度（一般用1.75度）弯曲的弯头实现的。基于这种钻进特点，本施工方法可以实现在岩石地层上进行多维度转向调整，提高了钻进效率。
⑷所用机具除了动力钻具为专用设备外，其他均为通用设备，相较于常规的水平定向钻施工方法，本工法适用性广，尤其是适合硬岩和复杂地层穿越，具有现场使用方便、经济适用性好等特点。
1.2 适用范围
本工法适用于市政道路、穿越公路线、穿越铁路线、穿越江河及其它不宜在大开挖施工地段的管道穿越工程，特别是需要进行大口径、长距离、复杂硬岩地质环境下的定向穿越工程。
2 工艺原理
当前的水平定向钻穿越地层铺管技术是通过定向钻机、导向钻头、扩孔钻头和导向仪等施工设备，按照预先扩好的先导孔，卸下导向钻头换上扩孔钻头进行反向扩孔，同时将铺设管线拉入钻孔。但是在面对大口径、长距离、复杂地质硬岩穿越时往往由于反扩时动力损失造成推进效率低，并且钻具难以满足高扭矩、强推拉、频繁冲击和长寿命、高安全的使用要求，因此先进适用的水平定向钻动力扩孔钻进关键技术一直是管道定向穿越中难以解决的世界级难题。本施工方法中钻进工具是采用了钻具与扩孔器一体化设计，动力钻具置于扩孔器后端（或前端），首先按照设计的钻孔轨迹( 一般近似弧形 )，采用非开挖水平定向钻先施工一个符合轨迹的导向孔，待导向孔钻头贯穿出钻后，卸下导向钻头换上动力钻具及岩石扩孔器，钻具后方连接钻杆且在钻杆上安装有空心扶正器加以扶正，利用钻杆运输高压泥浆作为动力，在高压泥浆的作用下驱动螺杆马达转子旋转，马达转子通过万向轴、传动轴驱动岩石扩孔器正向破岩。
3 工艺流程
具体工艺流程为：①施工准备；②现场勘查、测量放线；③导向孔轨迹设计；④水平定向钻机和钻杆选择；⑤导向孔施工；⑥正向动力扩孔施工；⑦清孔及试回拖施工；⑧管材选择及回拖铺管；⑨现场清理；⑩撤场。
4 施工操作关键步骤
4.1 现场勘察、测量放线
⑴测量、放线流程工序见图1；
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图1 测量、放线流程工序图
⑵测量、放线由参加接桩的测量技术人员主持，测量仪器应经法定计量部门校验合格且在有效期内方可使用；
⑶根据线路平面图、断面图、线路控制桩、水准标桩采用全站仪进行测量放线，根据设计图纸和设计交桩的具体位置，确定穿越轴线、定向钻穿越的入钻点、出钻点以及穿越场地的位置和范围。宜采用全站仪进行测量，测量放线中应对测量控制桩采取全过程保护；
⑷施工测量放线工作要严格遵守测量标准规定，及时收集、整理测量放线记录和有关穿越测量资料，妥善保管，作为后续有关工序的指导、检查、验收依据。在设计给定的控制桩位置和穿越轴线的范围内进行物探，确认地下障碍和管线分布。确保钻机中心线符合轨迹设计要求，以保证穿越施工安全、顺利的进行。
4.2 导向孔轨迹施工设计
⑴确定钻孔类型和钻孔轨迹的形式：钻孔类型和钻孔轨迹形式主要考虑的因素有管材选择、敷设深度和线型要求，工程地质、钻机回转扭矩和回拖力、现有管道物探资料、地上附着障碍物、山体或者水体上覆层厚度、施工难度和经济性指标等条件。
⑵确定出入土点和造斜段：钻机侧为入土点，对向为出土点；造斜段是导向孔出入土点和水平段之间的倾斜段落，造斜段和水平段之间需要满足管线回拖的曲率半径要求。
⑶确定钻孔轨迹参数：参数包括造斜段长度、倾角，水平段长度、深度，钻孔轨迹的合理设计和精确施工，是管线能否成功回拖的关键。
4.3 正向动力扩孔施工
正向扩孔技术，是扩孔的主体工作动力主要依赖钻头+马达的一体化系统，可以大大提升钻进效率，钻机起辅助作用，这样可以避免单纯钻机回转扩孔时钻杆阻力过大的问题，工作系统图2所示：
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图2 正向扩孔工艺流程图
5 应用案例和效益分析
北京西六环中段天然气工程位于北京市门头沟区西六环路以东，军庄镇西山林场范围内，有林场防火公路沿隧道地表通过，交通条件不便利，隧道穿行于丘区，地形起伏大，海拔高程140m-370m,相对高程15-250m，山坡坡脚20°—45°，山坡处多基岩裸露，山间谷地内覆盖碎石土，植被茂密。主管为φ1016mm×17.5mmL485M钢管；光缆套管为φ114mm×8mm无缝钢管；光缆套管平行于主管，间距10m。穿越水平直线长度1911.2米。本工程穿越岩层坚硬，岩层主要为中风化凝灰质砂岩和凝灰质砾岩，其中Ⅱ级围岩370m，Ⅲ级围岩1200m,最大单轴抗压强度125MPa,平均值46.4MPa。穿越长度长孔径大，定向钻穿越长度为1911米，最大孔径为1.37 米。
传统钻机+钻杆+扩孔器的施工方式，扩孔扭矩小、扩孔级差小、钻进效率低、钻杆断裂和牙轮脱落等事故多、风险大。本工程采用正扩孔施工技术，与传统工艺经济效益对比见表1，项目节约工期约2个月，共取得经济效益2月×300万/月=600万元。
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6 结语
水平定向钻穿越硬质岩层大口径天然气管道正向扩孔施工工法成功应用于北京西六环中段天然气工程项目和清远港华燃气有限公司高压燃气管道定向钻穿越北江工程，成功在复杂地层环境下铺设了大口径长距离管道，取得了显著的经济及社会效益，应用前景广阔。相较于传统水平定向钻施工方法，正向扩孔施工法具有扩孔效率高、适用性好、施工周期短、安全性高等技术优点，在非开挖水平定向钻领域具有良好的发展空间及应用前景，具有一定的推广应用价值。
参考文献：
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作者简介：张启国（1964.11—），男，高级工程师，主要研究方向为地质工程。
基金项目：2019年度安徽省住房城乡建设科学技术支撑计划“硬岩伴破碎带地层大口径水平定向钻燃气铺管工艺关键技术研究”（2019YF-29）