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(cè)，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(fù)合管內(nèi)穿PE管，鋼塑復(fù)合管管徑DN700mm，鋼筒外徑720mm，壁厚14mm。

該管線穿越區(qū)域地層復(fù)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(xì)砂，第四系中更新統(tǒng)下段冰磧（glQ12）泥礫、細(xì)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(diǎn)

水平定向鉆施工技術(shù)目前存在許多問題，其技術(shù)理論主要基于成熟的盾構(gòu)施工，在工程應(yīng)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(shù)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(fēng)險。穿越設(shè)備比較昂貴。目前水平定向鉆技術(shù)施工只是基于其他類非開挖施工技術(shù)的市政規(guī)范進(jìn)行，沒有合適的施工設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，單純憑借施工經(jīng)驗(yàn)去驗(yàn)證完善理論、標(biāo)準(zhǔn)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(shù)需要提供安放設(shè)備場地和放置管線的足夠空間場地，提供給機(jī)械設(shè)備較大的放置面積，通常鉆進(jìn)設(shè)備周邊預(yù)留面積要滿足一根鉆桿長度的操作，檢查鉆進(jìn)設(shè)備有無雜物，保證能正常起吊。設(shè)備也可分開擺放，留出較小的面積放置可分離的設(shè)備。應(yīng)提供足夠長的空間便于鋪設(shè)管道的連接。穿越工程的設(shè)計，應(yīng)盡量設(shè)法將欲鋪設(shè)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(fēng)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(jī)進(jìn)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(jìn)場前后必須進(jìn)行地下管線及地下障礙物的仔細(xì)探查，并做詳細(xì)記錄；進(jìn)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(zhǔn)備、精確導(dǎo)向、鉆導(dǎo)向孔、逐級擴(kuò)孔、鋼管焊接、焊口檢測、水壓試驗(yàn)、管道發(fā)送、管道回拖及竣工驗(yàn)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(jī)選擇

眾多工程實(shí)踐表明鉆機(jī)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(zhǔn)確計算回拖力。回拖力不僅可作為鉆機(jī)的選擇因素，并關(guān)系著定向鉆工程后期管道安裝設(shè)計、 泵送泥漿壓力等工程參數(shù)的設(shè)計。本工程采用柔性管道模型，凈浮力法計算回拖力，鉆機(jī)選型HY-3000型鉆機(jī)。

3.3 泥漿壓力的確定

施工過程中泥漿壓力的控制非常關(guān)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(yán)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(dá)不到平衡地應(yīng)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(yàn)公式計算得到的泥漿壓力，因經(jīng)驗(yàn)公式無法充分考慮實(shí)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(kuò)孔過程進(jìn)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(kuò)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(dāng)泥漿壓力超過0.3MPa后，x擬結(jié)果得出孔壁的上下部塑性破壞發(fā)展十分劇烈。當(dāng)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(hù)壁的效果。根據(jù)計算機(jī)模擬，當(dāng)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(jié)果，最后泥漿的壓力設(shè)定為0.3MPa。

3.4 鉆導(dǎo)向孔

本次工程選擇七分螺形狀的鉆頭以射流的方式掘進(jìn)。鉆進(jìn)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(dǎo)向孔。初始鉆進(jìn)時，鉆頭通過動力設(shè)備的驅(qū)動下開始轉(zhuǎn)動，不斷掘進(jìn)土層；在鉆進(jìn)過程中，邊使鉆頭回轉(zhuǎn)邊給進(jìn)則鉆進(jìn)的方向會呈直線變化，而鉆頭給進(jìn)的同時，回轉(zhuǎn)停止則會使鉆進(jìn)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(dāng)鉆桿鉆進(jìn)結(jié)束后，都要對鉆頭進(jìn)行檢查，對下一根鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)導(dǎo)向的參數(shù)調(diào)整，以確保鉆進(jìn)過程形成鉆孔姿態(tài)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)要求。導(dǎo)向孔施工路線如圖4。

圖4 導(dǎo)向孔施工

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

3.4.1 精確放線工作

采用先進(jìn)的全站儀對鉆進(jìn)導(dǎo)向標(biāo)出精確路徑，給定向鉆設(shè)備劃定場地，保證鉆機(jī)鉆頭入土點(diǎn)、出土點(diǎn)及鉆機(jī)中線在相同軸線上。每隔9.6m布設(shè)樁號，并測出標(biāo)高。按照設(shè)計坡度計算出各樁點(diǎn)的管底標(biāo)高，再計算鉆孔軌跡線上的樁點(diǎn)軌跡高程，最后計算出鉆孔在該點(diǎn)深度及鉆孔斜度，將偏差減小到最小。

3.4.2 樁點(diǎn)位置測量

將測得的數(shù)據(jù)與設(shè)計導(dǎo)向曲線對照，有無偏差，并及時調(diào)整。對于彎曲段鉆進(jìn)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(dǎo)向軌跡，確保鋪設(shè)管線的方位準(zhǔn)確無誤。

3.4.3 導(dǎo)向孔嚴(yán)格按設(shè)計曲線鉆進(jìn)

鉆進(jìn)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(jìn)過程中必須保證定向手、司鉆手及施工關(guān)鍵技術(shù)人員的交流暢通。以便對異常情況進(jìn)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(kuò)孔

當(dāng)鉆頭在預(yù)計出土點(diǎn)出土后，進(jìn)行拆卸鉆具換裝鉆桿，安裝擴(kuò)孔器。擴(kuò)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(jìn)行定向鉆的擴(kuò)孔作業(yè)。擴(kuò)孔施工如圖5。

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

圖5 擴(kuò)孔施工

表1 5級擴(kuò)孔

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

擴(kuò)孔作業(yè)按照高轉(zhuǎn)速、 小進(jìn)尺的要求盡量減少破碎巖石碎屑的產(chǎn)生。將形成的細(xì)碎巖屑通過泥漿作用運(yùn)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(yīng)立即停止擴(kuò)孔，待排除隱患后再進(jìn)行作業(yè)。

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

設(shè)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(dǎo)向擴(kuò)孔更加精確，能防止卡鉆、損壞鉆進(jìn)等設(shè)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(jìn)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(shè)計要求進(jìn)行了水壓試驗(yàn)； 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(yàn)合格。用鉤機(jī)配合安裝擴(kuò)孔器、萬向旋轉(zhuǎn)接頭、“U”型環(huán)，并將擴(kuò)孔器與鋼管用分動器連接牢固，檢查合格后，在吊車與鉆機(jī)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(diǎn)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(yīng)。

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?yàn)槭┕がF(xiàn)場管道入土點(diǎn)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(jìn)行管道回拖作業(yè)。當(dāng)?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(jī)械對兩節(jié)管道進(jìn)行對口，臨時加固。

3.8 渠道兩側(cè)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(dǎo)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(yīng)力發(fā)生變化，對渠道穩(wěn)定帶來影響。本次在渠道兩側(cè)預(yù)先打孔，使用吊錘對水位變化進(jìn)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(cè)水深穩(wěn)定在7.91m，西側(cè)水深穩(wěn)定在7.66m，基本不會對渠道基底產(chǎn)生應(yīng)力。

4 結(jié)語

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