小型定向鉆機(jī)大深度無信號穿越導(dǎo)向技術(shù)的應(yīng)用——以福州市馬尾區(qū)電力改造項(xiàng)目非開挖穿越青州橋工程為例

福建東辰市政工程有限公司 邱永忠

1 工程概況

福州市馬尾區(qū)電力改造項(xiàng)目是建設(shè)大馬尾經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要項(xiàng)目之一，本工程與馬尾港道路改造項(xiàng)目同步。雖然原工期較富余，但因?yàn)楝F(xiàn)場原有建筑的影響，施工隊(duì)伍多次易手，到我司接手時工期已感悵促。本工程總量:沿青州路中心線綠化帶穿越青州橋，鋪設(shè)Φ200mmPE電力專用套管14根，單根長186米，分二孔完成。我司從2009年1月5日進(jìn)入（設(shè)備是在6日晚進(jìn)場），非開挖工期至2009年1月18日，1月20日整個工程結(jié)束，以迎接新春佳節(jié)。

2 現(xiàn)場勘察

2.1 穿越地層的地質(zhì)概況

根據(jù)了解周邊建設(shè)工程的地質(zhì)勘察資料和現(xiàn)場工作坑開挖斷面情況，本工區(qū)穿越的地層如下:上部3.6m以上為舊時瀝青道路及建筑垃圾和塊石雜填，下部是粉砂質(zhì)粘土層，穿越地層對本次非開挖的鋪管施工影響不大。

2.2 穿越段的主要建筑

本次非開挖的目的是穿越青州橋，青州橋始建于上世紀(jì)80年代改革開放初期，隨著城市的不斷擴(kuò)大道路加寬加高，導(dǎo)致青州橋被抬高，基礎(chǔ)埋深變大。

2.3 原地下管網(wǎng)探測

非開挖施工前，對現(xiàn)場所有地下原管網(wǎng)進(jìn)行詳細(xì)的探查，全面收集原管網(wǎng)的資料，在現(xiàn)場地面標(biāo)注其平面位置和具體埋深及管線的性質(zhì)，防止施工時造成破壞。現(xiàn)場原有管網(wǎng)對本次施工沒有影響。

3 施工準(zhǔn)備工作

3.1 現(xiàn)場準(zhǔn)備

本項(xiàng)目因多次易手，鉆機(jī)擺放的地面被破壞，鉆機(jī)在地面不能有效固定。工期緊促，如果現(xiàn)制水泥墩地錨，最少浪費(fèi)5天寶貴的時間，為了搶時間趕工期，最后采取鐵箱灌水泥砂漿（鐵箱尺寸:長2.5m、寬1.3 m、高1.2 m）。鐵箱埋置地下，上部略低于地面0.1米，鉆機(jī)在鐵箱上部固緊。

回填入口工作坑鉆機(jī)入口段經(jīng)過前期施工方開挖障礙，工作坑總長度達(dá)11.6 m，深度3.8 m，鉆桿在入口段懸空總長度為13.5 m左右。過長的懸空會導(dǎo)致鉆桿在向前推的作用力下彎曲變形，在導(dǎo)向定位施工時對超長工作坑進(jìn)行回填。回填工作分為三步:①抽干坑內(nèi)積水，并清理坑內(nèi)塌方塊石；②坑內(nèi)下部用粘土回填并壓實(shí)；③用埋設(shè)鐵箱的棄土（雜填物）置于粘土上部再壓實(shí)。如下圖所示:

3.2 主要施工機(jī)具、設(shè)備需要計(jì)劃（見表1）

表1 主要施工機(jī)具、設(shè)備需要計(jì)劃

導(dǎo)向定位系統(tǒng)采用 Digitrak Eclipse步履式導(dǎo)向儀與ZT-35型非開挖鋪管鉆機(jī)配合施工。

Eclipse定位儀，因其精度高，傳感器發(fā)出的信號強(qiáng)，被譽(yù)為本行業(yè)最可靠的步履式定位系統(tǒng)之一。

ZT-35型鉆機(jī)技術(shù)參數(shù):鉆機(jī)輸出扭矩:14000N.m；輸出轉(zhuǎn)速:0～60rpm／0～120rpm (兩檔)；鉆機(jī)回拖力:350kN；給進(jìn)力:350kN；鉆桿規(guī)格:F73′3000；重量:10500kg；泥漿泵最大排量:320L/min；泥漿泵最高壓力:8MPa；動力:康明斯 160 kW/2200rpm；主機(jī)外型尺寸:7050′2280′2500（mm）。

4 鋪管施工

4.1 導(dǎo)向孔剖面軌跡設(shè)計(jì)

導(dǎo)向孔剖面軌跡，主要形式為斜直段→造斜段→平直段→造斜段→斜直段組成。本次非開挖的目的就是要讓電纜管道從青州橋的承壓臺下方穿越，而青州橋的承壓臺基礎(chǔ)雖經(jīng)努力均無從核實(shí)。業(yè)主、設(shè)計(jì)院與公路部門多方協(xié)定，穿越青州橋的深度不小于 13.0m，以保證港口進(jìn)出車輛的安全和管道的安全穿越。

4.2 平面軌跡

工程穿越的設(shè)計(jì)深度過大，加上穿越段的正上方原有電纜密布，儀器嚴(yán)重干擾，儀器的優(yōu)越性能無法充分發(fā)揮。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，深度超過6.5m左右時儀器將不能準(zhǔn)確定位其走向，深度超過9.0m左右時會出現(xiàn)完全無信號現(xiàn)象。為了避免所施工的管道相交或相近（平面中心線距離最少大于1.5m）造成管道破壞，本次平面的軌跡采用兩孔平行，進(jìn)出口中心間距1.8m。

4.3 導(dǎo)向施工

4.3.1 鉆機(jī)擺設(shè)

鉆機(jī)首先擺設(shè)于右孔（南側(cè)孔）,方向正對右孔中心線，鉆機(jī)就位入射傾角調(diào)整為-32%。

4.3.2 泥漿鉆液的配制

本次使用的泥漿干料是山東濰坊生產(chǎn)的非開挖專用膨潤土，導(dǎo)向施工時配制粘度用馬式漏斗測定，在30s之間。

4.3.3 施工導(dǎo)向孔

將信號棒裝入導(dǎo)向鉆頭，校準(zhǔn)儀器后開鉆。導(dǎo)向定位工作分為三個階段:

（1）在較淺層—深度6.5m以內(nèi)穿越段，以－30～－32%之間向下直線鉆進(jìn)，鉆進(jìn)總長約 20m，同時每鉆進(jìn) 1.5m即暫時停鉆，準(zhǔn)確測量鉆頭的具體位置和傾角，并記錄在案，鉆頭的走向（鉆孔方向）用油漆標(biāo)注在地面，核對是否會偏移。

（2）較深段—深度6.5～9.0m以內(nèi)穿越段施工，本穿越段只改變鉆孔的弧度（傾角）和深度。根據(jù)非開挖鉆進(jìn)的特性，在均勻地層中回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，其孔徑方向呈直線前進(jìn)。孔徑改變是導(dǎo)向系統(tǒng)指導(dǎo)導(dǎo)向鉆頭的操作來完成的。對導(dǎo)向鉆頭施加推力，通過鴨嘴斜掌和鉆頭之間形成一個傾角，如下圖:

根據(jù)斜掌掌面朝向不同，引導(dǎo)導(dǎo)向鉆頭改變軌跡。月什導(dǎo)向系統(tǒng)中，放置于鉆頭內(nèi)的發(fā)射信號棒，其一周圈按 24等分，在行業(yè)內(nèi)稱時鐘，以12個整點(diǎn)和各半點(diǎn)顯示。鉆孔改變方向的特性是以正面面對時鐘方向，如下圖:

顯示 “12”和“6”為向上和向下改變傾角，平面走向不變；“3”和“9”為向右和向左彎曲并且保持傾角不變； “12.5—2.5”為向上并向右改變方向、“3.5—5.5”為向下并向右改變方向、“6.5—8.5”為向下并向左改變方向、“9.5—11.5”為向上并向左改變方向，平面走向和傾角均變化。在這個穿越段的深度是以測量距離的參數(shù)結(jié)合計(jì)算值作鉆孔的深度，儀器雖然不能對鉆孔的走向做出精準(zhǔn)測量，但鉆孔方向以深度極小值點(diǎn)作參考。準(zhǔn)確記錄面向角12點(diǎn)鐘時，鉆頭每勻速向前推進(jìn)0.5 m、1.0 m、1.5m時傾角向上變化和給進(jìn)壓力表的具體參數(shù)。深度9.0m傾角保持10%。

（3）9.0m 以上的導(dǎo)向施工技術(shù)是本次的難點(diǎn)。在儀器不顯示任何參數(shù)的情況時，對導(dǎo)向鉆頭作準(zhǔn)確的測量是不可能的。面向角主要是人為標(biāo)注的方法，施工的手段主要以回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)直線下降，深度采用傾角結(jié)合下降長度計(jì)算，鉆孔埋深13.0m時，采用面向角“12點(diǎn)鐘”推進(jìn)，以兩根鉆桿使鉆孔進(jìn)入水平狀態(tài)（估算值），繼續(xù)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至108m（過橋10m）。采用面向角“12點(diǎn)鐘”向上推進(jìn)，使傾角達(dá)35%左右后一直向上回轉(zhuǎn)試鉆，使盡快讓孔徑變淺，連續(xù)測量三個以上導(dǎo)向鉆頭的準(zhǔn)確位置，判斷是否偏移，再把導(dǎo)向鉆頭撤回117.0m傾角15%左右的鉆孔點(diǎn)回轉(zhuǎn)，讓孔徑慢慢變淺直至信號正常后才能放棄人為標(biāo)注面向角的工作。

本次導(dǎo)向施工成功的關(guān)鍵是，長距離人為標(biāo)注面向角的準(zhǔn)確度。本次人標(biāo)注的面向角為“12點(diǎn)鐘”方位。具體如下:在鉆機(jī)動力頭的中心點(diǎn)和前、后夾持器固定鐵件中心點(diǎn)上各取一點(diǎn)，要求三點(diǎn)成一直線。鉆孔孔深導(dǎo)向施工至9.0m左右即將無信號狀態(tài)時，鉆機(jī)的面向角調(diào)整到“12點(diǎn)鐘”方位，取木匠用的墨線在鉆桿中心線上畫一條直線，并檢查延長線與鉆機(jī)上的三點(diǎn)的直線是否重合。隨著向前施工，中心線標(biāo)記也連續(xù)一直向后延長，直至有穩(wěn)定的面向角信號。每當(dāng)需要向上改變弧度時，即調(diào)整鉆桿標(biāo)注的中心線與鉆機(jī)上三點(diǎn)的直線重合時當(dāng)作面向角“12點(diǎn)鐘”的方位施工，保證鉆孔孔徑走向不偏移，給后續(xù)左孔留下空間。

當(dāng)右孔導(dǎo)向施工完成后，鉆機(jī)擺放至左孔，用相同的方法施工導(dǎo)向孔，并保證孔徑的平面距離不小于1.5m回拖擴(kuò)孔和鋪管工作。

4.4 回拖擴(kuò)孔

本工程鋪管管徑是600mm（采用3+2+2捆綁方式），根據(jù)孔徑與管徑系數(shù) 1.2～1.5倍的施工要求，最大孔徑采用Φ800mm擴(kuò)孔器施工，分五級四次回?cái)U(kuò)，第一次用Φ400mm擴(kuò)孔器，第二次用 Φ600mm擴(kuò)孔器，第三次、第四次用Φ700mm、Φ800 mm擴(kuò)孔器回?cái)U(kuò)施工。

4.5 鋪設(shè)管線

把每根9m長的PE短管采用熱熔焊接技術(shù)連接成198m的整根管柱，遠(yuǎn)離下管坑的尾端用管帽密封，管柱前端用園椎形硬木牢牢固定后與鉆具連接，回拖鋪設(shè)管線。

5 結(jié)束語

在競爭日益激烈、技術(shù)手段不斷創(chuàng)新的市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，如輕易放棄，不但給企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)上的損失，也會給業(yè)主留下負(fù)面的影響。通過本次施工，為往后的非開挖施工積累了豐厚經(jīng)驗(yàn)，同時也為企業(yè)贏得了良好的社會效益。