南水北調沙潁河定向鉆穿越技術方案

□薛 波（河南省水利第二工程局）

0 引言

水平定向鉆進技術以其顯著的環境、經濟效益和日益成熟的施工技術，成為輸水管道建設工程中穿越河流必不可少的關鍵技術。文章結合南水北調配套周口沙潁河定向鉆穿越工程，探討大口徑（DN1016mm）水平定向鉆穿越工程的設計方案。

1 工程概況

沙潁河穿越工程位于河南省周口市境內，交叉斷面以上流域面積25800 km2,50 a一遇洪峰流量3250m3/s，天然洪水位49.90m。沙潁河穿越管段設計壓力為1.40MPa，設計為雙管線布置，兩管外壁間距20.20m，穿越管道為涂塑復合鋼管，規格為D1016mm×16mm。

2 穿越路線及層位選擇

2.1 設計原則

穿越路線及層位的選擇，應根據河道詳細勘察資料及沙潁河穿越區域水文、氣象條件及交通狀況確定。一是穿越處地質結構屬粘砂雙層結構。根據地層時代、巖性及空間分布特性，場區地層劃分為7層，分別為：①重粉質壤土（alQ24）；②輕粉質壤土(alQ24)；③粉質粘土(alQ24)；④重粉質壤土(alQ14)；⑤重粉質壤土（alQ14）；⑥重粉質壤土（alQ3）；⑦粉細砂（alQ3）。其中①～⑥層含鈣質結核，粒徑1～3 cm，第⑦層砂質不均，局部夾有輕粉質壤土、砂壤土薄層。二是選擇河流順直、水流平緩、河床和坡岸穩定的河流斷面穿越，以降低施工難度。三是河岸兩側應有足夠的布置鉆機、泥漿池、施工材料堆放和管道組焊的場地；河岸兩側場地進行交通運輸方便，有效縮短施工周期。四是水域穿越管段的埋深除應根據地質條件與沖刷深度確定外，最小埋深應大于河床最大沖刷線以下6m，確保河流中不出現冒漿事故及保證堤防安全。五是為保證管道有足夠的強度安全余量，穿越管段曲率半徑宜≥1500（為穿越管段外徑）。

2.2 主要設計參數

一是入土點及入土角度。入土點高程47.70m，入土角7°，入土點位于沙潁河北岸，毗鄰周口大道，交通便利。二是出土點及出土角度。出土點高程44.90m，出土角7°。出土點選定于沙潁河南岸，地勢開闊，有利于管線組焊及回拖。三是曲率半徑：為利于管線回拖及保證管線強度，沙潁河穿越曲線段半徑為1800 m（1800D）。四是穿越地層：根據工程詳細勘察資料，粉質壤土或粉質粘土層中存在鈣質結核，會給鉆進過程帶來困難。因此，將主要的穿越水平段設在第⑦層細砂中。穿越水平段管道中心高程為23.30m，滿足管道最小埋深應大于河床最大沖刷線以下6 m的要求。

3 鉆機及鉆具優選

3.1 理論回拖力計算及定向鉆機選擇

沙潁河穿越的理論回拖力計算采用《油氣輸送管道穿越工程施工規范》（GB50424-2007）推薦的回拖力計算公式：

式中：F—穿越管段回拖力（t）；L—穿越管段長度（m），本工程取525.90m；f—摩擦系數，一般取0.10～0.30，本工程取0.20；D—穿越管段的直徑（m），本工程取1.02；γ粘—泥漿比重，一般為1.15～1.20，本工程取1.17；δ—穿越管段的鋼管壁厚（m），本工程取0.02；k粘—粘滯系數，取0.01~0.03，本工程取2.50×10-2。

將各參數代入式（1），得到理論回拖力值為100.20 t，根據國內外施工經驗，定向鉆機宜根據計算回拖力值得1.50～3.00倍進行選擇，本工程選定徐工XZ3000型水平定向鉆機一臺，最大回拖力3000 kN，最大輸出扭矩110kN·m。

3.2 鉆具優選

鉆具是水平定向鉆進施工過程中影響施工效率和安全的直接因素，考慮地質條件、鉆機能力和工程規模等方面，進行了鉆具的優選。一是導向鉆：考慮到該穿越地層含有較多的鈣質結核，本工程采用破碎能力更強的三牙輪導向鉆頭，并用泥漿馬達驅動牙輪鉆頭。二是擴孔器：考慮到本次穿越的主要地層為粉細砂層，鉆孔穩定性差，決定采用具有穩定孔壁功能的擠擴式擴孔器。三是鉆桿：鉆桿質量直接影響工程施工的順利與否，本工程選用高性能的Φ140S-135級鉆桿。

4 施工方案設計

4.1 鉆導向孔

為保證導向精度，防止干擾源影響導向信號，沙潁河穿越采用聯合控向技術，即采用兩套控向系統，一套精度高、受干擾小的CDY-2型有線地磁控向系統和一套GL600無線控向系統。這樣使鉆導向孔施工具有雙保險，如遇地磁控向系統無信號或受干擾時，即可用無線控向系統完成接下來的控向工作。在導向孔鉆進過程中，嚴格按設計給出的軌跡曲率半徑進行。在鉆進過程中，還應注意每根鉆桿的折角，折角不宜過大，以免造成鉆孔不夠平滑，影響回拖。糾偏應遵循小幅、多次的原則，不能操之過急而矯枉過正。鉆導向孔的鉆具組合為：9-5/8三牙輪鉆頭+Φ172造斜短節+無線探頭倉+無磁鉆鋌+有線探頭倉+無磁鉆鋌+Φ140鉆桿。

4.2 擴孔及洗孔

水平定向鉆管道穿越工程的終孔直徑一般為管道外徑的1.20～1.50倍，考慮到地層性質，沙潁河終孔直徑確定為1400 mm。為解決擴孔時扭矩大的問題，可采用較多的擴孔級數以減少每一級擴孔的扭矩。沙潁河穿越工程共分七級擴孔，每級擴孔的直徑分別為：500mm，650 mm，800 mm，950 mm，1100 mm，1250mm和1400mm。擴孔結束后，根據擴孔扭矩、拉力和返漿情況進行1～2次Φ1400洗孔。擴孔的鉆具組合為：Φ140鉆桿+擠擴式擴孔器。

4.3 回拖

管道回拖前，應對鉆機地錨進行加固，確保回拖過程中不出現地錨松動；對分動器、U型環等進行檢查，確保工作可靠；對已連接完成的管線長度、焊縫、防腐進行檢查；進行泥漿試噴，確保泥漿通暢。為減小回拖阻力和保護管道防腐層，應沿穿越中心線開挖發送溝，在出土口處平順連接。發送溝開挖寬度為3.00m，底寬1.50m，深度0.80m。發送溝完成后，檢查溝內無石塊、樹根等硬物，然后將管道吊入溝內，再從河里抽水將管溝充滿，使管道近似處于漂浮狀態，減小管道回拖時摩擦阻力。管線回拖時，需采用適宜的措施控制管段的浮力以減少摩擦阻力。回拖過程應連續施工，停止回拖時間過長可能造成泥漿對管段形成握裹力，增大回拖力；回拖速度均勻，避免造成孔內壓力激動。回拖的鉆具組合為：Φ140鉆桿+Φ1250擠擴式擴孔器+分動器+Φ1016管線。

5 泥漿工藝

5.1 確定泥漿性能要求

根據沙潁河穿越工程地質條件，定向鉆入、出點兩側主要為含鈣質結核的粘土層，主要水平穿越段為密實細砂層，對泥漿的攜帶能力和護壁能力要求很高。因此，要求嚴格控制泥漿粘度和濾失量，避免孔內殘留鉆屑過多，堵塞鉆孔或孔壁坍塌等復雜情況發生。沙潁河穿越泥漿體系性能指標：馬氏漏斗粘度55 s，濾失量<12m l。

5.2 泥漿配比方案

一是鉆導向孔階段要求盡量將孔內的鉆屑攜帶出孔外，同時維持孔壁穩定，基本配方為：水+5%鈉基膨潤土+0.06%HV-CMC+0.04%燒堿。二是擴孔階段要求泥漿具有很好的護壁效果，防止地層坍塌，提高泥漿的攜帶能力，基本配方為：水+6%～8%鈉基膨潤土+0.06%HV-CMC+0.05%燒堿。三是回拖階段要求泥漿具有很好的護壁和攜帶能力，同時具有很好的潤滑降阻能力，因此粘度不能太大，基本配方為：水+5%鈉基膨潤土+0.06%HV-CMC+0.04%燒堿。

5.3 泥漿配制

現場配漿設備只有兩個自攪拌漿罐，一個容量20m3，另一個容量40m3。選取20m3漿罐為配漿罐，40m3漿罐為儲漿罐。配加料漏斗和射流泵，增加其攪拌能力。泥漿配制過程中應注意以下事項：一是嚴格按照泥漿體系配方計算泥漿材料加量，按照水—膨潤土—處理劑順序依次添加泥漿材料；二是配制新漿過程中，至少保證20min的循環水化時間，采用馬氏漏斗粘度計和中壓濾失儀等實驗設備測定泥漿性能指標，達到要求后方可倒入儲漿罐；三是穿越施工過程中，應注意監測返漿情況，地層突變等情況及時上報，以便調整泥漿方案。

6 結語

水平定向鉆進技術在穿越河流時具有不破壞大堤、不擾動河床、對環境影響較小、施工周期較短、管道運營安全、綜合造價較低等優點。應用這一技術的關鍵是根據地質條件制定施工工藝方案，保證管道成功穿越。