長輸管道定向鉆施工中冒漿產生的原因及對策

毛衛衛

（山東萊克工程設計有限公司，山東東營 257000）

湖海運河穿越位于廣西壯族自治區北海市合浦縣，穿越長度約1 200m，方向大致由東向西，穿越區域屬平原地貌，平壩地形，地形平緩開闊，定向鉆穿越冒漿地點位于河流中間，此河流作為重要的生活和工業用水水源工程，發生冒漿情況后，定向鉆施工隊伍立刻停止施工，并組織業主、設計、監理現場分析原因，并邀請國內知名專家。

1 定向鉆穿越地質及穿越層位

1.1 地質條件

穿越區域屬平原地貌，平壩地形，地形平緩開闊，起伏不大。擬穿越段位于湖海運河緩彎處，運河寬約45m，呈對稱的“U”型，水面寬約30m，水深約2.5m，調查河內質為粉質黏土夾細～礫砂，湖海運河為人工運河，河道受到擾動較小，且長期受到良好的保養維護，河床穩定性總體較好。穿越段總體地勢東部略高，西部稍低，東側最高50.96m，西側最高49.60m，兩側大堤坡角約40°，大堤下部為砼結構護壁，上部為土質岸坡。東側大堤高出水面約3.4m；西側岸坡為水泥公路，高出水面約3.6m。擬穿越中軸線與蘭海高速并行，距蘭海高速公路與跨河大橋25～30m。

根據地質勘察報告，擬建場地在勘察深度范圍內覆蓋層主要為第四系全新統（Q4pd）耕植土、含黏性土細砂；第四系殘積層（Q4el）粉質黏土夾砂、含黏性土粗砂、含黏性土礫砂；下伏基巖為加里東旋回期（γ3）風化花崗巖。穿越場地下伏基巖為花崗巖，風化巖中可能存在差異風化現象，表現為全～強風化巖層中存在中等風化花崗巖風化球。

1.2 穿越層位

定向鉆設計的出、入土角根據穿越地形、地質條件和穿越管徑的大小確定，管線定向鉆入土角定為10°，出土角定為5°，穿越管段的曲率半徑為1 500D（D=813mm）。管道中心軸線從入土到出土穿越地層依次為：在湖海運河西側入土斜穿植耕土、含黏性土細砂、粉質黏土夾砂、含黏性土粗砂、含黏性土礫砂到達河床底部水平段；含黏性土礫砂中水平穿越，中間穿越全風化、強風化花崗巖；開始在含黏性土礫砂中上揚，經植耕土在湖海運河東側出土。管線穿越軸線最深處管底標高16.6m，距離湖海運河河底最小埋深23.7m。

1.3 泥漿壓力

穿越管徑為φ813×17.5，根據《油氣輸送管道穿越工程設計規范》GB50423-2013的相關規定，穿越管段回拖在擴孔回拖時，應核算空管在泥漿壓力作用下的徑向屈曲失穩。按下列公式進行核算：

式中：

ps為泥漿壓力，可按可按1.5倍泥漿靜壓力或回托施工時的實際動壓力選取（MPa）；

δs為鋼管屈服強度（MPa）；

Fd為穿越管段設計系數，地區等級為二類，按0.6選取；

pyp為穿越管段所能承受的極限外壓力（MPa）；

pcr為鋼管彈性變形臨界壓力（MPa）；Es為鋼管彈性模量；

δ為鋼管壁厚（mm）；

Ds為鋼管外徑（mm）；

武漢本地房地產行業某分析人士表示，泛海CBD的建設進程一直很緩慢，以居住區功能為主，前三年政府一直敦促泛海，要求加快建設進程。

μ為泊桑比，0.3

f0為鋼管橢圓度（%）。

經計算，φ813×17.5鋼管Pyp=3.369MPa，

因此穿越管段在擴孔回拖時，泥漿壓力取不大于2.02MPa時能夠滿足徑向屈曲要求。

2 穿越導向記錄

定向鉆穿越工程于2014年7月2日下午14點完成設備調試，并開始鉆進，入土端400m地質情況為含黏性土粗砂、礫砂、粉質黏土夾砂層，鉆進速度較快，當天鉆進210m，單桿鉆進時間平均為10min左右。7月3日當天鉆進280m，累計鉆進490m。從43根鉆桿開始進入巖石區域，每根鉆桿鉆進時間30～40min。7月4日鉆進區域為巖石層，當天鉆進90m，累計鉆進580m。7月5日當天鉆進70m，累計鉆進650m，每根鉆桿鉆進有效時間大約要2h。7月6日當天鉆進80m，累計鉆進730m。7月7日當天鉆進60m，累計鉆進790m。7月8日當天鉆進50m，累計鉆進840m。7月9日當天鉆進60m，累計鉆進900m。7月9日下午17點，入土點返漿池內停止返漿，對穿越路由進行現場觀察，見河水變渾，判斷冒漿點在河流下發，冒漿點位于第85根鉆桿處。

3 分析造成冒漿原因

1）泥漿配比：泥漿是定向鉆穿越必備的潤滑劑，合理選擇泥漿配比和壓力，可以保證孔壁不塌方，保持泥漿的飽和度、減小摩擦。在滿足定向鉆施工要求的前提下，泥漿越稠，泥漿顆粒與顆粒之間就不會有足夠多的自由水，此時的泥漿實際上是一種可塑和流動狀態的混合體，冒漿時，該混合體從定向鉆孔上面的土體顆粒間隙中通過，如果泥漿比較稠，它通過上面土體的顆粒間隙時就會受到阻礙和約束，從而起到阻止冒漿的作用。

根據現場實際情況，光纜穿越已經順利完成，冒漿位置與光纜孔距離約20m，與主管導向孔距離約30m，光纜在穿越時，并未出現冒漿情況，且定向鉆施工隊伍施工經驗比較豐富。經過對泥漿配比和壓力計算分析，泥漿不合格造成冒漿的可能性比較小，將原因分析側重點偏向冒漿處的地質情況。

2）地質情況：依據設計施工圖紙及地勘資料，從入土點到235m為耕植土、粉質黏土夾砂、含黏性土粗砂；235～345m為含黏性土礫砂；345～525m為全風化花崗巖；525～654m為強風化花崗巖，到708m處出全風化花崗巖；從708m到出土點均為含黏性土礫砂。但在實際的施工中，光纜管導向孔穿越得知，大約到1 050m才能出巖石層。勘察探孔ZK2-ZK7均為含黏性土礫砂，但在實際導向過程中，地層結構與ZK7-ZK9的巖層相同，穿越單根鉆桿鉆進時間基本相同。

冒漿位置位于探孔ZK5與ZK6之間，且在高架橋橋墩周圍。根據光纜管導向數據可知，該處為巖石層，高架橋在修建時，也可能對該處地層造成破壞。因此，推斷冒漿原因是巖石層成孔或存在斷層縫隙。

4 定向鉆冒漿解決方式

針對定向鉆冒漿產生的原因，采取以下解決方式：

1）若主管道定向鉆穿越過程中發生冒漿，而光纜穿越未發生冒漿，根據光纜穿越成功的實際施工情況、數據記錄，與施工圖紙對比，確定實際地質情況，并對主管穿越曲線進行穿越深度調整（上方或下方3～5m，優先選擇原管線曲線上方），避開冒漿點，并重新編制施工組織方案。

2）在鉆進時適當提高泥漿黏度，堵漏時建議泥漿中添加稻麩，泥漿黏度不小于120s，起到堵漏作用。

3）確定冒漿點后，定向鉆分別從兩側向冒漿點施工，將冒漿位置避開。

4）調整穿越方式，若經過分析現場實際情況后，地質情況不滿足定向鉆施工，需重新選取施工方式。

5 結論

通過分析定向鉆冒漿案例可知，發生冒漿的主要原因出現在對穿越區域地層地質情況掌握不夠，選擇穿越層位不合適。所以，定向鉆穿越單體地質勘察時，應適當加密鉆探孔，編制準確的地勘資料，確保定向鉆穿越設計選擇合適的層位，避免在施工過程中出現地質情況與地勘資料不符的情況。

定向鉆穿越在長輸管道穿越中已經得到廣泛應用，要保證定向鉆穿越不發生冒漿現象，還需要設計、施工等有關單位加強協作與溝通，共同總結管道工程定向鉆穿越設計、施工積累的寶貴經驗，并加以分析研究，吸取教訓，提高定向鉆穿越的設計水平和施工水平，加快施工進度，降低施工成本。