水平定向鉆進技術在永登縣山區農村飲水安全工程中的應用

莫 強

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅蘭州730000）

1 工程背景及概況

永登縣地處甘肅中部黃河上游，轄18 個鄉（鎮），農村人口約46萬人，山區面積5389.9 km2，占永登縣總土地面積的88.5%，偏遠山區地表水和地下水極度匱乏，由于地勢高及資金少等原因，現有供水管網不能有效覆蓋，山區群眾生活用水主要靠集雨水窖，水質超標，遇到干旱天氣水窖蓄不到水，給群眾的生產生活造成嚴重影響。

為了徹底解決永登縣山區農村的飲水不安全及缺水問題，依靠國家及縣上撥付農村飲水專項資金，永登縣水務局加快農村飲水安全鞏固提升工程建設，一期工程以引大入秦工程作為源水，新建4.3萬m3調蓄水池4 座，凈水廠5 座，泵房14 座，水池52 座，鋪設PE 管及鋼管351.844 km，解決了11 個鄉（鎮）158 個村、67542 人的飲水不安全及缺水問題。

永登縣西部山區多為黃土覆蓋的丘陵地貌，地層以含礫黏土巖為主，根據管道沿線的工程地質、地形、地貌，管道采用開挖埋管方式，項目區穿越縣道、鄉道及小型河流較多，采用直接開挖的方式易給當地居民出行帶來不便；采用頂管法易垮塌，安全系數小；采用常規開挖施工法，穿越道路及河流需開挖土方1650 m3，原土翻夯和10%水泥土墊層3800 m3，M7.5 漿砌石280 m3，路面恢復2487 m2，需要資金80.2萬元。經分析比較，采用非開挖水平定向鉆進技術不影響當地村民出行，還可縮短工期，降低成本。

2 水平定向鉆進技術定義

水平定向鉆進技術也稱往復式潛鉆施工法，是指按照管線設計軌跡，利用鉆頭攜帶的發射器傳導有關鉆頭的深度、傾角等參數，地面操作人員控制鉆頭鉆進，最終形成一個符合設計軌跡的導向孔，然后利用擴孔器回擴達到設計要求的孔徑，將管道回拉拖入孔道中完成鋪設任務[1]，適用于直徑＜1000 mm、鋪管長度可達1500 m 的各類管線鋪設，尤其穿越鐵路、公路、河流時優勢明顯。分為采用擠壓鉆頭或沖擊錘鉆進的干式法和采用噴射鉆頭鉆進的濕式法。具體施工工藝見圖1。

3 主要施工方法及技術要點

3.1 施工準備

3.1.1 現場地質勘察 水平定向鉆進可在不同地質環境下完成鉆進任務，地層條件和軌跡設計是影響鉆機性能充分發揮的關鍵因素，在黏土、亞黏土或淤泥地層因造漿能力良好，穿越曲線長度可以適當加長，阻力較小，可加快工程進度。穿越流沙、鈣質層、礫石層時，阻力較大，成功率降低，甚至導致鉆孔不能完成。因此，非開挖定向鉆進穿越成功的前提是要充分了解施工現場的地質條件[2]。

3.1.2 機具材料準備 機械準備：根據本項目施工條件及技術要求選用以下機械設備（見表1）。材料準備：PE 管材、泥漿（根據土質、地質情況現場配置）、鋼絲繩。

3.2 測量定位放線

根據設計提供的基準點及設計圖紙，用GPS 和全站儀在施工區域內建立平面坐標控制網，根據測量結果放出鉆機安裝位置線、工作坑、進出土位置、拖管軸線及標高。放線時，管道沿管線軸方向誤差不大于40mm，進出土位置左右偏差不大于20mm，并做明顯標記。

3.3 導向孔軌跡的設計

水平定向鉆導向孔軌跡設計是水平定向鉆進施工中的關鍵環節，導向孔軌跡由斜直線段、曲線段、水平段等組成。在設計導向孔軌跡時，不但要考慮農村飲水安全工程的具體要求，還要考慮當地地質情況及管材允許曲率半徑、鉆桿最小曲率半徑、定點、入土角度α、出土角度β、管道敷設深度h 等重要參數，進而確定正確的鉆孔軌跡，經比較分析，選擇最佳軌跡。導向孔軌跡圖見圖2。

3.3.1 入土角、出土角 出、入土角宜為8～20°，入土角要根據施工現場是否有足夠的布管場地、鉆機本身設計、管道直徑、地下管線分布情況及鋪管深度要求進行選擇，入土角越大，回拖管道阻力越大，施工難度越大。

3.3.2 導向孔埋深 各項目最小覆土深度見表2。

表1 機械設備情況

表2 最小覆土深度

3.3.3 曲率半徑 最小允許曲率半徑計算公式：

式中，ρ 為曲率半徑（cm）；E 為彈性模數（Mpa）；DH為管外徑（cm）；δρ 為彎曲應力（Mpa）。在實際應用過程中，根據實踐經驗，軌跡的曲率半徑取400～1200D（D 為鋪管外徑），軌跡曲率半徑同時要滿足鉆桿的曲率半徑，鉆桿曲率半徑R≥1200D（D 為鉆桿外徑），否則會造成鉆桿的變形開裂。

3.4 鉆機就位和工作坑開挖

按施工布置圖將鉆機錨固在預定位置，錨固鉆機以“穩、平、實”為原則，鉆機安裝后要試運轉，檢測鉆機各部位運行情況。

鉆機安裝完成后開挖工作坑，鉆進工作坑距鉆機前方5 m（尺寸2 m×1m×2 m），在管線出口處開挖一個拖管坑（尺寸3 m×1m×2 m），在工作坑旁邊開挖泥漿沉淀池，可采用2 個泥漿池以延長循環周期。

3.5 泥漿配制

泥漿在鉆進和回拖過程中具有護壁、潤滑、冷卻鉆頭的作用，為了提高泥漿在不同地質條件下的性能，需加入一些添加劑，配制成不同性能的泥漿來適應當地土層的特性。

調配方法：將水從水源地由汽車拉運至施工現場導入泥漿池，經沉淀過濾后進行調配。第一，在過濾好的清水中加入0.1%～0.2%的純堿，純堿可軟化水，具有增加泥漿黏度、靜切力及增強膨潤土的膨化效果。第二，加入5%～8%的膨潤土，經機械攪拌使其完全分散溶于水中，攪拌20 min 后基漿配制完成。第三，添加一定比例的添加劑，攪拌3～5 min。在不同的施工階段和變化地層中，需調制不同配比黏度的泥漿（見表3），以便滿足施工具體要求。

泥漿的黏度和組成在鉆進和回拖過程中是非常重要的因素，因此，在施工過程中應密切觀察孔口返漿情況，每半小時檢測一次泥漿性能，以便隨時調整擴孔速度及泥漿黏度，保證孔內有足夠優質泥漿，返漿的含砂量應控制在6%以內。

3.6 鉆進導向孔

鉆進導向孔根據設計曲線采用射流輔助方法鉆進，鉆頭的位置、頂角、深度、鉆頭溫度等數據通過鉆頭內的發射器傳導給地面定位示蹤儀，操作人員可及時準確掌握鉆頭的具體位置和深度，通過調整鉆機參數，控制鉆進軌跡，按照設計軌跡鉆進，最終在預定位置出土，鉆進過程要注意以下幾點。

一是導向孔造斜段每鉆進0.5～1 米測量計算1次，水平直線段每根鉆桿長度測量計算1 次。當發現定向鉆進軌跡與設計軌跡有偏差時，可以調整鉆頭斜面的方向，鉆頭面調整好后，利用推進鉆頭時斜面接觸的土壤作用力和反作用力進行糾偏，糾偏可在多根鉆桿長度范圍內根據管材的曲率半徑逐步進行，糾偏過急易出現卡鉆現象。

二是在導向孔鉆進過程中，泥漿壓力控制在0.3 Mpa，在礫石層壓力提高到1 Mpa，壓力過大易發生冒漿，造成環境污染。

三是在地質條件較差地段或易塌方地區應提前采取措施，及時添加能調節泥漿性能的添加劑，調整鉆孔和回拖工藝，加快鉆進速度，盡量縮短停鉆時間。地質條件較好地區要根據地層條件合理調整推進力，鉆進速度不宜過快，造斜段一次頂進長度不宜大于0.5～1 m。

四是通過鉆進過程中記錄的鉆孔軌跡和相關數據，判斷導向孔的鉆孔質量，確定導向孔鉆進的成敗，導向孔軌跡允許偏差如表4 所示。

3.7 擴孔與回拉施工

表4 導向孔允許偏差

表3 泥漿黏度控制及配制方法

導向鉆頭在出口孔完全露出后，將導向鉆頭換為大一級擴孔器，開動鉆機旋轉回拉牽引至入口孔，完成一級擴孔，每次擴孔級差在10～15cm，當擴孔直徑達到鋪設管道直徑的1.2～1.5 倍時完成擴孔施工，擴孔壓力控制在0.1～0.3 MPa。施工時在地層條件較好的情況下也可將2 種不同直徑的擴孔器連接在一起，用回拉力和扭矩較大的鉆機進行擴孔，一次完成擴孔和鋪管施工。

在回拉擴孔過程中，為了減少摩擦，降低回轉扭矩和回拉阻力，可將膨潤土泥漿通過鉆桿注入，不但潤滑，而且起到固壁、防塌和冷卻鉆頭的效果。

3.8 回拉鋪管

在最后一級擴孔完成后便可回拉敷設管道，先將PE 管道用熱熔法接連與成孔相當的長度后，進行清管、試壓工序，再將管道兩端封閉，采用專用連接工具將管道與擴孔器相連，根據管道穿越時受力情況，計算回拖阻力，選擇合適的機型，避免回拉力超限，總回拖阻力計算公式:

式中，P1為鋪管外壁周圍摩擦力（KN）；PF為擴孔鉆頭迎面阻力（KN）；D0為鋪管外徑（m）；DK為擴孔鉆頭外徑（m），一般取鋪管外徑的1.2～1.5 倍；L 為回拖管道長度（m）；Ra 為迎面土擠壓力（KN/m2），黏性土取50～60 KN/m2，砂性土取80～100KN/m2；f1為鋪管外壁單位面積阻力（KN/m2），黏性土取0.3～0.4 KN/m2，砂性土取0.5～0.7 KN/m2。回拉過程中要認真檢查連接部分的穩定性，加入高潤滑泥漿，確保回拉鋪管工作順利完成。

4 結束語

非開挖水平定向鉆進技術具有鉆進過程易控制、鋪管精度高、造價成本低等優點。在永登縣農村飲水安全工程中應用非開挖水平定向鉆進技術，縮短了施工工期，節約了資金，沒有影響到居民出行，受到了當地群眾的一致好評。