定向鉆技術在引洮二期配套靜寧縣城供水管線工程中的應用

柳爾偉

(甘肅省水利水電工程局有限責任公司， 甘肅 蘭州 730000)

定向鉆施工進度快，適合黃土區地質，可完全避免明挖施工存在的征地協調難、施工開展難、安全防護難、完工恢復難等問題，達到加快施工進度、節約工程投資的目的。以引洮二期配套靜寧縣城供水管線工程為例，介紹采用定向鉆技術施工需考慮的鉆機選型、軌跡設計、泥漿配置、擴孔及清孔施工、回拖管材等內容，為定向鉆技術在供水管線工程施工中的應用提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程內容

引洮供水二期配套靜寧縣城鄉供水縣城工程為甘肅省引洮供水二期配套工程的一部分，主要建設內容是新建1座196萬m3調蓄水池，1座加壓泵站和調蓄水池至水廠的1.6 km輸水管線，以對接縣城供水管網，承擔引洮二期停水檢修期靜寧縣城生活和工業用水任務。

1.2 管道路線與用材

靜寧縣城供水管線從新建調蓄水池旁加壓泵站出水口開始，最終至G312國道與靜寧縣輸水骨干工程管道相連結束。管線途經烽臺山景區，上山段至烽臺山龍馬園北地面高程1 725 m平臺處折向正南方。后至龍馬園東部1 740 m高點，折向西南下山坡至G312國道，接入骨干工程管線，全長約1.6 km。管道采用DN450涂塑復合鋼管，管材采用Q355C級鋼板。

1.3 工程地質

項目位于黃土高原區，管線經過的烽臺山主要為上更新統中期風積物(Q32eol)，巖性為土質均勻的低液限黏(粉)土，淺黃色，結構松散，垂直節理發育，為黃土，厚度最小位置約15 m，厚度最大位置約35 m，該工程管線施工均處于該地層中。該段地質主要存在管基土濕陷性、開挖邊坡穩定等問題。

1.4 方案比選

管線0+814.73-1+029.32段為烽臺山上山段，地面高程從1 672.99 m提升至1 730.64 m，該段線路較陡、林木茂盛。管線1+218.53-1+560.09段為烽臺山下山段，目前線路途經多座建筑物，左側墳墓較多，右側為林木和墳墓。下山段有一條混凝土路面道路，路面寬3.5 m，路兩側種植有側柏，樹齡20年左右。經調查路權不明確，該路也是附近村民通行的唯一通道。如采用明挖方式施工，占地面積大、施工難度大、協調難度大、林木砍伐手續繁瑣且周期長，施工后恢復難度大，成本高投資大。如線路調整也存在墳墓遷移及賠償問題。將管線明挖埋入現有道路下可行性也不高，以上方案均征地階段耗時過長，影響施工進度，增加施工成本。

針對以上問題，通過現場查勘，決定不再采取明挖鋪設施工方式，工程區現場情況與地質情況適合定向鉆施工，因此適宜采用定向鉆施工方案。

2 施工要點

2.1 鉆機選型

鉆機的旋轉扭矩和回拖力是主要性能參數，也是設計中根據工程規模大小衡量鉆機穿越能力的主要依據。鉆機選型應計算理論回拖力，計算公式為

w=[2p(1+ka)+p0]fL

公式中：p為土對管道每米的壓力，單位為kN/m；ka=0.3，為主動土壓力系數；p0為管道每米重量，單位為kN/m；f為鉆孔壁與管材壁的摩擦系數，取值范圍為0.2～0.6；L為管道長度，單位為m。

公式中土對管道每米的壓力p與工程地質有關，也與導向孔的曲率有關。一般情況下，土的粘聚力大，對管道的壓力就小，如粘性土，則p按照鋪設管線直徑0.5～1.0倍高度的土質量計算。土的粘聚力小，對管道的壓力就大，如砂土，則p按照鋪設管線直徑1.0～2.0倍高度的土質量計算。下山段管道線路長，所需回拖力大，因此按照下山段計算理論所需回拖力=[2×0.6×(1+0.3)+0.92]×0.25×350=217 kN。設備回拖力為計算回拖力的1.5～3.0倍，此系數為預留安全余量，根據現場地質情況，如成孔條件好可取小值，反之取大值。因此本工程鉆機理論所需回拖力為1.5×217=325.5 kN。然后按照選型原則確定一定拉力范圍的鉆機，將鉆機輸出扭矩、鉆桿的參數、配套泥漿泵量等關鍵參數進行橫向對比，選擇最適合施工現場條件的鉆機。同時，兼顧發動機的穩定性和持續輸出功率。

按照理論計算和表1所示的鉆機性能要求對應關系，再結合現場施工實際情況，應選擇性能級別為3級的鉆機，即回拖力為320 kN、扭矩(40 r/min)為18 kN·m的鉆機。再綜合考慮穩定性、性價比及售后服務等因素，該工程現場選取的機械為谷登GD380A～L型鉆機。

表1 鉆機性能要求對應關系

2.2 軌跡設計及鉆導向孔

根據工程特性，于烽臺山山頂選擇一處空地作為工作平臺，將鉆機停放至山頂工作平臺，分別向兩側山腳處鉆進。兩側山腳處各選擇一處空地開挖接收坑。按照《水平定向鉆法管道穿越工程技術規程》(CECS382：2014)中規定，鋼管的入土角取8°～18°，出土角取4°～12°，曲率半徑大于1 500D1(D1為鋼管外徑)即700 m。鋼管最小埋深不小于2 m。導向孔鉆進時，隨時讀取手持式導向儀的引導數據，如鉆頭傾角，鉆頭深度及工作角等數據?，F場技術人員及時記錄，將數據錄入計算機記錄表中，根據數據繪制現場實際鉆進曲線，通過與設計曲線對比，及時糾偏。

2.3 泥漿配置

合理配制泥漿，可以減少鉆進和回拖過程中的阻力。按設計及規范要求用膨潤土配置泥漿，本工程泥漿的主要性能參數為：馬式漏斗黏度為35～50 s(馬式漏斗測量，每2 h測量1次)；塑性黏度PV為6～12 mPa·s；表觀黏度AV為6～12 mPa·s；濾失量為8～12 mL；pH為9～11；動切力YP為3～6 Pa；靜切力G10s/G10min為2～5 Pa/3～8 Pa。

鉆孔泥漿用量按照下式計算：

式中,k為比例系數，取值為3；De為終孔直徑，單位為m；L為鉆孔長度，單位為m。以下山段為例，計算得該工程所需泥漿量=3×3.14×0.62×350/4=297 m3。

2.4 擴孔及清孔施工

當導孔作業完成且符合質量要求時，導向孔鉆進至接收坑，拆下導向鉆頭，連接擴孔器，啟動鉆機回拉進行擴孔。設計回拉擴孔進行5次，依順序為d250 mm、d350 mm、d450 mm、d550 mm、d650 mm擴孔器回拉擴孔，擴孔時須速度均勻，給進勻速回拉。同時注水機連續注適量水，通過鉆具攪拌孔內泥土造泥漿，泥漿護壁，防止鉆孔坍塌，保證土體對管壁無損壞。在地層土質較軟時應快速給進回擴，在地層土質較硬時勻速緩慢進行。為清理出擴孔時留在孔內的碎土塊、土渣，在回擴鉆孔時，拉桿裝配在鉆頭尾部，在工作坑卸下擴孔回擴鉆頭，拉桿一端換裝拉泥盤，進行拉泥成孔工作。拉泥時，第一次使用環形盤，逐次來回拖拉阻力逐次減小，之后在拉泥盤上加裝橫擋，再次入孔拉泥，逐次加封橫擋，直至拉泥盤全封閉，并能輕松順利拉出為止。這樣就形成了光滑圓順的成孔敷管通道。

2.5 回拖管材

利用地形優勢，管道焊接平臺位于烽臺山山頂，鉆機移動至山腳工作區。兩側管線均由山頂向山腳托管以降低托管難度。托管開始前，先進行鋼管焊縫和管道強度檢驗，合格后在焊縫接頭處進行防腐處理，即可進入拉管施工。首先用現場制作的“管封套”將管頭密封，然后在管頭后端接上回擴頭，管后接上分動器進行接管，將管子回接到工作坑后，卸下回擴頭、分動器、取出剩余鉆桿，堵上封堵頭。施工時，拉管機操作人員根據設備數據均勻平穩地牽引管道，不可生拉硬拽?；赝蠒r，應不間斷進行，最大中斷時間不超過4 h，否則泥漿會對管道形成握裹力或造成孔道坍塌?；赝铣掷m時間長，施工時提前做好準備，規劃好回拖時間，如不可避免進行夜間施工應提前做好夜間施工準備及倒班人員?；赝贤瓿珊髴獙艿纼深^進行封堵，防止異物、動物進入管道。

3 小結

定向鉆技術是在不開挖地面的條件下，鋪設多種地下管道的施工新技術，與傳統開挖施工相比具有施工速度快、精度高、成本低等優點，被廣泛應用于供水、電力、天然氣、石油等管線鋪設工程。該技術在引洮二期配套靜寧縣城供水管線工程中的應用，有效解決了管線鋪設路段林木茂盛、建筑物多、墳墓遷移難度大等問題，確保了工程建設的順利進行。