供熱管道穿越巖層水平定向鉆施工技術

閆永貴

（太原市市政公共設施建設管理中心，太原 030027）

1 工程概況

沁縣城鎮集中供熱工程位于山西省長治市武鄉至沁縣段，為沁縣集中供熱熱源替代工程的輸熱管線工程，以武鄉電廠為熱源向沁縣敷設DN800 mm 的輸熱干線，替代沁縣現狀取暖用煤粉鍋爐。沁縣良莊供熱管道敷設需要定向鉆穿越砂巖，穿越概況如下：

1）穿越管線規格及防腐方式:管道規格為DN800 mm 鋼管，加保溫層后φ960 mm。

2）穿越長度:定向鉆穿越分2 次穿越每段出土點、入土點水平長度約700 m，計1 400 m。

3）穿越地層:在進行穿越地層的過程中，需要根據相關參數來進行一定的控制，不僅需要對管徑的數據進行分析，還需要與其出、入土角具有非常大的聯系，同時，需要進行曲率半徑的計算，也需要對地質情況進行研究，穿越管線最深深度為-34～-36 m。根據工程地質剖面圖上所揭示的地層，穿越管線兩側局部穿越粉質黏土層，山體處穿越風化砂巖層。

2 定向鉆施工

2.1 地錨坑

當鉆機準備好之后，需要測量人員進行測量放線工作，同時需要參照設計圖紙，確保鉆機軸線與穿越曲線的軸線重合。挖地錨坑1 個，地錨坑中心線在穿越中心線上，地錨坑尺寸7 m×4 m×3.5 m。調整鉆機的鉆進角度，使之與入土角吻合。為了能夠更好地確保鉆機的平穩性，應該對鉆機進行一定的加固處理工作，主要是鋪1 層鋼板。鉆機錨固裝形式如圖1 所示。

圖1 鉆機錨固安裝形式

2.2 鉆導向孔

所有設備安裝調試好并在泥漿配制好后可以啟動鉆機進行試鉆，檢查鉆頭水眼是否堵塞。如果沒有堵塞則可以繼續鉆進[1]。

本次穿越采用的鉆具主要有：鉆桿采用5″(抗拉995MPa，屈服855MPa)API 標準S135 內部加厚型鉆桿、鉆頭采用8-1/2″牙輪鉆頭；6-1/2″無磁鉆鋌1 根；165 泥漿馬達；控向系統采用Tru-Trucker system（有線控線系統）實時跟蹤系統和MGS 系統進行跟蹤定位，可以確保出土位置準確[2]。

相關鉆具的使用情況：8-1/2″牙輪鉆頭+直徑165 泥漿馬達+6-1/2″無磁鉆鋌+5″S-135 鉆桿。

在進行穿越施工的過程中，需要特別關注鉆導向孔工作。鉆導向孔工作應該按照設計曲線來進行施工，需要對管徑的大小進行測量，從而能夠更好地對每根鉆桿的折角進行確定。與此同時，更需要在工作的過程中進行一定的跟蹤工作，做好測量和記錄作業。還需要在穿越曲線上進行數據控制點的設置，要求控制點之間的間隔約為6 m，每鉆進1 m，就需要對鉆頭的位置數據進行記錄，這樣才能夠更好地進行控制工作。

除此之外，還需要對鉆孔的方向進行控制，要求鉆孔曲線與設計穿越曲線相吻合。因此，在導向孔鉆進時應對有線控線系統進行測試，測試并調校完后，進行正常鉆進。

在鉆進過程中，還應注意每根鉆桿的折角，折角不宜過大。鉆桿折角應符合表1 的要求。鉆導向孔施工同時采用人工磁場校驗法。

表1 鉆桿折角

2.3 預擴孔

鉆具連接：鉆桿→擴孔器→旋轉接頭→鉆桿。

2.4 管線回拖

管線回拖:5″S-168 鉆桿+52″桶式擴孔器+200 t 萬向節+穿越管線。

回拖力理論估算：

式中，FL為計算的拉力，kN；L 為穿越管段的長度，m；f 為摩擦系數，取0.3；D 為鋼管的外徑，m；γm為泥漿重度，kN/m3，可取10.5～12.0；γS為鋼管重度，kN/m3，取78.5；δ為鋼管壁厚，0.0156 m；Wf為回拖管道單位長度配重，kN/m；K 為黏滯系數，kN/m2，取0.18。

1）在回拖工作中，為了能夠避免出現停工的問題，需要在工作前來進行連接部位是否牢固的檢查。

2）回拖作業之前，還需要將穿越段管線安置在發送架之上，要求起吊點與管道環焊縫之間的記錄不大于2 m，同時要求起吊高度約為1 m，各個起吊點之間的距離要求小于或等于16 m，吊管設備用4 臺20 t 吊管機或4 臺20 t 吊車等其他超重設備。

3）采取滾輪支架或其他措施降低管線回拖時管線的摩擦力。

4）回拖工作需要對表盤的讀數進行關注，并且對擴孔的數據進行記錄，這樣才能更好地為下一次的擴孔工作做準備，有效確保擴孔回拖工作的順利開展。

2.5 定向鉆穿越的泥漿工藝

1）泥漿室內試驗主要是為了解決穿越作業中的一些問題，包括河水配漿、孔壁保護、防止卡漏等。那么，需要進行泥漿體系優選工作，實現對成本的控制。泥漿各參數見表2 和表3。

表2 泥漿性能參數

表3 泥漿黏度值參考表

本次工程穿越段地質主要為巖石，導向孔鉆進時，泥巖夾粉砂巖的泥漿黏度為40 s；擴孔時泥巖夾粉砂巖的泥漿黏度為45 s；洗孔時泥巖夾粉砂巖的泥漿黏度約為60 s，并可根據實際情況適當調整。

隨時觀察洗孔的情況，扭矩波動小或者無波動，拉力穩定時，即可達到回拖要求。

2.6 防止導向孔偏移策略

1）首先，確定正確的穿越軸線，根據圖紙提供的入土點和出土點坐標利用GPS-RTK 進行測量、核實。

2）鉆機就位時保證穿越方向和設計穿越軸線吻合、入土點和設計入土點吻合，并按設計入土角入土。

3）所有設備安裝調試好并在泥漿配制好后可以啟動鉆機進行試鉆，檢查鉆頭水眼是否堵塞，如果沒有堵塞則可以繼續鉆進。

4）合理搭配鉆具，主要有：5″API 標準S135 內部加厚型鉆桿、8-1/2″銑齒三牙輪鉆頭、6-1/2″無磁鉆鋌1 根。

5）嚴格施工過程控制。開鉆前對整個控向系統進行測試、調校，一切正常后方可鉆進；在進行作業時，需要進行一定的測量工作，同時需要進行一定的數據記錄，需要保證每6 m 的穿越曲線就進行一次數據監測，同時需要進行鉆頭位置數據的記錄，記錄間隔為1 m。

2.7 廢棄泥漿的處理

1）泥漿膨潤土和添加劑的選擇時，要保證其產品不存在污染的情況，符合環保標準。

2）還需要進行泥漿坑的防滲漏施工，可以防止泥漿進入地層。

3）還需要利用回收處理系統來進行泥漿的處理，處理后的材料可以繼續使用，而過濾出來的泥沙需要放置在專門場地之中。

4）施工完畢之后，剩余的泥漿以及泥沙需要進行集中曬干處理，從而進行一定的回填工作，并且需要環保部門出具相關證明。

2.8 一次性穿越成功方法

1）導向孔工作

首先，要求導向孔具有“平滑圓緩”的特點。在進行導向孔工作中，需要保證信號穩定傳輸，需要利用專門的檢測工具來進行相關信號的檢測工作。然后需要憑借信號線連接技術包進行連接質量的保證。

其次，需要根據施工要求來進行鉆桿的操作，并且需要滿足曲率半徑的要求，同時還需要保證所有的鉆桿傾角以及方位角在誤差范圍以內。

2）擴孔

在進行擴孔工作時，需要保證擴孔直徑大于或等于穿越管直徑的1.5 倍，同時需要對擴孔的級差進行合理化。需要對地質情況進行研究，這樣能夠更好地進行泥漿配比的確定，有效保證孔洞的順利形成，保證返漿暢通。

3）預制管線準備

在進行連管回拖工作之前，需要確保預制管線與穿越軸線具有一致性。需要利用漂浮的方式來降低管線摩擦力。還可以通過”固體泥漿”的方式進行潤滑，從而實現回拖工作。

4）確保鉆具完整

為了能夠有效保證穿越工作的成功，需要確保鉆具完好無缺。因此，需要對鉆桿、擴孔器等相關設備進行檢測，這樣能夠保證其完整。同時需要對鉆具進行保養，確保其功能保持在正常的狀態。

5）構建高效的泥漿體系

在進行巖石穿越工作中，需要采用高黏度和高密度的泥漿配置，這樣能夠更好地進行支撐，同時也能夠起到懸浮和護壁作用，能夠在很大程度上防止巖屑床的形成。除此之外，還需要在其中加入一定量的添加劑。在進行回拖工作時，需要進行固體潤滑劑的添加。

2.9 鉆進過程中可能出現問題的應對措施及方案

2.9.1 卡鉆

回拖作業是管道定向鉆施工中的最后一項，其工作是否成功對整個工程的質量具有非常大的影響。因此，需要在進行回拖工作前進行一定的導向孔作業，同時還需要進行一定的擴孔和洗孔作業，這樣才能夠保證其工作質量。

此工作還會受到地質條件的影響，在進行管道回拖前容易出現孔洞狀況不好的問題，比如，孔壁坍塌、卡鉆等相關問題。特別是在DN800 mm 口徑管道中，更加容易出現卡鉆的問題。因此，需要在回拖工作之前做好相應的應急措施。

在進行管道回拖作業的過程中，如果回拖力增加，那么就能夠明確在孔洞中出現了孔壁坍塌的問題。

為了能夠更好地對此問題進行解決，需要進行動滑輪組的安裝，這樣能夠更好地將滑輪組與回拖管道末尾部分進行連接，將管道從孔洞中拖出，從而有效防止管道在孔洞中停留時間過長，造成更大的阻力。滑輪組安裝使用示意圖如圖2 所示。

圖2 滑輪組安裝使用示意圖

2.9.2 在拖管過程中出現管拖不動的情況

拖管出現拖不動的問題需要進行鉆機的轉移，與滑輪組配合，最大可產生4 000 kN（400 t）回拖力，緩慢增加回拖力將管道拖出地面。若滑輪組不能將管線拖出，可在管線尾端安裝夯管錘，利用夯管錘沖擊力輔助滑輪組將管線拖出。需要進行原因總結并進行改善，如采用更大的回擴器，使用組合擴孔器修孔，提高泥漿性能，增大排量，等等，完成穿越。

3 結語

水平定向鉆技術是環境影響小、工程造價底、施工速度快的一種非開挖施工技術，在工程建設中應用非常廣泛，但在施工過程中也容易出現各種問題，風險較大，在施工階段應該合理編制施工方案，保證技術的應用合理，為工程的順利進行提供堅實的技術保障。