水平定向鉆在鐵路管線遷改中的應用

蔣俊偉

（江蘇省鐵路建設管理有限公司，南京 212000）

0 引言

鐵路常與電力線路交叉或并行，高壓和超高壓電力線路由于弧垂高度、倒桿距離等不滿足鐵路和電力行業有關規程和規定，往往需要在鐵路工程實施期間進行遷改。上跨鐵路的特、超高壓線路一般采用架空跨越，而高壓和低壓線路常采用電纜入地的方式下穿。由于受交通同行影響和自然條件的限制，部分區域不具備開挖直埋的條件，因此水平定向鉆得以在受限區域內的鐵路管線遷改中廣泛應用。

1 工程概況

1.1 遷改工程概況

江蘇省內現狀有一條110kV 單回路架空線路采用“耐-耐”跨越既有普速鐵路及在建高速鐵路，交叉角為58，獨立耐張段長度為299m。普速鐵路在該區段內為路基，高速鐵路為橋梁。高速軌面標高15.345m，下導線至高速軌面高差為9.5m，不滿足架梁凈高要求，需結合在建高鐵施工和既有普速鐵路同步遷改。由于江蘇省供電公司相關規定要求：110kV 在跨越鐵路等重點區段應采用電纜入地下穿方式，并同步預留通信通道。為減少直接開挖對既有普速鐵路通車的影響，設計采取水平定向鉆的方式穿越。在普速鐵路北側新建1 孔定向鉆，定向鉆孔徑為φ560mm，定向鉆拖管管束采用1-D560mm×26.7mmHDPE 管，以滿足電力電纜下穿鐵路的需求。

1.2 穿越地質情況

此次電力線路遷改定向鉆主要穿越兩種土層：①素填土，松散，灰褐色、雜灰色，以粉質黏土為主，含較多植物根莖；②黏土，可塑，灰黃色，等級中，濕，含鐵錳結核，高嶺土團塊，稍有光澤，干強度及韌性中等。

2 水平定向鉆設計

2.1 鉆桿軌跡設計

水平定向鉆的鉆進軌跡設計需要綜合考慮所處區域地下管線的分布情況，必須進行合理避讓。根據現場實際情況選擇在鐵路南、北兩側合適位置設置工作坑。軌跡分為兩部分：造斜段和鋪設段。入土點設在鐵路北側，距鐵路線路中心線水平距離為91.1m，入土角約為12；出土點設在鐵路南側，距鐵路線路中心線水平距離為49.7m，出土角約為12。定向鉆穿越出入土點間水平投影長度為140.80m，實際曲線長度為148.4m，如圖1 所示。

圖1 水平定向鉆軌跡設計剖面

2.1.1 鉆桿入土角

式（1）中：α：PE 管線入土角，度（）；

：管線埋深，取7m；

：管線入土時的曲率半徑，米（m）；≈1200D～1500D，取1200D。

計算得α=12.1°

2.1.2 入土造斜段距離L：

計算得L=26.9m。

2.1.3 水平鉆進距離L=93.8m。

2.1.4 鉆桿出土角

式（3）中：α：PE 管線出土角，度（）；

：管線埋深，取7m；

：管線出土時的曲率半徑，米（m）；≈1200D～1500D，取1200D。鉆桿直徑取88.9mm。

計算得α=12.2°

2.1.5 出土造斜段距離L：

計算得L=27.3m

2.2 摩阻力計算及設備選型

最大控制回拖力應滿足管材力學性能和設備能力要求，總回拖阻力的計算可按下式進行：

式（5）～（7）中：F——總回拖摩擦阻力（kN）；

F——管外壁環向摩擦阻力（kN）；

F——鉆頭迎面阻力（kN）；

D——鉆頭外徑（m），為管道外徑1.2～1.5 倍；

D——管節外圈直徑（m）；

P——迎面土環向壓力（kN/m）；通常黏性土可取500～600kN/m，砂性土可取800～1000KN/m；

L——定向鉆穿越總長度（m）；

f——管節環向平均摩擦阻力（kN/m）；可參照表1 計算：

表1 管節環向平均摩擦阻力f1（kN/m2）

F=F+F=859kN。

根據計算結果，定向鉆機總回拖力應大于859kN。

該文選取64例妊娠糖尿病病患做為研究對象，按照隨機方法，將患者分為研究組和對照組，每組32例患者。 研究組患者年齡22～39歲，平均年齡（29.3±4.3）歲；孕周 22～34 周，平均孕周（27.6±2.5）周；其中有 23 例初產婦，9例經產婦。對照組患者年齡22～38歲，平均年齡（28.9±4.1）歲；孕周 22～35 周，平均孕周（28.2±2.7）周；其中有24例初產婦，8例經產婦。比較兩組患者的基本資料差異無統計學意義（P＞0.05）。

3 施工工藝流程

3.1 地下管線調查

施工前，組織相關人員編制具體施工內容及計劃安排，并對現場施工條件進行調查、摸底和明確人員、機械進場道路，定向鉆穿越位置等。在每個鐵路封鎖點前，均提前對現場設備進行深入調查，細化每個封鎖點的施工預案。為了確保施工作業安全可控，避免定向鉆穿越時對既有各類管線產生干擾和破壞，在探坑開挖及鉆進前，充分與施工區域內可能存在的管線產權單位進行對接，共同核實現狀管線水平和高程位置。

3.2 鉆機就位和調試

水平定向鉆的鉆進位置位于入土點工作坑，與出土點在同一條軸線上。由于要預留鉆桿在工作坑中左右上下擺動的作業空間，鉆進角度比前文中計算的角度大1，取13。定向鉆機兩側的支腿必須安裝在平穩牢固的地面上，試運轉過程應不晃動、不移動。試運轉期間，通過對導向控制系統進行仔細準確校正，校正至完全準確后開始正式鉆進。

3.3 泥漿配制

泥漿采用淡水+膨潤土+添加劑配制，用水量通常為每分鐘1.5m，按照一定比例均勻添加水和膨潤土，用強制式攪拌桶攪拌而成。定向鉆鉆進過程中，泥漿通過泥漿泵和管道回收，經過沉淀池沉淀后循環使用。泥漿指標通過泥漿三件套測量，每兩小時測量一次，泥漿的黏度是保證鉆進不塌孔的關鍵，在該工程中，黏度控制在35～40s。鉆孔泥漿經沉淀后的棄渣外運至當地有關部門指定的地點存放。

3.4 管道的安裝組焊

該工程選用高強度HDPE 管，從出土點平行于鉆進軸線將HDPE 管按照接頭朝向擺放。HDPE 管的接頭焊接采用熱熔焊，在HDPE 管回拖前對焊接完成的通長管道進行嚴密性試驗。通過對管道注水并施加0.2MPa 壓力，穩壓10min，觀察接頭部分有無滲水和輕微裂紋判斷管道的接頭性能。

3.5 導向孔鉆進、回擴和管線回拖

3.5.1 導向孔鉆進

鉆機以預定的13的鉆進角度開孔，通過導向系統控制導向鉆桿，以一定的曲率半徑逐漸調整姿態向下導向鉆進，達到設計深度（7m）時，鉆頭的方向近似調整至水平鉆進方向。施工過程中，地面操作人員隨時持儀器與鉆機操作手保持溝通順暢，謹慎控制保持鉆進角度與方向，適當控制鉆進速度，保證鉆進的順直與水平。

3.5.2 回拖擴孔成孔

3.5.3 管道回拖

定向鉆擴孔成孔后，為防止塌孔，維持孔壁的穩定性應立即進行管道回拖，管線回拖施工按照設定的回拖速率連續進行，必要時在出土點采用機械輔助進行送管，避免強制拖管導致已成孔的孔道擠壓變形。

3.6 管道外側注漿

由于擴孔鉆頭的直徑大于設計管道直徑，管道回拖完成后，在管道外壁與孔道之間的空隙中壓注水泥漿，通過使水泥漿與膨潤土泥漿產生化學反應，形成具有一定強度的水泥土，填充空隙。

4 定向鉆施工要點

4.1 鉆孔軌跡設計

水平定向鉆鉆進的軌跡通常考慮三方面因素：管道埋深和水平鉆進距離；地下管線布置；入土角和出土角的控制。該工程采用7m 的埋設深度，較短的水平距離和較小的入土角和出土角，盡可能避免對既有鐵路產生的干擾，也減少了鉆進過程中碰到孤石和其他障礙物的概率，在實施過程中也印證了鉆孔軌跡的設計能夠較為順利的實施。

4.2 預防措施

為防止在施工過程中出現回拖失敗、擴孔報廢、防止塌孔等突發情況，可提前采取以下措施：

4.2.1 定向鉆機的總回拖力主要與鉆進穿越的地層地質、管道規格和長度、回拖擴孔的直徑和擴孔質量有關。因此，可根據理論計算結合經驗估算的最大推、拉力和最大輸出扭矩選擇合適的定向鉆機。

4.2.2 定向鉆導向鉆進的基本控制指標是出、入土角、曲線偏移以及造斜段鉆桿的曲率半徑。出、入土角一般比較容易控制，進行導向作業時，應確保穿越曲線的圓滑，防止出現反向彎曲的現象發生。

4.2.3 確保導向孔質量，導向孔是預擴孔的基礎。在滿足管道回拖要求的前提下盡可能選擇較小的擴孔直徑，選用適宜的泥漿，并盡可能縮短施工周期。

5 鐵路線路監控

其一，水平定向鉆穿越鐵路施工期間，穿越路基段采用吊軌梁進行防護，普速鐵路采取限速60km/h開行；施工區域內由設備管理單位24 小時派員監護，以確保鐵路行車安全。

其二，施工過程中，對下穿鐵路路基段進行沉降觀測。在定向鉆出、入口處各設置一個沉降觀測點，并在其50m 外各設置一個控制點，在穿越鐵路正上方布置一個變形觀測點。施工時加強定向鉆的方向和高低控制確保中線標高滿足設計要求；施工結束后，鐵路兩側設置標志樁，標明管道埋深、管徑等參數。

其三，安排專人從施工開始至結束時間段內，對鋼軌的幾何尺寸進行監測，主要包括軌距和水平。在定向鉆位置的正上方鋼軌上安裝軌道尺作為觀測點，每隔5 分鐘觀察一次，當軌道尺讀數有變化時，應立即停止作業，上報設備管理單位，查找變化原因。

6 結語

管線遷改單位應在實施前與相關運輸站段位簽訂安全協議，做好現場交底，明確施工期間各自安全職責及配合方案。鐵路營業線管線遷改影響著整條鐵路的運營安全，通過應用水平定向鉆孔技術穿越并鋪設電力管道能夠對類似的通訊以及小直徑市政管道穿越鐵路遷改起到引導示范作用。