供熱管道穿越巖層水平定向鉆施工技術分析

許可祥

(甘肅一安建設科技集團有限公司)

供熱管道是城市基礎設施建設的重要組成部分，多個供熱管道組成供熱管道網，提供供熱保障，供熱管道在施工過程中，其鋪設范圍較大、管道長度較長[1]，如果采用開挖溝槽的敷設方式進行施工，則對于交通、環境等均會造成較大影響。因此，為降低供熱管道施工的影響，研究水平定向鉆施工技術，該技術指的是在無需進行地表開挖的情況下，完成管道的鋪設施工。該施工技術具備諸多優勢，其可忽略管道埋深、地面限制、地下水等影響，并且施工速度較快、耗費成本較小，在城市市區、市內道路、高速公路等無法開挖區域內的更是具有顯著的施工優勢，不會影響城市的交通情況以周圍 建筑物，同時滿足環保需求；并且水平定向鉆在施工過程中，更易于調整鋪設方向和埋深，有效避開地下障礙物，高效完成管道施工。

1 水平定向鉆施工技術

1.1 工程概況

為研究供熱管道穿越巖層水平定向鉆施工技術，本文以蘭州城區供熱管道改造工程為例，進行相關分析。該工程主要是對老舊二極管道進行改造，其施工詳細區域位于蘭州市四個區（城關區、七里河區、安寧區及西固區），改造施工作業點多，如果選擇開挖溝槽的方式進行供熱管道施工，則會導致多個區域發生交通影響。因此，選擇水平定向鉆施工技術。

該工程在改造過程中，使用的管道為Q235B 的低碳鋼管，其直徑為Φ800mm；在進行施工過程中，定向穿越分兩次穿越，每段出土點、入土點水平長度均為750m，總長度為1500m。并且在穿越施工過程中，需結合土層情況控制穿越施工參數，該管道在改造時，部分管道會穿越砂巖層。因此，本文以該部分供熱管道的改造施工區域內的地質結構進行勘測，其詳細情況如表1所示。

結合表1 中的勘測結果可知：管道穿越區域的地層結構較為復雜，巖層的硬度相對較高，裂隙發育，因此，在水平定向鉆施工時，會極大程度損壞鉆頭；并且，在施工時，會形成較大量的大顆粒鉆屑[2]，因此在施工時，為保證泥漿最大程度帶出孔內的鉆屑，避免形成鉆屑床，引發鉆具卡鉆現象，需保證較好的泥漿性能。

1.2 施工方法

1.2.1 施工整體流程

水平定向鉆施工技術在應用過程中，鉆桿前端安裝傳感元件，通過該元件的地面追蹤，可靠掌握導向鉆頭的方向和深度[3]。結合工程的實際情況以及施工需求，確定水平定向鉆施工所需設備以及設備的使用順序結構，如圖1 所示。水平定向鉆機使用的鉆頭信息如表2所示。

表2 水平定向鉆機使用的鉆頭信息

確定所需的水平定向鉆機使用設備后，制定水平定向鉆施工流程，其關鍵施工步驟情況為：施工前準備、測量放線、確定穿越路線、設備準備和安裝、導向鉆孔、擴孔和泥漿護壁、管道焊接、牽引管道穿越、管件焊接、試壓沖洗、土方回填。其中，導向孔的施工鉆進參數詳情如表3所示。

在擴孔和泥漿護壁施工階段，為保證較好的施工效果，避免發生鉆頭卡鉆、同時實現孔壁保護，需完成泥漿體的優選，以此有效控制施工成本，則泥漿的性能參數如表4所示。

表4 泥漿的性能參數

鉆孔泥漿的用量計算公式為：

式中：

k表示比例系數；D表示管道內徑；L表示穿越長度。

1.2.2定向鉆施工

⑴地錨坑

在鉆機準備就緒后，需要測量人員進行測量放線工作，此時，要參照設計圖紙，以確保鉆機軸線與穿越曲線的軸線重合。在進行施工前，需要挖掘一個地錨坑，其中心線必須位于穿越中心線上，地錨坑的尺寸為7 米長、4 米寬、3.5 米深。同時，也需要調整鉆機的鉆進角度，使其與人土角吻合。

為了確保鉆機的平穩性能夠得到更好的保證，應該對其進行一定的加固處理工作，主要是在鉆機上鋪設一層鋼板。這樣，不僅可以提高鉆機的穩定性，還能夠降低施工過程中的風險。鉆機的錯固裝形式也非常重要，應該選擇合適的方式來進行固定，以確保其在施工過程中不會出現偏差。

經過測量放線和角度調整后，如果條件允許，還可以使用遙感技術對鉆機進行實時監測，以確保其在施工過程中始終保持穩定。只有在各個方面都做好了充分準備后，才能開始施工工作，以保證鉆機施工的效率和安全性，同時也為后續的工作提供有力保障。

⑵鉆導向孔

在所有設備調試安裝好之后，根據以上確定的導向孔施工參數鉆導向孔。在此之前需要先進行試鉆，價差鉆頭的水眼是否存在堵塞的問題，若無堵塞，則可繼續開展相應的工作。在進行穿越施工過程中，鉆導向孔工作是一個至關重要的環節。為了確保施工質量，我們需要按照設計曲線進行施工，在測量管徑大小后，確定每根鉆桿的折角。同時，在施工過程中，我們需要做好測量和記錄工作，對鉆頭的位置進行記錄，并設置數據控制點。控制點之間的間隔應約為6米，每鉆進1米，就需要記錄鉆頭的位置數據，以便更好地進行控制工作。此外，我們還需要對鉆孔的方向進行控制，確保鉆孔曲線與設計穿越曲線相吻合。因此，在進行導向孔鉆進時，應該先進行有線控線系統的測試，并調整完畢后再進行正常鉆進。所有這些措施都是為了確保穿越施工的順利進行和施工質量的保證。

⑶預擴孔

在進行施工過程中，需要進行擴孔工作以確保效果。在預擴孔工作之前，應當確保鉆具的連接有序：鉆桿→擴孔器→旋轉接頭→鉆桿。此外，為了增加環形空間，需要盡可能減小回拖拉力，進行11 次預擴孔工作和2 次洗孔環節。隨后，需要結合實際施工環境，進一步確定清孔次數。只有在滿足施工要求的清潔程度之下，方可進行回拖工作。在回拖的過程中，需要仔細關注表盤讀數，并記錄擴孔數據，為下一次擴孔工作做好準備，確保施工環節質量得到保障。因此，在施工流程中，預擴孔工作以及環形空間的增加，是必不可少的。同時，清潔度也是重要的考慮因素。只有嚴格按照要求進行工作，才能保障施工的效果。這一過程是一個嚴謹、復雜的過程，需要更加謹慎地執行，避免出現任何差錯。在施工環節中，各項數據都應得到精確記錄，并依據實際情況，進行必要的調整和處理。只有這樣才能確保施工的質量。

1.2.3施工工藝參數計算

在進行水平定向施工過程中，需確定最佳的泥漿壓力，通過該壓力保證孔內泥流和鉆屑顆粒的攜帶效果，保證施工的正常進行，因此，需確定最小的泥漿壓力和最大允許的泥漿壓力。

最小泥漿壓力指的是在導向孔環區域內，保證泥漿循環流動的門限壓力值；水平定向鉆施工時，在正常情況下，鉆頭所在位置均低于泥漿排出口[4]，所以需有效抑制該高度差形成的靜壓力影響，以流體力學為參考，靜壓力P1的計算公式為：

式中：γb表示泥漿重度；h表示高度差。

水平定向鉆在不同的施工步驟中，泥漿的流變性會發生變化，其循環流動性需有效降低初始剪切阻力的影響[5]。泥漿從導向孔流向環空區域時，所需的流動壓力和環控體大小、泥漿流動特性、泥漿流速等參數存在直接關聯，則泥漿在導向孔內流動時所需的壓力計算公式為：

鉆孔過程中，左、右兩側入土點的最小泥漿壓力分別用PzL和Pzr表示，兩者計算公式為：

式中：LL表示鉆頭和入土點之間導向孔長度。

依據上述同理，可獲取擴孔施工和回拖施工步驟中，左右兩側入土點的最小泥漿壓力計算公式：

式中：rp,max表示大塑性區半徑；M表示泥漿的機械強度，即泥漿抵抗外部壓力的能力；P0表示初始應力；σ0表示粘結應力；ra表示鉆孔半徑；Pe表示鉆井液壓強。

2 水平定向鉆施工結果分析

通過上述施工步驟和施工參數完成供熱管道穿越巖層施工后，獲取水平定向鉆施工管道軌跡，并將其和設定的軌跡進行對比，結果如圖2所示。

圖2 水平定向鉆施工結果

依據圖2 顯示結果可知：通過水平定向鉆施工后，管道的施工軌跡和設定管道軌跡幾乎完全吻合，偏差極小；因此該方法的施工效果較好，滿足供熱管道穿越施工需求。

3 結論

穿越巖層水平定向鉆施工技術在施工過程中，會受到土層地質情況、導向彎曲以及施工環境等因素的影響，其施工效果會影響其施工軌跡結果。本文針對供熱管道的改造工程的實際情況，選擇并設定相關的施工步驟和施工參數，完成供熱管道穿越巖層水平定向鉆進施工，并且施工軌跡和設定軌跡幾乎吻合，滿足施工需求。可為相關工程的施工提供可靠依據。