小型定向鉆機大深度無信號穿越導向技術的應用——以福州市馬尾區電力改造項目非開挖穿越青州橋工程為例

福建東辰市政工程有限公司 邱永忠

1 工程概況

福州市馬尾區電力改造項目是建設大馬尾經濟區的重要項目之一，本工程與馬尾港道路改造項目同步。雖然原工期較富余，但因為現場原有建筑的影響，施工隊伍多次易手，到我司接手時工期已感悵促。本工程總量:沿青州路中心線綠化帶穿越青州橋，鋪設Φ200mmPE電力專用套管14根，單根長186米，分二孔完成。我司從2009年1月5日進入（設備是在6日晚進場），非開挖工期至2009年1月18日，1月20日整個工程結束，以迎接新春佳節。

2 現場勘察

2.1 穿越地層的地質概況

根據了解周邊建設工程的地質勘察資料和現場工作坑開挖斷面情況，本工區穿越的地層如下:上部3.6m以上為舊時瀝青道路及建筑垃圾和塊石雜填，下部是粉砂質粘土層，穿越地層對本次非開挖的鋪管施工影響不大。

2.2 穿越段的主要建筑

本次非開挖的目的是穿越青州橋，青州橋始建于上世紀80年代改革開放初期，隨著城市的不斷擴大道路加寬加高，導致青州橋被抬高，基礎埋深變大。

2.3 原地下管網探測

非開挖施工前，對現場所有地下原管網進行詳細的探查，全面收集原管網的資料，在現場地面標注其平面位置和具體埋深及管線的性質，防止施工時造成破壞。現場原有管網對本次施工沒有影響。

3 施工準備工作

3.1 現場準備

本項目因多次易手，鉆機擺放的地面被破壞，鉆機在地面不能有效固定。工期緊促，如果現制水泥墩地錨，最少浪費5天寶貴的時間，為了搶時間趕工期，最后采取鐵箱灌水泥砂漿（鐵箱尺寸:長2.5m、寬1.3 m、高1.2 m）。鐵箱埋置地下，上部略低于地面0.1米，鉆機在鐵箱上部固緊。

回填入口工作坑鉆機入口段經過前期施工方開挖障礙，工作坑總長度達11.6 m，深度3.8 m，鉆桿在入口段懸空總長度為13.5 m左右。過長的懸空會導致鉆桿在向前推的作用力下彎曲變形，在導向定位施工時對超長工作坑進行回填。回填工作分為三步:①抽干坑內積水，并清理坑內塌方塊石；②坑內下部用粘土回填并壓實；③用埋設鐵箱的棄土（雜填物）置于粘土上部再壓實。如下圖所示:

3.2 主要施工機具、設備需要計劃（見表1）

表1 主要施工機具、設備需要計劃

導向定位系統采用 Digitrak Eclipse步履式導向儀與ZT-35型非開挖鋪管鉆機配合施工。

Eclipse定位儀，因其精度高，傳感器發出的信號強，被譽為本行業最可靠的步履式定位系統之一。

ZT-35型鉆機技術參數:鉆機輸出扭矩:14000N.m；輸出轉速:0～60rpm／0～120rpm (兩檔)；鉆機回拖力:350kN；給進力:350kN；鉆桿規格:F73′3000；重量:10500kg；泥漿泵最大排量:320L/min；泥漿泵最高壓力:8MPa；動力:康明斯 160 kW/2200rpm；主機外型尺寸:7050′2280′2500（mm）。

4 鋪管施工

4.1 導向孔剖面軌跡設計

導向孔剖面軌跡，主要形式為斜直段→造斜段→平直段→造斜段→斜直段組成。本次非開挖的目的就是要讓電纜管道從青州橋的承壓臺下方穿越，而青州橋的承壓臺基礎雖經努力均無從核實。業主、設計院與公路部門多方協定，穿越青州橋的深度不小于 13.0m，以保證港口進出車輛的安全和管道的安全穿越。

4.2 平面軌跡

工程穿越的設計深度過大，加上穿越段的正上方原有電纜密布，儀器嚴重干擾，儀器的優越性能無法充分發揮。根據以往的施工經驗，深度超過6.5m左右時儀器將不能準確定位其走向，深度超過9.0m左右時會出現完全無信號現象。為了避免所施工的管道相交或相近（平面中心線距離最少大于1.5m）造成管道破壞，本次平面的軌跡采用兩孔平行，進出口中心間距1.8m。

4.3 導向施工

4.3.1 鉆機擺設

鉆機首先擺設于右孔（南側孔）,方向正對右孔中心線，鉆機就位入射傾角調整為-32%。

4.3.2 泥漿鉆液的配制

本次使用的泥漿干料是山東濰坊生產的非開挖專用膨潤土，導向施工時配制粘度用馬式漏斗測定，在30s之間。

4.3.3 施工導向孔

將信號棒裝入導向鉆頭，校準儀器后開鉆。導向定位工作分為三個階段:

（1）在較淺層—深度6.5m以內穿越段，以－30～－32%之間向下直線鉆進，鉆進總長約 20m，同時每鉆進 1.5m即暫時停鉆，準確測量鉆頭的具體位置和傾角，并記錄在案，鉆頭的走向（鉆孔方向）用油漆標注在地面，核對是否會偏移。

（2）較深段—深度6.5～9.0m以內穿越段施工，本穿越段只改變鉆孔的弧度（傾角）和深度。根據非開挖鉆進的特性，在均勻地層中回轉鉆進，其孔徑方向呈直線前進。孔徑改變是導向系統指導導向鉆頭的操作來完成的。對導向鉆頭施加推力，通過鴨嘴斜掌和鉆頭之間形成一個傾角，如下圖:

根據斜掌掌面朝向不同，引導導向鉆頭改變軌跡。月什導向系統中，放置于鉆頭內的發射信號棒，其一周圈按 24等分，在行業內稱時鐘，以12個整點和各半點顯示。鉆孔改變方向的特性是以正面面對時鐘方向，如下圖:

顯示 “12”和“6”為向上和向下改變傾角，平面走向不變；“3”和“9”為向右和向左彎曲并且保持傾角不變； “12.5—2.5”為向上并向右改變方向、“3.5—5.5”為向下并向右改變方向、“6.5—8.5”為向下并向左改變方向、“9.5—11.5”為向上并向左改變方向，平面走向和傾角均變化。在這個穿越段的深度是以測量距離的參數結合計算值作鉆孔的深度，儀器雖然不能對鉆孔的走向做出精準測量，但鉆孔方向以深度極小值點作參考。準確記錄面向角12點鐘時，鉆頭每勻速向前推進0.5 m、1.0 m、1.5m時傾角向上變化和給進壓力表的具體參數。深度9.0m傾角保持10%。

（3）9.0m 以上的導向施工技術是本次的難點。在儀器不顯示任何參數的情況時，對導向鉆頭作準確的測量是不可能的。面向角主要是人為標注的方法，施工的手段主要以回轉鉆進直線下降，深度采用傾角結合下降長度計算，鉆孔埋深13.0m時，采用面向角“12點鐘”推進，以兩根鉆桿使鉆孔進入水平狀態（估算值），繼續回轉鉆進至108m（過橋10m）。采用面向角“12點鐘”向上推進，使傾角達35%左右后一直向上回轉試鉆，使盡快讓孔徑變淺，連續測量三個以上導向鉆頭的準確位置，判斷是否偏移，再把導向鉆頭撤回117.0m傾角15%左右的鉆孔點回轉，讓孔徑慢慢變淺直至信號正常后才能放棄人為標注面向角的工作。

本次導向施工成功的關鍵是，長距離人為標注面向角的準確度。本次人標注的面向角為“12點鐘”方位。具體如下:在鉆機動力頭的中心點和前、后夾持器固定鐵件中心點上各取一點，要求三點成一直線。鉆孔孔深導向施工至9.0m左右即將無信號狀態時，鉆機的面向角調整到“12點鐘”方位，取木匠用的墨線在鉆桿中心線上畫一條直線，并檢查延長線與鉆機上的三點的直線是否重合。隨著向前施工，中心線標記也連續一直向后延長，直至有穩定的面向角信號。每當需要向上改變弧度時，即調整鉆桿標注的中心線與鉆機上三點的直線重合時當作面向角“12點鐘”的方位施工，保證鉆孔孔徑走向不偏移，給后續左孔留下空間。

當右孔導向施工完成后，鉆機擺放至左孔，用相同的方法施工導向孔，并保證孔徑的平面距離不小于1.5m回拖擴孔和鋪管工作。

4.4 回拖擴孔

本工程鋪管管徑是600mm（采用3+2+2捆綁方式），根據孔徑與管徑系數 1.2～1.5倍的施工要求，最大孔徑采用Φ800mm擴孔器施工，分五級四次回擴，第一次用Φ400mm擴孔器，第二次用 Φ600mm擴孔器，第三次、第四次用Φ700mm、Φ800 mm擴孔器回擴施工。

4.5 鋪設管線

把每根9m長的PE短管采用熱熔焊接技術連接成198m的整根管柱，遠離下管坑的尾端用管帽密封，管柱前端用園椎形硬木牢牢固定后與鉆具連接，回拖鋪設管線。

5 結束語

在競爭日益激烈、技術手段不斷創新的市場經濟環境下，如輕易放棄，不但給企業造成經濟上的損失，也會給業主留下負面的影響。通過本次施工，為往后的非開挖施工積累了豐厚經驗，同時也為企業贏得了良好的社會效益。