定向鉆施工中的地質巖土學應用

馮 濤

(安徽兩淮建設第四工程處，安徽 宿州234000)

目前，市政工程建設中，在城市繁華區和地下、水文地質情況復雜或者臨近鄰街建筑的情況下，排水管道或者其他管線的施工，不能明開挖施工時，需要采取非開挖技術解決問題。定向水平鉆在非開挖技術行業中，具有不開挖路面、不阻斷交通，不影響環境等優點，具有明顯的經濟效益和環境效益，應用前景十分廣闊。

1 定向鉆穿越工程

水平定向鉆穿越設計是一個全面的系統設計，它涉及的設計面非常廣，其中包含了管道安裝、地質、力學、材料等學科知識。定向鉆穿越工程設計，結合了施工現場的實際情況、城市燃氣管道設計規范以及水平定向鉆施工規范的要求。該方法的主要特征是利用高壓泥漿配合整個施工頂進過程，具有適應土質范圍廣、施工速度快、對周圍環境影響小、安全系數高等特點，與其他施工方法相比，更具有環保效果好、工程造價低、施工質量好等優勢。

每項非開挖工藝都具備一定的風險，但如能做好地勘，詳細了解所穿越地段地質風險，認真研究和結合地勘，采取相應措施，便能規避風險。物探方法按定位原理有:電磁法、直流電法、地震波法和紅外輻射法等。通過采集所需數據，進行管道設計軌跡優化，提高管道軌跡的科學性。

2 定向鉆施工

2.1 穿越導向孔設計與施工中的工程地質學和巖土力學

1)對巖層水平鉆進鋪管施工工藝進行了全面、系統的研究。對巖層水平定向鉆進鋪管施工中各個階段的關鍵技術進行了較為深入的理論研究，并成功有效地指導實際施工，形成一整套基本成熟的巖層水平定向鉆進鋪管施工工藝。如為了解決距離超過1 800 m以上的定向鉆施工中鉆桿因(Sinasoidal)變形出現失穩現象，造成控向困難的問題，通過對鉆桿在長距離軟粘土層變形失穩的理論分析，在吸取多方面專家意見和現場經驗的基礎上，研究控向糾偏技術理論，在實際施工中加以應用，提高施工的精度。

2)在充分分析和研究施工區域的工程地質結構和水文地質分布，采用多重減震措施和實時注水降溫技術確保孔底導向儀器的正常工作。針對空氣潛孔錘導向孔施工時孔底惡劣的工作環境，采用多重減震措施使儀器在孔底強烈的震動中仍能正常工作;同時采用不停鉆、實時注水降溫技術在鉆進過程中向鉆具內部注入冷卻水，使孔底儀器的環境溫度保持在許可的范圍內。

3)高硬度巖石擴孔工藝

巖層水平定向鉆進空氣潛孔錘導向孔施工工藝。在實際導向孔施工中，提高鉆進時效，高出孔底螺桿馬達和雙層鉆具系統的鉆進時效，對提高巖層水平定向鉆進鋪管的施工效率、降低施工成本有著非常重要的意義。高強度巖石擴孔極易出現巖屑卡鉆和鉆具損壞，從而導致定向鉆失敗的現象。在實際工程中，定向鋪管鉆進系統和清渣措施的有效結合，會使實際施工取得非常理想的效果。，大幅度地提高施工效率，降低施工成本，它的解決在定向鉆進鋪管施工領域具有劃時代的意義。

4)管道定向鉆穿越工程所要穿越的巖石段，巖石的最高硬度可以達到140 Mpa，穿越巖石硬度做為現在施工的主要課題。通過對現場地質構造的模型的建立和分析研究，編制相應的擴孔孔徑設置、擴孔器改造、擴孔泥漿工藝改進等方面的方案，并在實際中加以試驗應用，制定出有效的高強度巖石擴孔工藝，才能取得良好的效果。

3 泥漿配比與控制

3.1 孔的成功與否關鍵在于成孔

如何保證形成弧頂，防止塌方的問題，解決孔內清土除渣，故此在鉆導向孔時，按照地質構造的不同詳細制定出合理的泥漿配比方案，在不同的地質情況下選用不同的泥漿配方，再考慮到穿越距離長為防止融土包裹鉆具，所以在化學聚合物中，按比例配制專用的防糊鉆液，可進一步降低孔道中的阻力。雖然表面地質通常為雜填土、黏土，但在下部有風化流紋斑巖、微風化碎裂狀石英巖、強風化巖，沙下風化巖。為此現場還應預備高效膨潤土以及配合使用其它輔助添加劑為土質變化準備應急措施。

還要盡可能的考慮到施工區域的地層承載力和含水率，對于狀態不同的地質巖土結構，在其出現變層或者斷層的時候，根據結構力學和地質力學的理論，施工機具受力的不均，造成標高或者軸線的位移，在管道的實際安裝中由于拐點容易出現事故。含水率和地下水的流動性的不同容易對泥漿的粘度造成很大影響，而且在施工過后的運營中，給管道的氣密性、使用年限形成影響，最主要的是造成周邊環境的的地質改變，如果不在施工方案中加以考慮，必然形成重大的安全隱患。

3.2 泥漿控制

按照事先確定好的泥漿配比用一級鈉基膨潤土加上泥漿添加劑，配出符合要求的泥漿。使用的泥漿添加有:降失水劑、固壁劑、黏土分散劑等。為確保泥漿的性能，保證膨潤土有足夠的水化時間，一般采取兩套加料配漿系統，延長泥漿循環周期。水源的采用一般是自來水，抽入水罐內加堿軟化，降低Ca、Mg離子含量，改善水質，同時提高水的pH值，水的pH值為9～10時最適合膨潤土的水化。根椐穿越段地層情況，在鉆導向孔階段，泥漿黏度控制在45 s～50 s;在預擴孔和回拖階段泥漿粘度提高5 s～10 s即達到50 s～55 s。

4 復雜地層管道穿越施工

管道定向鉆穿越的地層地質結構，地質變化，包括中風化流紋斑巖、微風化碎裂狀石英巖、強風化巖等。并且由于地處環境和地區不同，各種配套設施也可能夠不完善，施工場地的局限，氣候的影響，因此其整體穿越工藝的科學性變得極為重要。

針對具體的施工難題，在穿越各地層所采用的設備選用、不同地層導向孔穿越以及擴孔施工工藝、地面管線預制方案、回拖實施方案等進行整體的研究，在導向孔鉆進、擴孔工藝及泥漿控制等方面實現突破，解決復雜地層特別是復雜地質條件下的定向鉆穿越問題。

4.1 復雜地層管道穿越工程力學分析

基于定向鉆施工中的材料力學、彈性力學、可靠性理論及有限元方法，分別研究穿越管道施工過程現場得巖土載荷與施工穿越(包括管道試壓、鉆孔和擴孔以及管道回拖等關鍵施工過程鉆桿與管線的應力及強度校核)、管道運行過程的應力狀態、沉降規律、穩定性、管土相互作用以及管道局部減薄的可靠性分析。對于施工環境的影響和治理有很大的意義。

4.2 穿越管道工程安全風險綜合評價

4.2.1 穿越管道施工引起的穩定性改變

基于管土間動力相互作用，穿越管道的地質地層載荷穩定性能的改變與抗震可靠性進行數值模擬分析，對于道路和建筑作用下穿越管道施工后地層應力以及土和管道參數對穿越管道抗震性能及其地面構筑物的影響，確定穿越管道在地震作用下的強度安全。由于施工工藝的原因造成施工區域的地質地層載荷穩定性能的改變，形成極大的安全隱患。(包括輔助施工措施降水、注漿、樁基)

4.2.2 邊坡穩定性分析

在邊坡范圍內工程地質、水文地質調查研究的基礎上，通過試驗與理論相結合的方法確定出邊坡的典型巖石和弱面的物理力學參數，并選取合理的計算參數，針對具體的巖體賦存條件，采用彈塑性極限平衡法和有限元法對研究范圍內的邊坡穩定性進行分析。尤其是河堤區域的施工。

4.2.3 穿越管道施工過程中的地質巖土應用

針對管道穿越工程地質條件復雜、穿越距離超長，施工難度前所未有，施工過程的風險更是不可預測，在同類工程中結合地質巖土理論應用于管道施工過程，能在很大程度上降低施工風險。而且在施工設計時盡可能的減少和降低重復施工和多次施工。

4.2.4 穿越管道運行中的地質巖土研究

結合地質和巖土學理論，在施工結束后的運營過程中，對穿越管道失效因素進行理論分析，評價穿越管道的失效可能性，通過模糊數學理論，評估穿越管道在設計壽命內的運行風險，以及由此引發的地質穩定性改變。建立后期的檢修和運營成本理念，全面細致的做好施工建設工作。

5 結語

通過以上工作，基本可以構建一個全方位的定向鉆施工中地質和巖土學的應用貫穿始終。當然在設計到施工的整個過程中，必須與地質和巖土學緊密結合才能有一個比較完善的理論體系指導。

［1］高大釗，袁聚云.土質學與土力學.第3版北京:人民交通出版社，2001.3.

［2］孔憲立，石振明.工程地質學［M］.第1版.北京:中國建筑工業出版社，2001.

［3］張咸恭，王思竟敬，張倬元等.中國工程地質學［M］.科學出版社，2000，10.

［4］石油天然氣管道穿越工程施工及驗收規范.SY/T4079－95.

［5］給水排水管道工程施工及驗收規范.GB 50268－2008.

［6］陳志成.水平導向鉆進非開挖鋪管技術應用.管道工程，2005，1.