水平定向鉆技術在濟寧南水北調(diào)續(xù)建配套工程中的應用

孔祥偉

水平定向鉆技術在濟寧南水北調(diào)續(xù)建配套工程中的應用

孔祥偉

一、前言

濟寧市南水北調(diào)續(xù)建配套工程是發(fā)揮南水北調(diào)東線一期工程效益的一項重要工程措施，其基本任務是從南四湖取水后，沿泗河灘地鋪設主管道分別向濟寧市高新區(qū)、鄒城市、兗州市、曲阜市供水。工程由2座泵站和77.5km供水管道組成，工程總投資56097萬元，年供水量4500萬m3。由于工程位于濟寧經(jīng)濟發(fā)達區(qū)域，供水管道沿線共需穿越鐵路2處、高速公路3處、主要交通公路23處、主要河流3處及城市高標準綠化帶14.6km，這些特殊條件管道若采取開挖或頂管方式施工將極大提高工程成本，也會對原有專項設施造成破壞。為此，工程引用螺旋鋼管水平定向鉆技術，成功解決了特殊地段下的管道鋪設難題。

水平定向鉆穿越施工技術是在不開挖地表的情況下進行地下管線鋪設的一種城市建設新技術，它以獨特的技術優(yōu)勢得到廣泛關注和發(fā)展。目前水平定向鉆鋪管技術在單一地層、短距離施工中，理論和施工工藝都比較成熟。但在工程地層復雜、長距離穿越、大管徑管道情況下，定向鉆技術還存在很多不足。隨著我國建設的高速發(fā)展，加緊對特殊條件下進行定向鉆技術的研究具有重要的實踐意義。本文結合濟寧市南水北調(diào)續(xù)建配套工程供水主管道長距離穿越泗河，具體介紹定向鉆技術的應用。

二、地質(zhì)情況

工程供水主管道穿越泗河是工程采取長距離定向鉆拉管實施穿越的第一段，也是實驗段。根據(jù)現(xiàn)場勘察，地質(zhì)條件為：①雜填土（Q4ml）層底埋深平均1.10m；②粉質(zhì)粘土（Q4al+pl）層底埋深平均4.20m；③粉質(zhì)粘土（Q4al+pl）層底埋深平均7.70m；③-1中砂（Q4al+pl）層底埋深平均9.50m。根據(jù)地質(zhì)情況、穿越長度、河底高程、鋼管性能等指標，設計以③層及③-1層為管道主要設置層。

三、技術難點

1.控向難度大

由于地質(zhì)條件復雜,大范圍出現(xiàn)軟硬不均的地層，穿越距離長、深度大，大范圍水域無法布置Paratrack地面信標系統(tǒng)，準確控向難度大。

2.泥漿工藝要求高

工程穿越主要設置層存在砂層，為防止泥漿漏失和塌孔，要求泥漿的固壁性能好，同時要求泥漿的懸浮、攜屑性能強，以保證鉆屑的順利排出。

3.司鉆及鉆進工藝技術要求高

穿越地質(zhì)條件復雜，各地層的過渡穿越技術要求高；長距離砂層穿越，需要克服鉆機扭矩大的難題，同時由于砂層在預擴孔階段的修孔能力差，如何保證導向孔曲線的圓滑過渡是關鍵，以預防擴孔和回拖期間卡鉆事故的發(fā)生。

四、施工準備

1.測量放線

測量放線采用全站儀、GPS等測量儀器，測算出、入土點的水平距離及高程，并在入土點標定2～3個控制點對鉆機擺放控位測量，為方位角的確定提供基準線。根據(jù)需要布置人工磁場控制點24個，并記錄所有控制點的坐標、高程。方位角的確定是以出入土點連線為基準，采用Paratrack2控向系統(tǒng)在地面確定穿越線路的方位角。具體做法是將探棒放入無磁導向鉆艇內(nèi)，并將無磁導向鉆艇放在出入土點連線、延長線，將鉆鋌以0°方向與控向設備連接測出方位角、工具面向角及地磁強度，并反復取3～5組數(shù)據(jù)，然后取幾組數(shù)據(jù)的平均數(shù)，作為導向中使用的方位角。在測量方位角時無磁鉆艇要遠離高壓電線，并應與鉆機、發(fā)電機等施工設備保持一定距離以減少磁場干擾，確保采集數(shù)據(jù)的準確性。

2.控向參數(shù)及軌跡設定

控向參數(shù)是定向鉆導向成功的關鍵工序，是定向鉆穿越必不可少的步驟。控向參數(shù)包括：方位角、傾角、出入土點坐標及高程、人工磁場控制樁坐標及高程等。出入土點坐標及高程、人工磁場控制樁坐標及高程應先通過專業(yè)轉(zhuǎn)換軟件轉(zhuǎn)換后輸入操作系統(tǒng)。在實際導向過程中，應根據(jù)測定的數(shù)據(jù)對方位角、傾角進行修正。實施前工程的各項指標設計出最優(yōu)化的導向鉆進軌跡，長距離砂層穿越在滿足設計要求的情況下，適當?shù)胤糯蟠┰角€的曲率半徑，以便在控向過程中有更大的空間對穿越軌跡進行校正。

3.泥漿配置

泥漿是定向鉆穿越工程中非常重要的因素，一般由水、膨潤土及泥漿添加劑等配成，由于工程地質(zhì)情況復雜、穿越直徑和長度大，穿越主要地層為砂層，為確保能夠穿越成功，要求泥漿有良好的流變性，保證有較強的攜帶鉆屑的能力；有較低的摩擦系數(shù)，良好的潤滑性能；有較強的護壁作用，在孔壁形成一定力學強度的泥皮，以維護孔壁穩(wěn)定，防止泥漿漏失。對此，進行了泥漿配比優(yōu)化的方案為：（1）泥漿粘度不低于60s。（2）在水中加入純堿，使水軟化，改善水質(zhì)，提高水的pH值。（3）膨潤土采用高效土。（4）增加泥漿儲存罐。（5）及時測量泥漿各項參數(shù)及返出地面泥漿的各項參數(shù)。

五、定向鉆實施

1.導向孔

導向孔是定向鉆穿越施工過程中重點控制的關鍵工序，直接影響鉆機回拖時回拖扭矩與拉力的大小。因此，導向孔與設計穿越曲線是否重合是關系到管道最后回拖成功的關鍵。由于工程各地層地質(zhì)特征差異大，鉆進的過程中比較容易偏向相對較軟的地層，造成與設計曲線發(fā)生偏移。對此采取了應對措施：（1）保證鉆機就位方位與設計管線中心線重合。（2）采用人工布置磁場與地磁場相互結合的方法，消除外部磁場干擾。（3）在穿越過程中，對不同的地層，控向員根據(jù)扭矩、推力、推進速度等數(shù)據(jù)及時調(diào)整角度，調(diào)整范圍控制在每次0.1°左右，以獲得需要的傾斜角與方位角。

2.預擴孔、清孔

預擴孔前，應制定優(yōu)化的擴孔方案確定最大擴孔直徑和擴孔次數(shù)。（1）根據(jù)不同的穿越地層選擇擴孔器的尺寸和型式，相鄰兩級擴孔器的為級差150～300mm，以達到最佳的擴孔效率及鉆屑的順利排出。（2）在長距離擴孔期間，一定要控制合理的拉力和扭矩。大多數(shù)砂層擴孔事故都是因為過度追求擴孔速度，施加的鉆壓過大造成的。（3）泥漿是擴孔時的重要因素，主要作用是冷卻擴孔器和攜帶鉆屑。正常情況下會有返漿現(xiàn)象出現(xiàn)，泥漿的實際排量應根據(jù)每級擴孔產(chǎn)生的鉆屑量和泥漿的攜帶能力確定。（4）地層過渡時，操作要點是首先放慢擴孔速度，降低鉆壓，待擴孔器本體完全進入后再加大鉆壓并及時適當修整曲線。（5）在清孔的過程中要控制好泥漿的排量，最大限度地攜帶出鉆屑。

3.管道回拖

（1）回拖管在管道發(fā)射支架均勻放置，且無懸空和管道貼地，以保護管線外防腐層；入洞發(fā)送溝開挖順滑，能保證鋼管彈敷進洞，避免硬性回拖；擴孔器旋轉(zhuǎn)和回拖速度應均勻，回拖速度≤2.5m/min；保持泥漿回流。（2）管段與鉆具連接順序為管線+連結頭+旋轉(zhuǎn)接頭+擴孔器+5 1/2″鉆桿；擴孔器直徑比穿越管道直徑大，目的是減小拖拉力，保護防腐層；全部連接完后應送泥漿沖洗；管道回拖施工應連續(xù)進行，除發(fā)生不可抗拒的原因外，嚴禁在施工中無故停拖；回拖過程中，要認真觀察漿泥運行情況。（3）管道回拖出土，用60″的B型大鉗與單斗、人工配合卸下鉆桿、φ33擴孔器、回拖萬向節(jié)和“U”型環(huán)等機具，割掉回拖頭，用事先準備好的盲板將回拖管管口焊接封堵。

六、結束語

濟寧市南水北調(diào)續(xù)建配套工程供水管道采用定向鉆技術穿越泗河的順利實施，積累了寶貴經(jīng)驗，對工程解決其他特殊環(huán)境下的管道鋪設提供了成功的技術支持，確保了工程建設的順利實施。2016年12月26日，濟寧市南水北調(diào)續(xù)建配套工程通過試通水驗收，已發(fā)揮工程的供水效益■

（作者單位：濟寧市南水北調(diào)工程建設管理局 272000）