非開挖定向鉆技術在大口徑管道施工中的應用

(忻州市水利機械工程處，山西 忻州 034000)

定向鉆施工是在不便于開挖地表面的情況下，用導向鉆孔方法，在地面導航儀引導下，通過控制鉆頭的深度、傾角等參數，從起點到終點鉆一個與管線設計軌跡吻合的導向孔，然后用合適的擠擴鉆頭回擴成孔，將管道牽拉拖入孔道中，完成鋪設任務。定向鉆施工技術在小口徑市政管道施工中應用較多，汾河灌區供水管線穿越山西省清徐縣工業園區，不具備開挖地面施工條件，采用非開挖定向鉆施工技術完成管道鋪設，對大口徑供水管道定向鉆施工技術做了有益的探索和嘗試。

1 工程概況

汾河灌區節水改造工程供水管線起點為柏葉口水庫龍門供水工程末端的工業分水口，終點為汾河二壩西一支渠的十號閘，輸水線路總長7.6km，采用DN710 PE管，管道公稱壓力1.25MPa，設計流量0.75m3/s。其中樁號4+526.2～4+998.5段穿越山西省清徐縣工業園區，全長472.3m，由于不具備明挖施工條件，采用非開挖定向鉆進技術完成管道施工。

汾河灌區地處中緯度大陸性季風帶，四季分明，平均降水量453.1mm，區域氣溫變化較大，年內一般最高氣溫出現在7月，最低在1月，上凍時間在11月至次年的3月，最大凍結深度一般在2月，最大凍土深0.95m。管道位于(Q4pal)低液限黏(粉)土層，建議承載力為80～90kPa。管線位于地下水位以下，施工時存在涌水問題。

2 施工準備

為順利實施定向鉆拖拉管道施工，需從施工設備、施工專業隊伍、施工測量放線等方面做好準備。

2.1 施工設備

施工設備如表1所列。

表1 施工設備

2.2 施工人員

除正常的管道焊接人員外，定向鉆施工機組人員由14人組成。專業構成如表2所列：

表2 施工人員專業構成

2.3 施工測量

2.3.1 現場勘察

根據設計圖紙及現場地形，查明工作區的所有地下管線的基本分布和大致走向，采用儀器勘查深度,確定入土角不超過15°，出土角不超過10°。入土深、出土深、最深點深度因各段施工距離與現場地形不同各有不同。

2.3.2 平面控制放線

首先對基準點進行校準閉合，基準點校準無誤后加以保護，引測本工程的定位點以便豎向引測放線。采用RTK沿地面設計管道中心線每6m設置一個定位樁，沿定位樁撒出灰線。測出樁高程，計算樁高程和設計管道高程關系。

2.3.3 高程測控

采用水準儀進行樁頂高程閉合測量，按照設計要求精度進行控制。

2.3.4 數據復核

使用全站儀進一步復核，在復核無誤的基礎上，將所測數據用于指導定向鉆鉆進施工。

3 施工方案

采用箭式小鉆頭(外徑略大于鉆桿)打導向孔，鉆桿連接鉆頭從地面鉆入，鉆頭內置有傳送器，由地面儀器接收發出的信息，以此來調整鉆頭鉆進的方向和角度，鉆出與設計管線軌跡吻合的定位導向孔。利用定位導向孔進行反方向回擴施工，回擴過程中只攪碎設計孔徑內的原狀土。再利用清孔機械清出孔道內原狀土，形成PE管的孔道。在進行定位導向孔鉆進和反方向回擴孔時，用注水法保持鉆具的潤滑，反方向回擴施工時，要將攪碎的孔內原狀土攪拌成塑性泥漿，在清孔過程中借助機具的擠壓力，可在孔壁上形成一層光滑的護壁泥皮，用來平衡孔道內的固壁壓力，形成穩定、光滑的安裝孔道。最后利用機械將PE管拖拉入通道內，完成管道安裝。具體工序如下：

3.1 基坑開挖

工作坑開挖尺寸為長3.0m×寬2.0m×深2.0m，接收坑尺寸為長2.0m×寬1.5m×深2.0m。為便于施工，需在工作坑的一側開挖一個泥漿沉淀池，池內放置小型泥漿泵，根據排漿量大小及時進行泥漿抽排，以保證工作坑內干燥，方便擴孔施工。

3.2 機具安裝調試

依據施工方案，確定入土點位置及角度，打樁做好標高，由拖車牽引鉆機進入工作場，鉆機安裝在工作坑旁邊，鉆桿中心與管道軸線一致。確定拉管機方位后，用錨桿固定好鉆機，進行試鉆，對運轉后的機座軸線和坡度進行檢測，觀察是否有變化。同時檢查所有泥漿系統之間的聯接，查看是否有滲漏以及泥漿排污通道是否通暢。準備工作完成后，開始啟動鉆機。待鉆進6～12m后，對機具運行和計算機反饋數據進行檢查，觀察是否正常。

3.3 制漿

泥漿在專用的攪拌器中配制，在開鉆前3小時完成，以利于泥漿材料充分液化。泥漿的黏度標準應控制在既能維護孔壁的穩定，又可將鉆屑雜質攜帶到地表；泥漿pH 值控制在 10～11之間。泥漿性能指標見表3。

表3 制漿記錄

3.4 鉆導向孔

鉆鑿導向孔時，探測控制點設置間距為 6.0m，導向孔直徑φ180mm，采用箭咀矛式鉆頭。鉆進前在鉆頭盒內置入無線電發射器，在鉆進的同時，鉆頭的深度、傾角、溫度等參數隨時顯示在地面接收儀上，由地面導航儀引導鉆頭鉆進，導向孔軌跡從起點到終點應盡量與設計軌跡吻合。入土角選用9°，漸次放緩到0°；出土時漸次加陡到出土角6°，總長度472.3m。

3.5 擴孔及泥漿護壁

導向孔鉆進至接收坑，改換為三叉式擴孔鉆頭，啟動鉆機進行反方向回拉擴孔作業。反方向回拉擴孔作業時要控制勻速回拉，同時開啟水泵連續、適量的注水，利用鉆具將孔內泥土攪拌成泥漿，以保護成孔后的孔壁，防止鉆孔坍塌。根據現場地質情況，采用刮刀式擴孔器。

采用直徑為114mm的鉆桿，導向鉆成孔180mm，分4次擴孔，終孔擴至φ1000mm。第一次擴孔至φ450mm, 第二次擴孔至φ650mm, 第三次擴孔至φ850mm, 第四次擴孔至φ1000mm(見表4)。

表4 司鉆工作記錄

3.6 牽拉安裝

PE管連接采用熱熔焊接的方式，專業人員現場指導。PE管接口焊縫和管道強度經檢驗合格后，方可進行拖管操作。首先現場加工“PE管封套”封堵管頭，再在管頭連接上回擴頭，管尾連接分動器進行接管，直到將管身回拖到工作井后，卸除回擴頭、分動器的連接，取出余下的鉆桿，安裝封堵頭。

拖拉PE管作業時，嚴密注意設備顯示數據，認真查看鉆機回拖力、扭矩的變化，采取盡可能減少摩擦阻力的有效措施，平穩均勻地拖拉管道，嚴禁盲目拉拖。

3.7 注漿加固

PE管拖拉到位后，需采取注漿加固措施，以避免地面發生沉降。受到場地因素影響，本次施工采用孔內注漿的加固措施。

a.拖拉管施工前，在PE管首端連接與PE管同等長度的兩根φ25鋼管,將φ25鋼管與PE管一起拖入孔道中，并在同一拖管終點設計樁號處停止操作。到達終點設計樁號處后，卸除φ25鋼管與PE管的連接，然后在兩根鋼管首端加裝6m長同直徑的注漿花管。

b.將拖管機安裝到接收坑，連接φ25鋼管進行回拉作業。作業中每拖入6m，卸除鋼管和拖管機的連接，更換為鋼管和高壓注漿泵的連接。然后注入水泥、粉煤灰漿液，用以置換固壁泥漿，將PE管周圍的空隙填充密實，注漿比例為1∶1，注漿壓力為0.4MPa。重復作業，直至把鋼管全部拖出接收坑為止。工作坑和接收坑選用黃砂進行回填，不得含礫石、垃圾。

4 施工關鍵技術

汾河灌區節水改造工程供水PE管道為DN710，管道鉆進施工段全長472.3m。通過精心設計，周密策劃，成功組織實施了定向鉆進施工，實施中要把握以下幾個關鍵技術點。

4.1 定向鉆孔軌跡的設計

按照設計圖紙要求，管道內底高程應為746.87m，實測原地面高程為756.57m，以此計算出鉆桿應達到的深度為9.7m。根據施工現場試驗，定向鉆入土角范圍確定為0～15°，出土角按導向鉆桿及拖拉管材允許曲率半徑較大值確定為0～10°。實際選用入土角為9°，出土角為6°。定向鉆孔軌跡入土造斜段118.12m，出土造斜段128.85m，管道平直段225.33m。

4.2 導向孔鉆進控制

導向孔鉆進時，人力扳拉推進要持力勻速前進，控制單根鉆桿鉆進時長為5～8min，直推力為6～10MPa，鉆進力為5～6MPa，旋轉扭矩為8～11MPa，泥漿流量為0.3～0.5m3/min，泥漿壓力為0.7～0.8bar，轉速為1500rpm。本次施工中，除管道底部225.33m平直段管道傾角為0°外，從入土造斜段距平直段109.4m處始，嚴格按照每6m傾角放緩0.5°，直至過渡到平直段；從平直段出口一側始，嚴格按照每6m傾角加陡0.5°，一直到73.08m處固定在6°。

4.3 分序擴孔和補漿

擴孔尺寸一般按照安裝PE管外徑的1.2～1.5倍來控制，既保持了泥漿的流動通暢，最大可能地保證了管道的安全性，又使得PE管拖入順暢。擴孔工序應考慮導向孔和終孔尺寸綜合選定，本次施工導向孔為180mm，分為450mm、650mm、850mm、1000mm四個工序逐次完成擴孔。擴孔時，遇到松軟地層時快速回擴，遇到堅硬地層時保持勻速緩慢進行。

護孔泥漿壓力視不同擴孔階段分別選用不同的泥漿壓力和流量。泥漿流量為0.3～0.7m3/min，壓力為0.9～1.3bar。

4.4 管道牽拉安裝

為保證牽拉安裝順利進行，在預擴孔成型后，管道牽拉安裝應注意以下幾點：

a.泥漿濃度直接影響牽拉安裝的順利與否，正常的牽拉安裝應該在管身牽拉進入整個管長的一半時，入鉆點就開始冒漿，如不冒漿，應調整漿液濃度。

b.牽拉安裝時的泥漿壓力較之擴孔時的泥漿壓力略小。

c.牽拉開始后，應安排專人沿牽拉管線進行跟進巡查，觀察是否有冒漿點，一旦發現冒漿點，立即采取控制引排措施，避免污染環境。

定向鉆施工技術在本工程中的成功采用，最大限度地減少了工程施工對清徐工業園區的影響，保證了工期和施工安全，取得了良好的社會和經濟效益。