定向鉆孔在穿越南水北調中線總干渠的應用

□劉百靈 □鄭臣明 □楊志飛（河南省豫北水利勘測設計院）

1 工程概況

亞新鋼廠供水管道是河南省安陽市湯陰縣琵琶寺水庫為亞新鋼廠供水管道，為單根DN450mm玻璃鋼管壓力管道。原供水管線在南水北調中線總干渠樁號Ⅳ180+967.20處與南水北調中線總干渠交叉。供水管線與總干渠軸線交角63°，交叉段起點位于長沙溝以南、總干渠以西，終點位于長沙溝以北、總干渠以東，交叉段原管道長度為231m。

2 方案比較

方案一：供水管道采用水平定向鉆PE管穿越南水北調總干渠，然后采用溝槽開挖玻璃鋼管道直接埋地穿越長沙溝與原有玻璃鋼管道連接。該方案工程投資200.21萬元。

方案二：采用玻璃鋼管倒虹穿越南水北調總干渠和長沙溝，平行于長沙溝倒虹吸軸線方向采用玻璃鋼管倒虹吸（總干渠底部做套管）自西向東垂直穿越總干渠，在總干渠東側征地線外轉向正北，垂直穿越長沙溝，與原供水管線連接。該方案工程投資298萬元。

上述方案二為大開挖方案，施工工藝簡單，但是對南水北調中線總干渠渠底泥灰巖地質破壞比較大，投資大；方案一不影響施工環境，對渠道泥灰巖破壞小，管道在地下不受擾動，使用壽命較長，施工周期短，投資小，故推薦采用方案一，即采用水平定向鉆PE管倒虹吸穿越總干渠方案。

3 穿越段管道設計

3.1 設計前的準備工作

水平定向鉆拖拉管的布置方案受多種因素影響，其中最主要的是現場地上和地下條件。現場地上條件包括地形、地貌以及周圍建筑物、河流等；地下條件包括工程地質、水文地質、現有地下管道、地下水和地下隱蔽工程等。因此，在水平定向鉆設計前必須取得第一手的地質資料，為編制設計方案和計算工程造價提供依據。這些資料一般包括穿越地層的土質類型和結構，土質的主要物理力學特性(特別是土的抗剪強度和土層的內摩擦角)、含水量、透水性、巖石硬度、含卵石或礫石的比例等。

3.2 穿越曲線設計

穿越曲線設計即尋找最理想的鉆進路徑，是水平定向鉆拖拉法設計的核心。拖拉管的穿越曲線由造斜段與水平段組成。

項目區穿越南水北調中線總干渠段兩側地形開闊，有足夠的施工場地，采用水平定向鉆方案，穿越長度為265.30m。定向鉆穿越入土角為10°，出土角為8.50°，穿越段的曲率半徑為1000D。管道位于南水北調中線總干渠渠底護砌高程以下8m，滿足南水北調工程及水平定向鉆相關要求。

水平定向鉆導向孔軌跡由斜直線段、曲線段、水平直線段組成。管道穿越控制點位置按下列公式計算：

式中：a2—入土端曲線的水平長度（m）；b2—入土端曲線的高度（m）；b1—入土端直線段的高度（m）；c1—出土端曲線的水平長度（m）；d2—出土端曲線的高度（m）；d1—出土端直線段的高度（m）；L1—底部直線段的長度（m）；R—曲率半徑（m）；θ入—入土角（°）；h1—入土端地面與底部直線段的高度（m）；a1—入土端直線段的水平長度（m）；θ出—出土角（°）；h2—出土端地面與底部直線段的高度（m）；c2—出土端直線段的水平長度（m）；L—穿越長度（m）；

經計算，入土端斜直線段長32.40m，第一曲線段長86.80 m，水平直線段長20.00m，第二曲線段長73.90m，出土端斜直線長32.20m。

3.3 鉆機選型

鉆機導向系統、孔底鉆具、鉆頭類型和尺寸根據地質條件、穿越深度、土層或巖層的造斜能力、造斜配套工具等綜合比較選用型鉆機。

回托力采用下式進行計算：

式中：F—穿越管段的回托力（kN）；L—穿越管段的長度（m）；f—摩擦系數，0.10～0.30；D—穿越管段的管身外徑（m）；Ds—穿越管段的PE管身外徑（m）；ds—穿越管段的PE管身內徑（m）；γ1—泥漿的密度（kN/m3）；γs—PE 管的密度（kN/m3）K—粘滯系數；0.01～0.03。

經計算，回托力F拉=151kN

根據國內外的類似工程經驗，一般設計時取回托力的值為計算回托力的1.50～3倍，根據本工程的施工條件，取3倍的安全系數，即設計回托力值為454kN。

3.4 管道屈曲失穩校核

穿越管段在擴孔回托時，空管在泥漿壓力作用下會發生徑向屈曲失穩，按下列公式進行徑向屈曲失穩核算。

式中:Fd—穿越管段設計系數，按0.50取；Pyp—穿越管段所能承受的極限外壓，MPa。

經核算，Pyp=3.80MPa，0.5Pyp=1.90MPa，泥漿凈水壓力Ps=0.18MPa，0.50Pyp＞Ps，故徑向屈曲計算滿足要求。

根據計算結果管材選用設計壓1.60MPa，DN450聚乙烯PE100，SDR11。

4 施工組織

4.1 測量定位放線

根據設計要求的管道位置，放出鉆機安裝位置線、管道兩端的具體軸線位置及標高；在路面上放出軸線及標高，設計詳細的導向數據。

4.2 鉆機就位和調試

鉆機必須安裝在入土點與出土點的連線上，鉆機入土角調整到設計要求。鉆機安裝后，應進行試運轉，檢測各部位運行情況。

4.3 鉆孔導向

施工過程中，謹慎處理控向數據，并適當控制鉆進速度，保證導向孔光滑。由于每根鉆桿方向改變量較小，為保證左右方向，在出入鉆點之間每隔一根鉆桿設一明顯標記。每鉆進一根鉆桿，方向至少探測二次。對探測點要做好標記，認真記錄鉆進過程中的扭矩、推力、方向改變量。導向孔完成后，根據鉆孔軌跡和數據記錄，確定此導向孔是否可用。軸線左右偏離控制在1%L（鉆進長度）內，深度偏差控制在0.50%L（鉆進長度）內。

4.4 分級反擴成孔

導向孔完成后，即可卸下控向用鉆具，連接擴孔器，試噴泥漿正常后，開始擴孔作業。穿越采用三級擴孔，每次預擴孔都進行鉆桿和鉆具的倒運及鉆具連接。

擴孔級別如下：

第一級用φ350mm擴孔器進行預擴孔；

第二級用φ550mm擴孔器進行預擴孔；

第三級用φ750mm擴孔器進行預擴孔；

第四級用φ750mm桶式擴孔器進行洗孔。

在每級擴孔施工中，要認真觀察擴孔情況。如果發生擴孔不順暢等，要進行一次洗孔。

根據地質情況及上一級擴孔情況，合理確定下一級的擴孔尺寸和擴孔器水咀的數量和直徑，保證泥漿的壓力和流速，從而提高挾帶能力。

4.5 管線回拖

回拖是定向穿越的最后一步，也是最為關鍵的一步。在回拖時進行連續作業，避免因停工造成阻力增大。管線回拖前要仔細檢查各連接部位的牢固性。

為保證回拖的順利和防腐層不受破壞，須采取以下措施：

管線回拖采用發送溝的方式或用聚乙烯塑料袋裝上松軟泥土放置在待拖管底部，并用水或泥漿潤濕。發送溝采用單斗作業，其尺寸為上口寬1m、下口寬0.80m、深0.80m；在挖發送溝時，要計算好管線進入孔洞的這一段發送溝的坡度，確保這一段發送溝與穿越孔洞的圓滑平緩，采取漂浮或其他措施降低管線回拖時管線的摩擦力。在回拖作業時，增加高潤滑泥漿，使高潤滑泥漿像薄膜一樣附著于防腐層表面，保護防腐層。

回拖前后，準備好補口、補傷材料和器具及電火花檢漏儀，安排專人巡視管線。做好剩余泥漿處理和設備轉場，恢復鉆機場地地貌。

4.6 管道試壓

拖拉管完成后，應進行必要的壓力試驗，通常包括拖拉管材連接完成后的壓力試驗以及拖拉管施工完畢的壓力試驗，這是確保拖拉管施工質量的重要手段。

5 結語

本工程采用非開挖方法施工，避免了大開挖影響南水北調中線總干渠渠底泥灰巖地質。改用PE管代替內襯鋼管，既滿足非開挖施工的要求，也滿足給水管道供水壓力和衛生的要求。實踐證明:水平定向鉆進鋪管技術作為一種新的非開挖施工方法，是穿越大中小型江河、湖泊以及不可拆遷建筑物施工中一種最佳選擇，是不破壞地貌狀態和保護環境的理想的施工方法。

隨著科學技術的發展,目前國外著名的鉆機制造商可提供商品化的軌跡規劃設計軟件。通過采集所需的全部信息,利用計算機進行最優化鉆孔軌跡設計,大大提高了水平定向鉆軌跡設計的科學性和設計效率。