定向鉆技術(shù)在引洮二期配套靜寧縣城供水管線工程中的應(yīng)用

柳爾偉

(甘肅省水利水電工程局有限責(zé)任公司， 甘肅 蘭州 730000)

定向鉆施工進(jìn)度快，適合黃土區(qū)地質(zhì)，可完全避免明挖施工存在的征地協(xié)調(diào)難、施工開展難、安全防護(hù)難、完工恢復(fù)難等問題，達(dá)到加快施工進(jìn)度、節(jié)約工程投資的目的。以引洮二期配套靜寧縣城供水管線工程為例，介紹采用定向鉆技術(shù)施工需考慮的鉆機(jī)選型、軌跡設(shè)計、泥漿配置、擴(kuò)孔及清孔施工、回拖管材等內(nèi)容，為定向鉆技術(shù)在供水管線工程施工中的應(yīng)用提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程內(nèi)容

引洮供水二期配套靜寧縣城鄉(xiāng)供水縣城工程為甘肅省引洮供水二期配套工程的一部分，主要建設(shè)內(nèi)容是新建1座196萬m3調(diào)蓄水池，1座加壓泵站和調(diào)蓄水池至水廠的1.6 km輸水管線，以對接縣城供水管網(wǎng)，承擔(dān)引洮二期停水檢修期靜寧縣城生活和工業(yè)用水任務(wù)。

1.2 管道路線與用材

靜寧縣城供水管線從新建調(diào)蓄水池旁加壓泵站出水口開始，最終至G312國道與靜寧縣輸水骨干工程管道相連結(jié)束。管線途經(jīng)烽臺山景區(qū)，上山段至烽臺山龍馬園北地面高程1 725 m平臺處折向正南方。后至龍馬園東部1 740 m高點，折向西南下山坡至G312國道，接入骨干工程管線，全長約1.6 km。管道采用DN450涂塑復(fù)合鋼管，管材采用Q355C級鋼板。

1.3 工程地質(zhì)

項目位于黃土高原區(qū)，管線經(jīng)過的烽臺山主要為上更新統(tǒng)中期風(fēng)積物(Q32eol)，巖性為土質(zhì)均勻的低液限黏(粉)土，淺黃色，結(jié)構(gòu)松散，垂直節(jié)理發(fā)育，為黃土，厚度最小位置約15 m，厚度最大位置約35 m，該工程管線施工均處于該地層中。該段地質(zhì)主要存在管基土濕陷性、開挖邊坡穩(wěn)定等問題。

1.4 方案比選

管線0+814.73-1+029.32段為烽臺山上山段，地面高程從1 672.99 m提升至1 730.64 m，該段線路較陡、林木茂盛。管線1+218.53-1+560.09段為烽臺山下山段，目前線路途經(jīng)多座建筑物，左側(cè)墳?zāi)馆^多，右側(cè)為林木和墳?zāi)?。下山段有一條混凝土路面道路，路面寬3.5 m，路兩側(cè)種植有側(cè)柏，樹齡20年左右。經(jīng)調(diào)查路權(quán)不明確，該路也是附近村民通行的唯一通道。如采用明挖方式施工，占地面積大、施工難度大、協(xié)調(diào)難度大、林木砍伐手續(xù)繁瑣且周期長，施工后恢復(fù)難度大，成本高投資大。如線路調(diào)整也存在墳?zāi)惯w移及賠償問題。將管線明挖埋入現(xiàn)有道路下可行性也不高，以上方案均征地階段耗時過長，影響施工進(jìn)度，增加施工成本。

針對以上問題，通過現(xiàn)場查勘，決定不再采取明挖鋪設(shè)施工方式，工程區(qū)現(xiàn)場情況與地質(zhì)情況適合定向鉆施工，因此適宜采用定向鉆施工方案。

2 施工要點

2.1 鉆機(jī)選型

鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭矩和回拖力是主要性能參數(shù)，也是設(shè)計中根據(jù)工程規(guī)模大小衡量鉆機(jī)穿越能力的主要依據(jù)。鉆機(jī)選型應(yīng)計算理論回拖力，計算公式為

w=[2p(1+ka)+p0]fL

公式中：p為土對管道每米的壓力，單位為kN/m；ka=0.3，為主動土壓力系數(shù)；p0為管道每米重量，單位為kN/m；f為鉆孔壁與管材壁的摩擦系數(shù)，取值范圍為0.2～0.6；L為管道長度，單位為m。

公式中土對管道每米的壓力p與工程地質(zhì)有關(guān)，也與導(dǎo)向孔的曲率有關(guān)。一般情況下，土的粘聚力大，對管道的壓力就小，如粘性土，則p按照鋪設(shè)管線直徑0.5～1.0倍高度的土質(zhì)量計算。土的粘聚力小，對管道的壓力就大，如砂土，則p按照鋪設(shè)管線直徑1.0～2.0倍高度的土質(zhì)量計算。下山段管道線路長，所需回拖力大，因此按照下山段計算理論所需回拖力=[2×0.6×(1+0.3)+0.92]×0.25×350=217 kN。設(shè)備回拖力為計算回拖力的1.5～3.0倍，此系數(shù)為預(yù)留安全余量，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況，如成孔條件好可取小值，反之取大值。因此本工程鉆機(jī)理論所需回拖力為1.5×217=325.5 kN。然后按照選型原則確定一定拉力范圍的鉆機(jī)，將鉆機(jī)輸出扭矩、鉆桿的參數(shù)、配套泥漿泵量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，選擇最適合施工現(xiàn)場條件的鉆機(jī)。同時，兼顧發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性和持續(xù)輸出功率。

按照理論計算和表1所示的鉆機(jī)性能要求對應(yīng)關(guān)系，再結(jié)合現(xiàn)場施工實際情況，應(yīng)選擇性能級別為3級的鉆機(jī)，即回拖力為320 kN、扭矩(40 r/min)為18 kN·m的鉆機(jī)。再綜合考慮穩(wěn)定性、性價比及售后服務(wù)等因素，該工程現(xiàn)場選取的機(jī)械為谷登GD380A～L型鉆機(jī)。

表1 鉆機(jī)性能要求對應(yīng)關(guān)系

2.2 軌跡設(shè)計及鉆導(dǎo)向孔

根據(jù)工程特性，于烽臺山山頂選擇一處空地作為工作平臺，將鉆機(jī)停放至山頂工作平臺，分別向兩側(cè)山腳處鉆進(jìn)。兩側(cè)山腳處各選擇一處空地開挖接收坑。按照《水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程》(CECS382：2014)中規(guī)定，鋼管的入土角取8°～18°，出土角取4°～12°，曲率半徑大于1 500D1(D1為鋼管外徑)即700 m。鋼管最小埋深不小于2 m。導(dǎo)向孔鉆進(jìn)時，隨時讀取手持式導(dǎo)向儀的引導(dǎo)數(shù)據(jù)，如鉆頭傾角，鉆頭深度及工作角等數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場技術(shù)人員及時記錄，將數(shù)據(jù)錄入計算機(jī)記錄表中，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制現(xiàn)場實際鉆進(jìn)曲線，通過與設(shè)計曲線對比，及時糾偏。

2.3 泥漿配置

合理配制泥漿，可以減少鉆進(jìn)和回拖過程中的阻力。按設(shè)計及規(guī)范要求用膨潤土配置泥漿，本工程泥漿的主要性能參數(shù)為：馬式漏斗黏度為35～50 s(馬式漏斗測量，每2 h測量1次)；塑性黏度PV為6～12 mPa·s；表觀黏度AV為6～12 mPa·s；濾失量為8～12 mL；pH為9～11；動切力YP為3～6 Pa；靜切力G10s/G10min為2～5 Pa/3～8 Pa。

鉆孔泥漿用量按照下式計算：

式中,k為比例系數(shù)，取值為3；De為終孔直徑，單位為m；L為鉆孔長度，單位為m。以下山段為例，計算得該工程所需泥漿量=3×3.14×0.62×350/4=297 m3。

2.4 擴(kuò)孔及清孔施工

當(dāng)導(dǎo)孔作業(yè)完成且符合質(zhì)量要求時，導(dǎo)向孔鉆進(jìn)至接收坑，拆下導(dǎo)向鉆頭，連接擴(kuò)孔器，啟動鉆機(jī)回拉進(jìn)行擴(kuò)孔。設(shè)計回拉擴(kuò)孔進(jìn)行5次，依順序為d250 mm、d350 mm、d450 mm、d550 mm、d650 mm擴(kuò)孔器回拉擴(kuò)孔，擴(kuò)孔時須速度均勻，給進(jìn)勻速回拉。同時注水機(jī)連續(xù)注適量水，通過鉆具攪拌孔內(nèi)泥土造泥漿，泥漿護(hù)壁，防止鉆孔坍塌，保證土體對管壁無損壞。在地層土質(zhì)較軟時應(yīng)快速給進(jìn)回擴(kuò)，在地層土質(zhì)較硬時勻速緩慢進(jìn)行。為清理出擴(kuò)孔時留在孔內(nèi)的碎土塊、土渣，在回擴(kuò)鉆孔時，拉桿裝配在鉆頭尾部，在工作坑卸下擴(kuò)孔回擴(kuò)鉆頭，拉桿一端換裝拉泥盤，進(jìn)行拉泥成孔工作。拉泥時，第一次使用環(huán)形盤，逐次來回拖拉阻力逐次減小，之后在拉泥盤上加裝橫擋，再次入孔拉泥，逐次加封橫擋，直至拉泥盤全封閉，并能輕松順利拉出為止。這樣就形成了光滑圓順的成孔敷管通道。

2.5 回拖管材

利用地形優(yōu)勢，管道焊接平臺位于烽臺山山頂，鉆機(jī)移動至山腳工作區(qū)。兩側(cè)管線均由山頂向山腳托管以降低托管難度。托管開始前，先進(jìn)行鋼管焊縫和管道強(qiáng)度檢驗，合格后在焊縫接頭處進(jìn)行防腐處理，即可進(jìn)入拉管施工。首先用現(xiàn)場制作的“管封套”將管頭密封，然后在管頭后端接上回擴(kuò)頭，管后接上分動器進(jìn)行接管，將管子回接到工作坑后，卸下回擴(kuò)頭、分動器、取出剩余鉆桿，堵上封堵頭。施工時，拉管機(jī)操作人員根據(jù)設(shè)備數(shù)據(jù)均勻平穩(wěn)地牽引管道，不可生拉硬拽?；赝蠒r，應(yīng)不間斷進(jìn)行，最大中斷時間不超過4 h，否則泥漿會對管道形成握裹力或造成孔道坍塌?；赝铣掷m(xù)時間長，施工時提前做好準(zhǔn)備，規(guī)劃好回拖時間，如不可避免進(jìn)行夜間施工應(yīng)提前做好夜間施工準(zhǔn)備及倒班人員?；赝贤瓿珊髴?yīng)對管道兩頭進(jìn)行封堵，防止異物、動物進(jìn)入管道。

3 小結(jié)

定向鉆技術(shù)是在不開挖地面的條件下，鋪設(shè)多種地下管道的施工新技術(shù)，與傳統(tǒng)開挖施工相比具有施工速度快、精度高、成本低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于供水、電力、天然氣、石油等管線鋪設(shè)工程。該技術(shù)在引洮二期配套靜寧縣城供水管線工程中的應(yīng)用，有效解決了管線鋪設(shè)路段林木茂盛、建筑物多、墳?zāi)惯w移難度大等問題，確保了工程建設(shè)的順利進(jìn)行。