定向鉆“二接一”回拖法在有限布管場地中的應用

王 彬

中化二建集團有限公司 山西 太原 030021

近年來，隨著現代非開挖技術的不斷發展，市政管道、電信通訊等基礎設施的新建、擴建和改造，以及西氣東輸、川氣東輸等大型管道的穿越工程量的增加，國內的定向鉆施工技術得到迅速發展。在國內，采用定向鉆施工技術成功穿越了長江、黃河等大型河流及海域的管道工程，創造了國內外一系列穿越紀錄，從而產生了“二接一”、“三接一”或“多接一”的定向鉆回拖方法。以下主要結合上海金虹航油管道工程項目討論定向鉆“二接一”回拖法在有限布管場地中的應用。

上海金虹航油管道工程項目位于上海石化廠區至虹橋機場儲油庫設備區，管線全長73.km，管徑為D457mm×9.5mm，設計壓力6.0MPa。因沿線多村莊、河流、省市級道路，多采用定向鉆施工，現選取橫浦河段的定向鉆“二接一”回拖法進行討論。

1 施工現場狀況

橫浦河定向鉆全長564m，西側200m 范圍內有高速綠化帶、廢棄房屋，以及橫穿區級公路，因而西側不易作為入土點；東側300m 內為農田，300m 外有較多人流穿梭的公路及房屋建筑，不能整條布管鋪設，需并列設置兩根管道，長度各為282m，因而采取“二接一”回拖法進行施工。

經查閱本工程地質勘察報告，該位置地質表層為雜填土，下面依次為褐黃色粉質粘土、灰黃色黏土、灰色黏土、暗綠草黃色黏土、草黃色砂紙黏土和灰色粉質黏土夾砂質粉土。穿越工作主要在淤灰色黏土、暗綠草黃色黏土和草黃色砂紙黏土中進行。該地段地質條件良好，但仍應防止縮孔、塌孔現象，要及時擴孔，及時回拖。

2 回拖力計算

鋼管直徑：Φ457mm；壁厚：δ=9.5mm；一次拖拉長度：L=564m。

鋼管自重（F自）計算式見式（1）。管線在洞內摩擦力（F1）計算見式（2）。

式中：f——管道在孔壁之間摩擦系數（0.2～0.6）,取f=0.3；

管線在洞內鉆進摩阻力（F2）計算見式（3）。

式中：T——泥漿供應力，19.5Pa；

ψ——固相含量系數（10～40），取15。

回拖力：Fmax=F1+F2=17.74+23.67=41.41t

則，Φ457 回拖力=41.41t×1.5=62.13t＜鉆機拉力（90t)。

3 定向鉆機設備選型

根據以上管道回拖力計算可知，采用90t 鉆機可以滿足條件。本次定向鉆選用古登牌GD450- L 型定向鉆機及成套施工設備，該鉆機平時為45t 回拖力，裝備配套馬達后，回拖力可達到90t。采用此型號鉆機可節約鉆機進出場及臺班費用，運輸方便，經濟適用。

4 導向孔施工過程控制

導向孔施工是定向鉆穿越的第一道工序，導向孔的軌跡控制是通過導向鉆頭來完成的，導向鉆頭是一種帶有斜掌面的射流輔助型切削鉆頭，直徑比鉆桿粗一些。當鉆桿前面裝上鉆頭回轉并鉆進時，可以鉆出直線孔；當鉆桿前面裝上鉆頭只鉆進、不轉動時，將鉆出弧線孔。導向鉆頭內部帶有發射器，地表有對應的接收器，能接收發射器采集到的斜掌面方位、導向鉆頭指向和深度等參數；地面操作人員通過參數來控制施工軌跡，作為預擴孔和回拖管線的引導曲線。

導向孔施工在進行巖石地質穿越時還需要增加泥漿馬達。普通地質一般不采用泥漿馬達鉆孔，而是直接利用鉆機本身的推進和旋轉功能進行鉆進施工。對于堅硬地質，由于鉆機本身的旋轉速度有限，同時由于鉆機旋轉鉆進只能鉆進直線，因此必須加裝泥漿馬達，利用泥漿馬達的高速旋轉進行鉆孔施工。

5 擴孔施工過程質量控制

由于本次定向鉆回拖為“二接一”的方式，管道回拖停滯時間長，存在一定風險。為了減少風險，采取增大孔徑的辦法，使最大擴孔孔徑達到1.5 倍直徑，即Φ700mm。在擴孔過程中，如發現扭矩及拉、拖力較大時，可采取多遍洗孔方式；洗孔時還要做好各項記錄，直到各項參數達到規范要求為止。最小擴孔直徑與穿越管徑關系見表1。定向鉆擴孔和定向鉆洗孔現場分別見圖1 和圖2。

表1 最小擴孔直徑與穿越管徑關系表

圖1 定向鉆擴孔

圖2 定向鉆洗孔

6 回拖過程質量控制

回拖是定向鉆穿越的最后一步，也是最關鍵的一步?；赝蠒r采用的施工方式是：鉆桿+ 擴孔器+ 回拖萬向旋轉接頭+ 管道。在回拖時，應進行連續作業，避免因施工停滯，造成擴孔器卡住等現象。

定向鉆“二接一”回拖工序及順序：回拖旋轉接頭連接→第一節管道回拖→管道對口焊接→第二節管道回拖。

6.1 回拖前的檢查工作

（1）在定向鉆管道回拖前，應對管道進行電火花檢測，并經監理簽字確認；

（2）管道回拖前，必須檢查管道內試壓水是否排放干凈，管道兩端是否封堵嚴密，確保管道內干凈無雜質。

（3）回拖旋轉接頭與鋼管焊接必須牢固可靠，焊縫必須進行無損檢測，焊縫評定等級Ⅱ級以上為合格。

（4）定向鉆回拖現場需要搭設移動洗片室，方便現場洗片，以減少回拖停滯時間。

6.2 管道支墩的設置

本定向鉆管道回拖結合地形條件和現場條件，采用土墩支墊+ 土袋的形式，避免管道防腐層及補傷口被破壞，并適當進行撒水措施，減少管道在回拖過程中與土的摩擦力。

根據回拖施工經驗，回拖時經常在管道下方墊聚乙烯給水管（直徑在200mm 左右）。因聚乙烯管道具有韌性好、塑性好、強度高等特點，可以使管道在回拖過程中保持管道干凈，防腐層及熱收縮帶不被損壞，提高了回拖過程中電火花檢測的精度。

6.3 定向鉆“二接一”回拖過程質量控制

（1）擴孔、洗孔完成后，在鉆桿前面一次裝上擴孔器、旋轉接頭、回拖管道（圖3）。管道外觀檢查合格后，再次查看定向鉆機地錨是否符合要求，利用挖機將回拖管道順直到出土點處。

圖3 第一段管道回拖

（2）在管道回拖過程中，安排兩組防腐補傷專業人員，一組在入土點30m 處左右，另一組在入土點50m 處，進行動態電火花檢測（圖4）。如果發現管道有劃傷，要及時進行現場修補，確保管道防腐層完好。

圖4 電火花檢測

（3）回拖過程中要控制回拖速度均勻。當第一段管道回拖到約80m 處時，采用挖機將第二段管道從尾端逐步移到第一段管道的位置。各臺挖掘機必須聽從統一指揮，確保移動管道時平穩安全。

（4）第一段管道回拖至出土點大約40m 處時（必須保證管道平直），由挖機將第二段管道全部移動到第一段管道位置上，并配合焊工完成兩段管道的組對過程。詳見圖5 和圖6。

圖5 管道連頭

圖6 第二段管道回拖

（5）兩段管道的連頭作業是定向鉆“二接一”回拖中的重點工序，時間應盡量縮短。主要工序如下：管道組對→管道焊接→焊口噴砂除銹→焊口探傷→焊口防腐。完成管道連頭后，應繼續進行回拖作業。

在施工過程中，各工序所用時間：管道組對約0.75h，焊接約0.75h，噴砂0.5h，拍片0.5h，評片0.5h，防腐補口0.5h，合計管道連頭需3.5h。

根據《油氣輸送管道穿越工程施工規范》GB50424- 2015 中要求，回拖作業宜連續進行，特殊情況下，停止回拖時間不宜超過4h。

（6）因管道內敷設有用于管線位置復測的鋼絲線，為避免鋼絲因焊接被燒斷，焊接前將預制好的鋼套管穿在鋼絲線外（圖7），來保護鋼絲線。

圖7 鋼絲鋼套管

（7）“二接一”焊口防腐方式：采用改性高密度聚乙烯定向鉆專用熱縮帶，同時在該專用帶外部回拖方向使用犧牲帶加強防腐。

7 定向鉆施工技術風險分析

雖然定向鉆施工技術越來越成熟，但一些難度較大的穿越工程還是具有較高的風險系數，尤其隨著定向鉆技術向更粗、更硬、更長、更復雜領域發展，逐漸增加了潛意識里定向鉆技術的風險認識。尤其采用“二接一”或“多接一”的回拖方法，會在一定程度上加大定向鉆施工技術風險。

7.1 鉆具的風險分析

定向鉆鉆具包括鉆桿、導向鉆頭、擴孔器等?？叵騿卧偝裳b在導向鉆頭內，導向鉆頭受損將直接導致控向儀表導向偏差或者失靈。鉆頭常見的風險是鉆頭磨損?；罱宇^最常見的風險是斷裂，出現斷裂的原因是保養的周期過長或保養不及時，活接頭的潤滑不夠，從而導致損壞斷裂。

7.2 施工工藝的風險分析

在擴孔、洗孔過程中，由于要擴到管道直徑的1.2～1.5 倍，一般情況下需要三級擴孔。過程中通過準確地控制擴孔級差，來降低扭矩及塌孔的可能性，因此合理的擴孔級差也很重要。

不同的地質需要配制與之相適應的泥漿，泥漿的風險在于其配比和排量：排量過小容易使廢渣排出不徹底，孔壁泥漿保護膜厚度不夠造成塌孔；排量過大又會引起地面冒漿，從而影響地質的穩定，嚴重的甚至造成塌孔。

8 結論

定向鉆“二接一”回拖法在本項目中得到了多次使用，提高了施工速度，節約了施工成本，縮短了施工工期。但由于組對焊接和焊口檢測的時間較長，容易導致鉆孔塌方與抱管，從而造成回拖失敗，因而對回拖時間和回拖過程必須嚴格控制。應充分認識定向鉆的施工技術風險，對各種技術風險認真識別，并做好充分的應對措施和應急措施，才能提高定向鉆“二接一”的成功率，從而保證工程項目的順利實施。