非開挖定向鉆穿越技術在水利工程中應用關鍵技術

李光亮 LI Guang-liang；李學敏 LI Xue-min；任曉舟 REN Xiao-zhou

（①廣饒縣孫子文化旅游區管理中心，東營 257300；②廣饒縣水利局，東營 257300）

0 引言

水是人類生活生產不可缺少的寶貴資源，水利作為農業的命脈，對推動我國國民經濟的發展起到無可替代的作用，同時水利還具有“興利”和“除害”的功能[1]。水利工程則是通過修建閘、壩、堤和渠道等各類水工建筑物，用于控制和調配自然界的地表水和地下水，實現興利除害的目的[2]。隨著我國經濟社會的不斷發展和科學技術的不斷創新，水利工程建設者把各種先進的施工工藝及技術應用到施工過程中，其中非開挖定向鉆穿越技術在水利工程建設中的應用，將水利工程可持續發展推向新的高度[3]。

非開挖定向鉆穿越技術是在不進行地表清障的條件下，實現從障礙物的底部穿越[4]。早在1971年，美國便在開始了水平定向鉆的研究與嘗試，并于1978年奠定了現代水平定向鉆技術[5]。目前非開挖定向鉆穿越技術在應用過程中主要面對的問題有：

①施工過程中，孔洞的掉塊、剝落及坍塌[6-7]；

②施工中存在軌跡線偏差過大的風險、泥漿壓力不穩定風險[8]；

③冒漿、水力壓裂、地表隆起等多種常見病害[9-10]。

本文在上述背景下，對非開挖定向鉆穿越技術的現場準備、技術準備進行了總結，對施工質量的控制要點進行了闡述與分析，并詳細描述了非開挖定向鉆穿越技術的施工注意事項及應對措施。旨在為推進非開挖定向穿越技術在水利工程中的應用提供參考。

1 施工前期準備分析

施工前期準備包括現場準備及技術準備。

在非開挖定向鉆穿越施工前，要做好現場的準備工作，首先，在穿越施工前，要對擬施工路徑位置的地面構筑物進行調查，對地質情況進行勘察，為施工方案的確定提供準確的地質資料；其次，在穿越施工前，要探明施工區域內現有地下管道、電線電纜、障礙物等情況，明確實際分布情況，為施工提供詳細、真實、準確的資料，以便確定管道穿越路徑；最后，在穿越施工前，要根據實地勘察確定的管道走向、施工開挖工作面和堆土堆料場地等，做好三通工作。

技術準備方面，一是對照施工圖紙，根據施工現場的地形地貌，詳細了解工程的基本全貌，若發現不明白的問題，及時向設計單位提出答疑，同時根據現場勘察的地質及地形地貌資料，再結合施工的具體要求，及時采取有針對性的應對措施，進一步調整優化施工方案，最大限度的確保非開挖穿越施工的準確性和穩定性；二是及時審核圖紙工程量，以及所用材料的種類和數量，提前做好物資計劃；三是按照設計坐標和總平面圖展開控制網的布設測量，科學合理的設置控制點，建立起準確的控制網，便于對非開挖穿越施工進行測量。

2 施工質量控制要點分析

測量放線、泥漿配置、導向孔鉆進、擴孔施工、管道回拖等對施工質量起著至關重要的作用，具體分析如下：

2.1 測量放線

在施工前，要根據設計交底、施工圖及施工方案等，充分利用現代高科技測繪儀器，準確定位出入土點位，精確確定施工穿越軸線，確保穿越軌跡與設計曲線不偏移，同時根據施工需要，及時確定施工控制測量點位。在此基礎上，要根據現場測量確定的出入點位，及時測量確定施工設備、泥漿池、管線預制、組裝焊接等場地位置，為工程施工奠定堅實的基礎。

2.2 泥漿配制

泥漿的配制在非開挖定向鉆穿越的實施過程中起著決定性作用，是順利實施的保證。因此，在穿越施工過程中，要嚴格按照泥漿工藝要求及地質情況確定配制方案，針對不同的地質層配制符合施工要求的泥漿。泥漿配置工藝如圖1所示。一般泥漿的標準比重在1.02-1.05g/cm3之間，含沙量≤1%，pH值在7.0-10.0之間，失水率<15%，泥漿在配制前，要對施工用水進行化驗，得出水的pH值，以便確定添加劑的用量。目前通常做法是采用膨潤土、纖維素、SD-3等添加劑，同時在施工用水中加入純堿，將水的pH值調整到9.0左右，以便加速粘土顆粒分散。

圖1 泥漿配置工藝

在非開挖定向鉆穿越施工過程中，泥漿配比不是固定不變的，要利用馬式漏斗每隔兩小時測試一次，查看泥漿是否滿足規范要求，若不滿足要求要及時調整泥漿配比，同時也要根據地層及工藝狀況隨時調整泥漿配比，確保泥漿配比符合規范要求。

2.3 導向孔鉆進

在開鉆前，要根據地質資料、施工長度、管徑及現場相應情況，對施工現場的地質構造、巖土層的性質、地層結構特征及其空間分布情況進行認真仔細研究，做好管道穿越地層的工程地質評價，確定控向方案，同時也要根據分析情況，制定相應的施工預案。由于導向孔的鉆進是整個穿越順利實施的關鍵因素，必須嚴格按照施工規范要求，保證每根鉆桿在鉆進施工過程中曲率半徑均滿足設計要求，確保每根鉆桿的傾角和方位角的變化值均滿足規范規定的鉆桿折角要求，把全角變化率的控制作為重中之重，減少每次測量之間的間隔距離，在遇到地層軟硬變化或者砂層時，要把參數測量之間的距離嚴格控制在2m之內，盡量減少控向數據采集的誤差，防止鉆進曲線與設計曲線的偏移，確保達到出土準確，成孔良好。鉆導向孔施工工藝如圖2所示。

圖2 鉆導向孔施工示意圖

2.4 擴孔施工

在導向孔鉆進完成后，要根據擴孔鉆進的地質狀況、鉆機能力、鉆桿規格及擴孔器的類型等，選擇適合本次工程施工的擴孔器及時進行擴孔施工。如果終孔直徑較大或者設備能力有限時，要采取多次擴孔的方式，逐步將鉆孔直徑擴至設計要求。在擴孔施工過程中，按照設計和規范要求，將泥漿的排量適當加大，嚴格控制回拖速度，按照設計要求平穩擴孔，在此過程中，要嚴格控制泵壓、扭矩及回拖力，防止出現憋泵、憋鉆、強行回擴等現象，以免影響擴孔質量。擴孔完成后，要先分析成孔情況，必要時再進行清孔。在擴孔和清孔時，要保持足夠的排量，配備合適排量的泥漿泵，保證泥漿流速。在施工過程中，可根據實際穿越地層情況及時調整擴孔級數及清孔次數，同時根據土層地質實際情況可加大擴孔級差。

2.5 管道回拖

在擴孔施工完成后，要盡快實施回拖施工，盡量減少擴孔施工完成與回拖施工間的間隔時間，降低施工風險，若停工間隔時間超過12小時，在回拖施工前，要重新進行一次通孔，避免在回拖過程中出現回拖困難的現象。

在回拖施工時，為確?；赝鲜┕さ捻樌M行，可采取以下幾種方式：

①根據施工實際情況，可將洞口沿軸線方向前開挖20-30m管道引溝（或適應托管長度的發送溝），以達到降低支撐高度，管道入洞容易的目的。

②盡量使用與終孔成孔施工時相同的鉆具結構，在回拖時更利于沿原成孔軌跡前進，同時在旋轉接頭和工作管之間加“U”型環進行連接，可有效避免鉆具與管道間的硬連接，減少摩擦力。

③根據施工實際情況，為進一步提高泥漿的懸浮和固孔能力，可適當增加聚合物含量；為進一步提高泥漿的攜帶能力，降低粘滯力，使泥漿在較高的粘度下保持良好的流動性，可加入泥漿流變劑；為進一步可減小摩阻，可加入潤滑劑；為進一步保證成孔的堵漏效果，可加入單項壓力封閉劑，既可以在孔壁周圍形成致密的保護膜，又可以對上部砂層起到良好的封閉作用。

④在管道自重不能全部抵消泥漿浮力時，可采用在管道內增加其他介質的方式，增加管道重力，以來達到消除不平衡浮力的目的，使管道處于更為理想的狀態，減少管道與孔壁之間的接觸和摩擦。管線回拖施工工藝如圖3所示。

圖3 管線回拖施工示意圖

3 施工注意事項及應對措施

鉆進卡鉆、鉆孔塌方、冒泥漿則為施工過程中需格外注意的事項，其應對措施如下：

3.1 鉆進卡鉆

在非開挖定向鉆穿越施工過程中，若出現卡鉆現象，首先通過調整泥漿配比，使用大排量泥漿泵，及時將鉆桿撤出卡鉆區；其次要及時查出卡鉆原因，通過調整泥漿配比，增加泥漿切力與粘度，同時使用扭矩大、推力大的鉆機及與之相匹配的鉆頭，進行導向孔的鉆進。

3.2 鉆孔塌方

由于非開挖定向鉆穿越施工都處于地表以下（一般位于地表層以下3m～20m），地質松軟，鉆孔容易塌方，形成鉆孔較難，要求我們在施工過程中，嚴格按照地質情況進行泥漿配制。泥漿作為非開挖定向鉆穿越施工的沖洗液，要嚴格按照比例，將優質的膨潤土及添加劑經過系統攪拌成泥漿，然后注入洞內，既要起到潤滑鉆具、穩定孔壁、降低回轉扭矩、回拉力，又要減小拖管時管道和洞壁的摩擦系數，同時還要在固孔、護管等方面起到一定的作用。

在穿越回拖施工時，如果出現回拖力增加至超過預計最大安全拉力的情況時，可斷定為管道在孔洞中遭遇孔壁坍塌，導致抱管現象。遇到這種情況時，可立即在管尾安裝動滑輪組，實施向后回拖一定距離，同時加大泥漿排量，當回拖力明顯下降時，可待管道解卡后，再進行鉆機回拖。若回拖仍然無法繼續進行，則穿越孔洞內坍塌現象可能比較嚴重，管道無法繼續回拖。針對此現象，可立即在管尾安裝夯管錘進行錘擊，使管道受到夯管錘的振擊后，擺脫穿越孔洞對其的束縛，從而回拖作業得以繼續進行。夯管錘仍無法回拖時，將滑輪機組與回拖管道的尾部連接，將管道及時從孔洞中拽出，避免管道存留在孔洞內時間過長而導致更大的解卡阻力。

出現上述情況后，要及時安排泥漿應急小組，對穿越施工沿線泥漿情況進行仔細巡查，若發現泥漿冒點，及時通知技術人員，采取相應措施控制冒點，待控制冒點并調整施工方案后，重新進行回拖施工。

3.3 冒泥漿現象

在非開挖定向鉆穿越施工過程中，要根據現場地質情況，嚴格控制泥漿壓力，避免施工中出現冒漿現象。若施工過程中出現冒漿現象，為防止出現大規模冒漿現象，可根據地質情況添加必要的泥漿藥品；若施工過程中出現冒漿嚴重的現象，可采取一邊起鉆一邊小排量注漿，這樣既可以保證孔壁的完好，又可以通過起鉆使孔壁更加通暢，同時保證孔內向外返漿良好，降低孔內壓力，達到防止冒漿的效果。使用較大直徑鉆頭，增大環形空間，同時每鉆進一根將再回拉旋轉洗孔一次，使孔內泥漿比較暢通，以防止冒漿。

4 非開挖定向鉆穿越技術意義分析

總結非開挖定向鉆穿越技術的意義，主要集中于降低成本、保護環境及縮短工期等方面。

在目前市場經濟條件下，通過非開挖定向鉆穿越施工在水利工程建設中的實施，最大限度的降低了施工成本。由于穿越施工前期不需要進行大規模的地面開挖，從而地面附加費不再產生，如拆遷安置費、補償費等，后期回填、植被恢復及相應設施維修等方面相應的費用也不再產生，有效地降低了施工成本。

采用傳統的施工方式，需對地面進行明開挖，同時根據實際情況，對可能影響工程建設的設施要進行拆遷或對原有交通道路阻斷新修便道等不得已措施，這樣在實施過程中就會產生大量粉塵和噪音等，進而造成污染，但穿越施工技術的運用，有效避免了以上問題的發生，有利于環境保護。

非開挖定向鉆穿越施工不再采用傳統的“開膛破肚”的施工方式，而是采用機械化、自動化工具進行施工，這樣既節省了勞動力，又進一步提高了工作效率，大大縮短了施工時間。

5 結語

本文對非開挖定向鉆穿越技術的現場準備、技術準備進行了總結，對施工質量的控制要點進行了闡述與分析，并詳細描述了非開挖定向鉆穿越技術的施工注意事項及應對措施。在施工過程中的測量放線、泥漿配置、導向孔鉆進、擴孔施工、管道回拖等對施工質量起著至關重要的作用；而鉆進卡鉆、鉆孔塌方、冒泥漿則為施工過程中經常出現的病害；非開挖定向鉆穿越技術在有效降低成本、環境保護、縮短工期等方面有著顯著的意義。