劉瑾卿 于文才 陸智煒

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司 焦琳 侯利華

南昌市天然氣利用工程中壓天然氣管道穿越贛江工程包括穿越英雄大橋、洪都大橋、生米大橋。經(jīng)方案比選，根據(jù)類(lèi)似工程的經(jīng)驗(yàn)，工程確定采取定向鉆穿越。由于穿越贛江距離較長(zhǎng)，難度較大，需結(jié)合贛江的地質(zhì)、地形條件確定對(duì)水平定向鉆的關(guān)鍵技術(shù)措施予以確定。

1 贛江自然條件概述

贛江為鄱陽(yáng)湖水系的五大河流之首，是江西省第一大河流，也是長(zhǎng)江八大河流之一。贛江全長(zhǎng)約766 km，河面寬700～1 800 m，河床高程均處于海平面以上，主槽河床標(biāo)高為3.0～14.0 m(黃海高程)，外洲水文站以上流域面積為80 948 km2。贛江河流主汛期一般為 4～7月。根據(jù)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，外洲水文站歷年實(shí)測(cè)最高水位為23.22 m，實(shí)測(cè)最大流量為20 400 m3/s，最大水面寬約1 500 m，實(shí)測(cè)最大測(cè)點(diǎn)流速2.75 m/s，均出現(xiàn)在1982年6月。

根據(jù)《南昌市天然氣利用工程英雄大橋處中壓天然氣管道贛江勘探工程巖土工程勘察報(bào)告》、《南昌市天然氣利用工程洪都大橋處中壓天然氣管道贛江勘探工程巖土工程勘察報(bào)告》、《南昌市天然氣利用工程生米大橋處中壓天然氣管道贛江勘探工程巖土工程勘察報(bào)告》，水平定向鉆穿越贛江處區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性較好，場(chǎng)地條件和地基的穩(wěn)定性較好，適宜進(jìn)行水平定向鉆穿越，場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)化沙礫層，微風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層和中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層及其以下地層均可作為管道穿越層。但在管線穿越上層砂土層時(shí)，特別位于地下水以下時(shí)，砂土層穩(wěn)定性差，易垮孔、卡鉆。且在生米大橋穿越段處中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層局部見(jiàn)嚴(yán)重的漏水現(xiàn)象。另外，在管道上升階段都需穿越礫砂、圓礫層。

2 工程難點(diǎn)

2.1 長(zhǎng)度較長(zhǎng)

阻力大：水平定向鉆穿越贛江長(zhǎng)度較長(zhǎng)，三處水平距離均大于1 km，尤其是生米大橋處的穿越，屬于特大型定向鉆穿越。在水平定向鉆穿越時(shí)，鉆桿在進(jìn)行導(dǎo)向孔施工過(guò)程中，會(huì)受到穿越地層對(duì)鉆頭和鉆桿的阻力及阻力矩，并隨長(zhǎng)度增加而增大，使穿越長(zhǎng)度受到限制；并且在長(zhǎng)距離的穿越中進(jìn)行導(dǎo)向孔方向控制會(huì)變得艱難。

布管困難：為保證工程順利，通常要求回拖過(guò)程是連續(xù)不間斷作業(yè)，管道組裝、布管發(fā)送應(yīng)按整段組裝一次發(fā)送進(jìn)行。在發(fā)送道的設(shè)計(jì)開(kāi)挖中，應(yīng)盡可能使發(fā)送道(溝)與管孔自然銜接，以防管道強(qiáng)制管孔后鉆具與管段不在一條軸線上。如果鉆頭偏離原先擴(kuò)成的孔位，鉆頭就會(huì)重新切削原狀土，扭矩會(huì)倍增，造成回拖受阻，甚至造成其局部薄弱環(huán)節(jié)在交變應(yīng)力的作用發(fā)生脆裂。因此布管盡量和穿越軌跡線一致，至少要在管道自然彎曲彈性范圍內(nèi)。而此次在水平定向鉆穿越贛江工程中，穿越長(zhǎng)度均在1 km以上，顯然，在南昌市區(qū)是無(wú)法做到如此長(zhǎng)度管道的整段組裝一次發(fā)送。

2.2 地質(zhì)層含有圓砂礫層

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，穿越管道必經(jīng)礫砂、圓礫層。管道穿越該類(lèi)地層時(shí)，礫石容易塌陷，進(jìn)而破壞已成形的導(dǎo)向孔或預(yù)擴(kuò)后的孔洞，導(dǎo)致水平定向鉆穿越工程失敗。

2.3 穿越軌跡靠近大橋及居民區(qū)，屬于經(jīng)濟(jì)活躍區(qū)

由于三處穿越軌跡線距離生米大橋、洪都大橋、英雄大橋都較近，且靠近居民經(jīng)濟(jì)活躍區(qū)。至于會(huì)造成何種影響，應(yīng)采取何種措施，相關(guān)規(guī)范并無(wú)相應(yīng)規(guī)定。即使對(duì)于大型水平定向鉆穿越工程施工經(jīng)驗(yàn)較為豐富的中國(guó)石油管道穿越公司來(lái)講，也無(wú)在經(jīng)濟(jì)活躍區(qū)實(shí)施大型定向鉆穿越工程的經(jīng)驗(yàn)可循。

3 關(guān)鍵措施確定

由于地質(zhì)復(fù)雜，穿越長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且處于經(jīng)濟(jì)活躍區(qū)施工，國(guó)內(nèi)尚無(wú)成功案例可供參考，因此，經(jīng)與業(yè)主協(xié)商，決定采用召開(kāi)專家論證會(huì)的形式，從勘探地質(zhì)狀況、項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案、項(xiàng)目施工組織設(shè)計(jì)、施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響、項(xiàng)目防洪評(píng)價(jià)等方面對(duì)項(xiàng)目實(shí)施可行性進(jìn)行了詳細(xì)的討論，確定了如下關(guān)鍵技術(shù)措施：

3.1 預(yù)設(shè)套管

為保證管道回拖前的順利成孔，根據(jù)規(guī)范要求，為阻隔礫石塌陷而破壞已成形的導(dǎo)向孔或預(yù)擴(kuò)后的孔洞，必須在入、出土點(diǎn)兩側(cè)預(yù)設(shè)套管。鋼套管定為D 1 016×26螺旋縫雙面埋弧焊鋼管L415MB(《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件 第二部分：B級(jí)鋼管》GB/T 9711.2—1999)。英雄大橋、洪都大橋、生米大橋處預(yù)設(shè)套管參數(shù)如表1。

表1 水平定向鉆穿越贛江設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)鋼套管參數(shù)單位：m

套管的夯進(jìn)長(zhǎng)度很大程度上影響了定向鉆工程的工程造價(jià)和夯管的可行性。然而，值我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)，國(guó)內(nèi)最高記錄是130 m，但南昌贛江大型定向鉆需要夯擊套管的長(zhǎng)度在100～150 m。因此，從最大程度上縮短夯擊套管的長(zhǎng)度是南昌贛江大型定向鉆夯管可行和成功的保證。除了在設(shè)計(jì)階段從鉆桿入/出土的角度、穿越的深度等因素之間綜合平衡來(lái)有效縮短夯管長(zhǎng)度外，設(shè)計(jì)組對(duì)定向鉆兩側(cè)工作坑上動(dòng)足腦筋。根據(jù)定向鉆的鉆桿入/出土角度，兩側(cè)工作坑每深挖1 m，可使夯管長(zhǎng)度縮短約7.2 m，但考慮到地質(zhì)情況和地下水位的高度，最終把夯擊點(diǎn)定為地面以下3.5 m，工作坑的深度為4 m。見(jiàn)工作坑示意圖1和施工現(xiàn)場(chǎng)照片圖2。

圖1 工作坑示意

圖2 現(xiàn)場(chǎng)施工照片

采用挖溝槽的方式后水平定向鉆穿越贛江實(shí)際預(yù)設(shè)鋼套管參數(shù)如表2所示。

表2 水平定向鉆穿越贛江實(shí)際預(yù)設(shè)鋼套管參數(shù)單位：m

3.2 對(duì)接穿越技術(shù)

本工程的地質(zhì)情況決定了必須在出、入土點(diǎn)預(yù)設(shè)鋼套管。而在出土點(diǎn)側(cè)預(yù)設(shè)套管后，會(huì)對(duì)入土點(diǎn)側(cè)鉆機(jī)的導(dǎo)向孔控制造成很大的困難。一般來(lái)講，水平定向鉆穿越要求方向控制有很高的精度，使得入土點(diǎn)鉆機(jī)的鉆桿能精確的通過(guò)套管的軸線，但就目前的定向鉆所使用的探頭而言，要想達(dá)到此控向精度是很難的。

鑒于長(zhǎng)距離穿越和含卵礫石層穿越的需求，水平定向鉆穿越贛江擬采用對(duì)接穿越技術(shù)。對(duì)接穿越需要在穿越曲線入、出土點(diǎn)兩端各架設(shè)一臺(tái)鉆機(jī)，兩臺(tái)鉆機(jī)分別進(jìn)行導(dǎo)向孔加工，當(dāng)兩臺(tái)鉆機(jī)的鉆頭鉆至預(yù)定對(duì)接點(diǎn)，并且兩鉆頭距離在合理范圍之內(nèi)時(shí)，由入土點(diǎn)鉆機(jī)的探頭感應(yīng)出土點(diǎn)鉆機(jī)鉆頭短節(jié)內(nèi)安裝的目標(biāo)磁鐵發(fā)出的磁信號(hào)，兩臺(tái)鉆機(jī)械調(diào)操作，入土點(diǎn)鉆機(jī)鉆孔，出土點(diǎn)鉆機(jī)回抽鉆桿，直至兩臺(tái)鉆機(jī)的導(dǎo)向孔完全吻合。

根據(jù)贛江的自然條件及地質(zhì)條件，贛江河面寬700～1 800 m，穿越距離較長(zhǎng)，且水較深，在穿越管道中心線上布置人工磁場(chǎng)較為困難。經(jīng)研討，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，可將交流線圈布置在與穿越管道中心線基本平行的大橋上。

水平定向鉆穿越贛江對(duì)接穿越示意圖如圖3所示。

圖3 對(duì)接示意

3.3 分段布管

根據(jù)支撐管道方式的不同，布管大致可以分為以下三種：滾動(dòng)支架法、注水漂管法、打土堆法。

此次在水平定向鉆穿越贛江工程中，穿越長(zhǎng)度均在1 km以上，尤其是生米大橋處穿越贛江，穿越定向鉆鉆孔施工水平長(zhǎng)度 2 127.55 m，實(shí)長(zhǎng) 2 132.67 m，屬特大型河流穿越工程。顯然，如此長(zhǎng)度在南昌市區(qū)是無(wú)法做到整段組裝一次發(fā)送。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)工程河段地處南昌市一江兩岸平原地帶，屬河流沖積地貌，地勢(shì)平緩，起伏較小。

相比之下，生米大橋東岸現(xiàn)狀為匝道小廣場(chǎng)，地勢(shì)平坦，但由于有匝道阻攔，不適宜作為管段組裝場(chǎng)地，而生米大橋西岸現(xiàn)狀為灘涂，地勢(shì)平坦且廣闊，沿途經(jīng)過(guò)豐和南大道，并與外環(huán)路平行，可將西岸作為管段組裝場(chǎng)地。經(jīng)測(cè)量和計(jì)算，穿越段管道需分三段弧線預(yù)制，回拖時(shí)連成整體，弧線段的曲率半徑不小于1 000D。由于布管范圍內(nèi)需經(jīng)過(guò)豐和南大道，為了保證該道路的暢通，在布管時(shí)我們采取了非常規(guī)方式，即在該道路段開(kāi)溝，預(yù)制的管道敷設(shè)在管溝內(nèi)，上面放置鐵板以保證交通，而在回拖時(shí)再將該管道上升至所需高度，以保證工程的順利進(jìn)行，同時(shí)將對(duì)交通的影響降到最低。

經(jīng)方案比較，我們采用了注水漂管的布管方式。由于管道是分三段弧線預(yù)制，在回拖過(guò)程中必須焊接成整體，為了避免因停頓過(guò)長(zhǎng)而造成回拖阻力增大，因此設(shè)計(jì)要求焊接及檢驗(yàn)完畢時(shí)間必須控制在4 h以內(nèi)。

生米大橋處水平定向鉆穿越贛江工程布管示意圖如圖4所示。

圖4 生米大橋處穿越贛江工程布管示意

4 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)確定及設(shè)備選型

4.1 受力分析及參數(shù)確定

4.1.1 預(yù)設(shè)鋼套管受力分析

套管夯擊是利用空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)夯管錘沿導(dǎo)軌(設(shè)計(jì)軌跡)將鋼管直接夯進(jìn)土層中。在鋼管夯進(jìn)的過(guò)程中，一邊擠壓土體，一邊克服地層與管體的摩擦力，使鋼管不斷進(jìn)入土層，直至設(shè)計(jì)深度。該方法所使用的主要設(shè)備是夯管錘。它是一臺(tái)低頻、大沖擊功的氣動(dòng)沖擊器，借由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，將要鋪設(shè)的鋼管沿設(shè)計(jì)軌跡夯入地層。

套管受力分析如圖5所示。

圖5 套管夯擊時(shí)受力分析

在套管夯進(jìn)時(shí)，P為鋼套管受到的沖擊力；F為鋼套管管端阻力；f為鋼套管與土層接觸面之間的摩擦力；N為土體對(duì)鋼套管反作用力；G為夯入鋼套管的自重。

鋼套管前進(jìn)的條件：P>F+f。

兩式中：μ—土層與鋼套管間摩擦因數(shù)；

d—為鋼套管外徑，m；

r—土的重度，kN/m3；

h—為管頂以上覆蓋土厚度，m；

l—夯入鋼套管長(zhǎng)度；

φ—土壤的內(nèi)摩擦角，°；

c—土的黏聚力，kPa。

以生米大橋處水平定向鉆穿越贛江為例，在計(jì)算F和f時(shí)，μ取0.4，d取1.016 m，r取16 kN/m3，h取8 m，l取76.5 m，ф取15.3o，c取31.3 kPa。代入(1)、(2)計(jì)算得出f= 2 138 t，F(xiàn)=25 t，F(xiàn)+f=2 163 t。

4.1.2 穿越管段的回拖力計(jì)算

回拖力的計(jì)算對(duì)于水平定向穿越工程的設(shè)備選型、設(shè)備回拖能力的校核和施工工藝的選擇非常重要。按照《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50423—2007)推薦的方法進(jìn)行回拖力的估算。

穿越管道的回拖力是依據(jù)管道在泥漿中的浮力扣除自重產(chǎn)生的摩擦力，再加上托管前進(jìn)時(shí)管道在泥漿中的粘滯力。

管道不充水回拖力：

式中：F—穿越管段回拖力，kN；

L—穿越管段長(zhǎng)度，m；

f—摩擦系數(shù)，取0.1～0.3；

D—穿越管段的管身外徑，m；

Ds—穿越管段的鋼管外徑，m；

ds—穿越管段的鋼管內(nèi)徑，m；

γ1—泥漿密度，取1.15～1.2kN/m3；

δ—鋼管壁厚，m；

γs—鋼材密度，78 kN/m3；

K—粘滯系數(shù)，取0.01～0.03。

根據(jù)《南昌市天然氣利用工程可行性研究報(bào)告》，中壓天然氣管道穿越贛江管徑確定為DN500。且經(jīng)過(guò)計(jì)算，南昌市天然氣利用工程 DN500中壓天然氣管道壁厚選為8 mm，采用螺旋縫埋弧焊鋼管，材質(zhì)Q235B。

以生米大橋處水平定向鉆穿越贛江工程為例，將各參數(shù)代入(3)計(jì)算管道回拖力。設(shè)計(jì)初步理論計(jì)算定向鉆施工時(shí)的成品管段在不同位置回拖力的變化范圍為96～303 t之間(實(shí)際與施工選用發(fā)送方式、水力漂浮狀態(tài)、泥漿性能和管道在洞中位置有關(guān))，占管材最小屈服極限 33%～103%之間，不能滿足《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50423—2007)中規(guī)定的許用應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)最低屈服強(qiáng)度60%的要求。

因此，應(yīng)相應(yīng)提高壁厚。當(dāng)壁厚提高到10 mm時(shí)，設(shè)計(jì)初步理論計(jì)算定向鉆施工時(shí)的成品管段在不同位置回拖力的變化范圍為90～287 t之間，占管材最小屈服極限25%～78%之間，仍不能滿足《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50423—2007)中規(guī)定的許用應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)最低屈服強(qiáng)度 60%的要求。

故提高管材等級(jí)，選用L360MB直縫埋弧焊鋼管，帶入?yún)?shù)計(jì)算得施工時(shí)的成品管段在不同位置回拖力的變化范圍為90～285 t之間，占管材最小屈服極限16%～51%之間，滿足規(guī)范要求。

同樣，選用D508×10 mm，材質(zhì)L360MB(X52)進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)初步理論計(jì)算得英雄大橋、洪都大橋處定向鉆施工時(shí)的成品管段在不同位置回拖力的變化范圍分別為58～182 t之間、43～135 t之間。

綜上所述，根據(jù)地質(zhì)條件及相關(guān)規(guī)范要求，最終確定英雄大橋、洪都大橋、生米大橋處水平定向鉆穿越贛江采用 D508×10 mm直縫雙面埋弧焊鋼管，設(shè)計(jì)壓力為0.4 MPa，材質(zhì)L360MB(X52)。

4.2 設(shè)備選型

4.2.1 夯管機(jī)選型

目前，國(guó)內(nèi)最大夯管機(jī)為T(mén)T600，TT600氣動(dòng)夯管錘的夯擊力2 000 t/次，而根據(jù)4.1節(jié)計(jì)算結(jié)果，鋼套管所受到的阻力F+f=2 163 t，大于TT600氣動(dòng)夯管錘的夯擊力，將會(huì)導(dǎo)致套管入土速度很緩慢。施工時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)措施，使F+f

4.2.2 鉆機(jī)選型

目前國(guó)內(nèi)大型定向鉆機(jī)性能見(jiàn)表3。

表3 國(guó)內(nèi)主要大型定向鉆機(jī)性能

由于回拖時(shí)邊界條件復(fù)雜(包括地質(zhì)條件、穿越曲線、擴(kuò)孔工藝、泥漿性能、管道規(guī)格、外壁防腐層、管道在地面上的擺布方式、發(fā)送方式等)，故在選擇鉆機(jī)時(shí)應(yīng)有一定的安全余量，一般按回拖力計(jì)算值的 1.5～3.0倍作為鉆機(jī)選型與鉆桿尺寸核算的依據(jù)。

對(duì)于本工程，在選用鉆機(jī)時(shí)，除參照上文 4.1計(jì)算結(jié)果外，為保證穿越施工順利進(jìn)行，還應(yīng)保留一定的安全系數(shù)和儲(chǔ)備能力，以規(guī)避穿越長(zhǎng)度下孔壁穩(wěn)定性和地層實(shí)際巖性上存在的風(fēng)險(xiǎn)，因此，建議生米大橋處水平定向鉆穿越贛江時(shí)選擇鉆機(jī)回拖力>285 t(例如≥500 t)。同理，設(shè)計(jì)建議施工使用的對(duì)接輔助鉆機(jī)能力也應(yīng)≥100 t級(jí)。

對(duì)于英雄大橋、洪都大橋處定向鉆穿越贛江時(shí)的主輔鉆機(jī)也建議選擇≥500 t，≥100t級(jí)。

5 其他輔助措施

5.1 夯管階段

5.1.1 減小夯管阻力常用方法

根據(jù)第4節(jié)的計(jì)算結(jié)果和選型結(jié)果，TT600氣動(dòng)夯管錘的夯擊力小于鋼套管所受到的阻力，因此應(yīng)采取相應(yīng)的措施。結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)時(shí)建議采取如下幾種方法減小夯管阻力：

(1)套管外壁除銹并涂覆石蠟?？紤]到套管采用夯擊進(jìn)入土層，在設(shè)計(jì)文件中并沒(méi)有要求對(duì)套管材料進(jìn)行外防腐。但業(yè)主采購(gòu)時(shí)購(gòu)進(jìn)了鋼管廠的庫(kù)存品，套管腐蝕程度比較嚴(yán)重，大多鋼管內(nèi)外壁有1～2 mm的鐵銹。這樣的鋼管在夯擊中阻力會(huì)增加很多，增加了失敗的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)多方現(xiàn)場(chǎng)討論，決定對(duì)套管外壁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)除銹，并涂覆石蠟以減少摩擦。雖然減阻效果明顯，但是由于套管管徑大、現(xiàn)場(chǎng)其重設(shè)備局限和場(chǎng)地局限，造成施工現(xiàn)場(chǎng)很大的負(fù)擔(dān)。由此設(shè)計(jì)組吸取教訓(xùn)，在今后設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)要求套管在出廠前進(jìn)行除銹和防銹漆防腐。

(2)在第一根套管的前端加裝刀頭。為了保證在施工過(guò)程中和今后的運(yùn)行中沙礫層中的水不進(jìn)入套管內(nèi)，在南昌贛江大型定向鉆的夯管中，設(shè)計(jì)組要求把套管夯擊穿過(guò)強(qiáng)風(fēng)化巖，進(jìn)入中風(fēng)化巖。理論上套管選取的壁厚和材質(zhì)足夠克服中風(fēng)化巖以上地層的硬度，不會(huì)發(fā)生套管不能進(jìn)入巖層和卷邊的情況。為保證萬(wàn)無(wú)一失，設(shè)計(jì)建議在第一根套管的前端加裝刀頭，刀頭由施工方事先定制鍛造零件。在實(shí)際施工中一開(kāi)始，施工單位都加裝了刀頭，見(jiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)照片，如圖6所示，夯管進(jìn)展也比較順利。到最后幾處夯管中，大家放松了警惕，認(rèn)為沒(méi)有必要裝刀頭了，恰好碰到一處地質(zhì)情況與地質(zhì)勘察資料不符的情況，問(wèn)題就出現(xiàn)了：在揚(yáng)子洲上地質(zhì)資料顯示套管進(jìn)巖層處，強(qiáng)風(fēng)化巖層厚度在足夠保證套管進(jìn)入中風(fēng)化巖層前全部進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖。但實(shí)際施工中該處強(qiáng)風(fēng)化巖層幾乎沒(méi)有，造成套管進(jìn)入中風(fēng)化層很困難，砂礫層的贛江水源源不斷進(jìn)入套管，夯管工程進(jìn)退兩難，給接下來(lái)的施工造成很大的困難。由此得出結(jié)論，套管前端加裝刀頭很有必要。

圖6 加裝刀頭施工示意

(3)安裝送漿管。隨著套管的外壁跟進(jìn)送漿管是夯管工程中常見(jiàn)的降阻方法。具體做法是在夯管工作坑旁邊設(shè)置配漿筒，用DN20無(wú)縫鋼管把水漿輸送到套管的外壁，隨著套管一根根夯進(jìn)地下，送漿管也同時(shí)一根根焊接在套管的外壁，可以在套管正上方安裝一根，也可以在四周多安裝幾根，送漿管上每間隔一定距離設(shè)置幾個(gè)出漿孔，送漿管工藝和安裝方法見(jiàn)圖7。

圖7 送漿管工藝示意

(4)對(duì)套管內(nèi)部勤掏土。對(duì)套管內(nèi)部勤掏土可以減少套管內(nèi)壁摩擦，在施工中為了提供工作效率，一般是白天進(jìn)行夯管施工，利用晚上進(jìn)行掏土。

5.1.2 夯管過(guò)程中卡管的現(xiàn)場(chǎng)處理

即便采取了上文中提到的減小夯管阻力的措施，但在實(shí)際施工時(shí)，仍舊碰到了夯管長(zhǎng)度沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度套管就夯不動(dòng)的情況，主要分為兩種情形，一種是套管夯到一半就卡住了，另外一種是快進(jìn)巖層時(shí)夯不動(dòng)。

第一種情況在三處穿越現(xiàn)場(chǎng)均出現(xiàn)了多次。通過(guò)設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理單位現(xiàn)場(chǎng)協(xié)商，分別采用了以下幾種方法來(lái)解決：

(1)把套管內(nèi)土掏空后，在套管內(nèi)人工向外鉆孔，然后利用這些孔對(duì)外送漿，減少阻力。開(kāi)孔的數(shù)量，以能夠繼續(xù)夯進(jìn)為止。

(2)從地面向套管上鉆孔和送漿，減少阻力，做法見(jiàn)工藝示意圖8。

圖8 地面上鉆孔和送漿工藝示意

(3)從地面向套管的前端鉆孔，打通位于套管前方的障礙物，做法見(jiàn)工藝示意圖9。

圖9 打通套管前方障礙物工藝示意

以上方法在處理夯管中間卡管的問(wèn)題比較有效，各出現(xiàn)卡管工地都因地制宜采用了以上方法。

第二種情況出現(xiàn)在贛江內(nèi)揚(yáng)子洲上。上述解決卡管的方法都使用過(guò)，但還是不見(jiàn)效果。經(jīng)分析，套管下部已經(jīng)到達(dá)中風(fēng)化巖，硬度較大，再加上卡管問(wèn)題處理時(shí)間已經(jīng)很長(zhǎng)，套管周?chē)翆右呀?jīng)把套管抱死，套管繼續(xù)夯入到巖層內(nèi)的可能性不大。經(jīng)多方討論，決定放棄繼續(xù)夯管，改為把目前套管周?chē)纳暗[土質(zhì)進(jìn)行固化，制造“人造巖體”。固化工作分成兩個(gè)階段：

(1)第一階段是在鋼套管前端的上方通過(guò)地勘鉆機(jī)，由上至下打探孔至鋼管前端，向下打設(shè)注漿導(dǎo)管，對(duì)鋼管前端的土體進(jìn)行注漿固化和閉水；通過(guò)注漿達(dá)到穩(wěn)定管道上方土體的目的，從而避免由于人工掏土作業(yè)時(shí)，管道前方土體塌落的危險(xiǎn)。同時(shí)保證在鉆機(jī)施工時(shí)管外流沙不進(jìn)入鋼套管內(nèi)，對(duì)鉆機(jī)回拖鋼管不會(huì)產(chǎn)生任何影響。注漿位置為套管前端管道頂上方基礎(chǔ)土體和管道兩側(cè)土體。注漿導(dǎo)管施工工藝流程：孔位布設(shè)→鉆孔→下管→灌注。具體方案如下：

孔位布設(shè)時(shí)，考慮到夯管在橫向即左右的偏差，為了確保能在正確位置注漿，必須先用鉆孔的方式確定鋼套管的位置。在原設(shè)計(jì)管中心距離出土點(diǎn)101.3 m，以0.75 m的間距左右打孔定出鋼管位置(如圖10所示)。

圖10 管位探測(cè)

在D 1 016×26.2鋼套管最前端，順管線前端縱向鉆入3排注漿管，每排間距1.5 m，注漿管孔間距0.75 m。

待注漿結(jié)束，在套管內(nèi)進(jìn)行抽水掏土。若水量大則再在這三排注漿管前方及左右兩側(cè)鉆6個(gè)注漿管，位置如示意圖11、圖12所示。

圖11 注漿孔平面分布

圖12 注漿孔剖面分布

地面注漿采用垂直導(dǎo)管固化注漿方法，用D42的鋼管，溢漿孔徑5 mm，溢漿孔間距0.2 m，注入水泥漿(水泥漿配比為每100 kg 425#水泥加入3 kg速凝劑)。

(2)第二階段工作是在鋼套管前方由上至下打孔注漿完成后，在管道內(nèi)沿管道通過(guò)鉆機(jī)鉆桿在管道前端進(jìn)行超前導(dǎo)管注漿加固，順序如下：

在鋼套管內(nèi)向管前端土體進(jìn)行導(dǎo)管注漿加固，通過(guò)鉆機(jī)，沿鋼套管內(nèi)上方把鉆桿打到鋼套管最前端直至頂?shù)綆r石為止。

超前導(dǎo)管注漿加固施工工藝流程：孔位布設(shè)→打設(shè)鉆桿→灌注。

由于施工前已由管道上部向下進(jìn)行了注漿加固，所以超前導(dǎo)管注漿為補(bǔ)充注漿，即加固第一次注漿未能加固的空隙部分，超前導(dǎo)管的間距及注漿量視施工具體情況而定。

在以上固化方案的實(shí)踐中，兩個(gè)階段的工作都實(shí)施了，最后的結(jié)果是仍然有少許水滲出，但不影響掏土，也對(duì)定向鉆的導(dǎo)向和擴(kuò)孔不構(gòu)成影響，因此工程得以順利完成。

5.2 導(dǎo)向擴(kuò)孔階段

在南昌贛江大型定向鉆施工中，導(dǎo)向擴(kuò)孔階段的進(jìn)展比較順利，這歸功于設(shè)計(jì)階段鉆機(jī)的選型可靠、施工場(chǎng)地的設(shè)置合理以及施工單位技術(shù)水平國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。在這個(gè)階段，碰到的最大問(wèn)題是施工時(shí)出現(xiàn)了“跑漿”現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況推斷是在河流中央位置鉆桿軌跡周?chē)袔r層裂隙現(xiàn)象，造成“跑漿”。該穿越工程鉆桿軌跡設(shè)計(jì)在微風(fēng)化巖，該巖層硬度非常大，而且?guī)r層裂隙在地質(zhì)勘察時(shí)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)完全沒(méi)有預(yù)料到會(huì)有這種情況發(fā)生。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多方會(huì)議討論，決定對(duì)定向鉆泥漿配比進(jìn)行調(diào)整來(lái)嘗試應(yīng)對(duì)“跑漿”，結(jié)果效果非常好，雖然還有少量“跑漿”，但是在可以接受的范圍之內(nèi)。

5.3 回拖階段

在回拖階段除了布管、發(fā)送溝的設(shè)計(jì)從根本上不同于中小型定向鉆，還需要解決以下兩個(gè)問(wèn)題：

5.3.1 聚乙烯熱收縮套的保護(hù)

在南昌贛江大型定向鉆工程中，穿越長(zhǎng)度都超過(guò)1 000 m，最長(zhǎng)的超過(guò)2 000 m，回拖時(shí)鋼管的外壁防腐補(bǔ)傷是現(xiàn)場(chǎng)不得不面對(duì)的問(wèn)題?？紤]到鋼管回拖時(shí)現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)傷的便利性和有效性，我們要求鋼管的外壁防腐措施是加強(qiáng)級(jí)3PE防腐。但用于補(bǔ)口的聚乙烯熱收縮套又是該防腐工藝的軟肋，經(jīng)過(guò)技術(shù)咨詢和調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在熱收縮套外面套一個(gè)“犧牲套”可以解決這個(gè)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)3處大型定向鉆的實(shí)踐，非常有效。

5.3.2 卡管后回拖困難情況出現(xiàn)的解決方案

南昌贛江大型定向鉆穿越距離長(zhǎng)，在國(guó)內(nèi)是長(zhǎng)度領(lǐng)先的定向鉆工程，在回拖階段絕對(duì)不允許出現(xiàn)失敗，因?yàn)槭遣豢赡芊艞壴艿蓝匦聦?dǎo)向和回拖的。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們項(xiàng)目組對(duì)回拖時(shí)一旦出現(xiàn)局部卡管情況，做好了充分的準(zhǔn)備。做法是除了在設(shè)計(jì)時(shí)鉆機(jī)的選型預(yù)留了充分的余量，還要把夯管錘安裝在管道后端增加推進(jìn)力作為預(yù)備方案。

在實(shí)際回拖施工中，通過(guò)施工單位的可靠施工，并沒(méi)有發(fā)生卡管情況，定向鉆工程得以順利完成，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)以至世界定向鉆工程的多項(xiàng)新記錄。

6 結(jié)論

英雄大橋、洪都大橋、生米大橋處穿越管道是貫通昌南、昌北中壓天然氣管道的必由之路，為昌南地區(qū)人工煤氣轉(zhuǎn)換提供氣源保障。該項(xiàng)目的順利實(shí)施，是保證南昌市民及時(shí)用上優(yōu)質(zhì)、高效的天然氣關(guān)鍵工程。結(jié)合勘探地質(zhì)狀況、施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響、現(xiàn)有施工技術(shù)等多方面因素，確定水平定向鉆穿越贛江時(shí)采用對(duì)接穿越技術(shù)，并在出、入土側(cè)預(yù)設(shè)鋼套管。經(jīng)受力分析，對(duì)主要設(shè)備夯管機(jī)及鉆機(jī)進(jìn)行了選型。通過(guò)工程實(shí)施階段及時(shí)配合，積極采取有效措施，保證了水平定向鉆穿越贛江工程的順利進(jìn)行。