□薛 波（河南省水利第二工程局）

0 引言

水平定向鉆進(jìn)技術(shù)以其顯著的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益和日益成熟的施工技術(shù)，成為輸水管道建設(shè)工程中穿越河流必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。文章結(jié)合南水北調(diào)配套周口沙潁河定向鉆穿越工程，探討大口徑（DN1016mm）水平定向鉆穿越工程的設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

沙潁河穿越工程位于河南省周口市境內(nèi)，交叉斷面以上流域面積25800 km2,50 a一遇洪峰流量3250m3/s，天然洪水位49.90m。沙潁河穿越管段設(shè)計(jì)壓力為1.40MPa，設(shè)計(jì)為雙管線布置，兩管外壁間距20.20m，穿越管道為涂塑復(fù)合鋼管，規(guī)格為D1016mm×16mm。

2 穿越路線及層位選擇

2.1 設(shè)計(jì)原則

穿越路線及層位的選擇，應(yīng)根據(jù)河道詳細(xì)勘察資料及沙潁河穿越區(qū)域水文、氣象條件及交通狀況確定。一是穿越處地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬粘砂雙層結(jié)構(gòu)。根據(jù)地層時(shí)代、巖性及空間分布特性，場(chǎng)區(qū)地層劃分為7層，分別為：①重粉質(zhì)壤土（alQ24）；②輕粉質(zhì)壤土(alQ24)；③粉質(zhì)粘土(alQ24)；④重粉質(zhì)壤土(alQ14)；⑤重粉質(zhì)壤土（alQ14）；⑥重粉質(zhì)壤土（alQ3）；⑦粉細(xì)砂（alQ3）。其中①～⑥層含鈣質(zhì)結(jié)核，粒徑1～3 cm，第⑦層砂質(zhì)不均，局部夾有輕粉質(zhì)壤土、砂壤土薄層。二是選擇河流順直、水流平緩、河床和坡岸穩(wěn)定的河流斷面穿越，以降低施工難度。三是河岸兩側(cè)應(yīng)有足夠的布置鉆機(jī)、泥漿池、施工材料堆放和管道組焊的場(chǎng)地；河岸兩側(cè)場(chǎng)地進(jìn)行交通運(yùn)輸方便，有效縮短施工周期。四是水域穿越管段的埋深除應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件與沖刷深度確定外，最小埋深應(yīng)大于河床最大沖刷線以下6m，確保河流中不出現(xiàn)冒漿事故及保證堤防安全。五是為保證管道有足夠的強(qiáng)度安全余量，穿越管段曲率半徑宜≥1500（為穿越管段外徑）。

2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

一是入土點(diǎn)及入土角度。入土點(diǎn)高程47.70m，入土角7°，入土點(diǎn)位于沙潁河北岸，毗鄰周口大道，交通便利。二是出土點(diǎn)及出土角度。出土點(diǎn)高程44.90m，出土角7°。出土點(diǎn)選定于沙潁河南岸，地勢(shì)開(kāi)闊，有利于管線組焊及回拖。三是曲率半徑：為利于管線回拖及保證管線強(qiáng)度，沙潁河穿越曲線段半徑為1800 m（1800D）。四是穿越地層：根據(jù)工程詳細(xì)勘察資料，粉質(zhì)壤土或粉質(zhì)粘土層中存在鈣質(zhì)結(jié)核，會(huì)給鉆進(jìn)過(guò)程帶來(lái)困難。因此，將主要的穿越水平段設(shè)在第⑦層細(xì)砂中。穿越水平段管道中心高程為23.30m，滿足管道最小埋深應(yīng)大于河床最大沖刷線以下6 m的要求。

3 鉆機(jī)及鉆具優(yōu)選

3.1 理論回拖力計(jì)算及定向鉆機(jī)選擇

沙潁河穿越的理論回拖力計(jì)算采用《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》（GB50424-2007）推薦的回拖力計(jì)算公式：

式中：F—穿越管段回拖力（t）；L—穿越管段長(zhǎng)度（m），本工程取525.90m；f—摩擦系數(shù)，一般取0.10～0.30，本工程取0.20；D—穿越管段的直徑（m），本工程取1.02；γ粘—泥漿比重，一般為1.15～1.20，本工程取1.17；δ—穿越管段的鋼管壁厚（m），本工程取0.02；k粘—粘滯系數(shù)，取0.01~0.03，本工程取2.50×10-2。

將各參數(shù)代入式（1），得到理論回拖力值為100.20 t，根據(jù)國(guó)內(nèi)外施工經(jīng)驗(yàn)，定向鉆機(jī)宜根據(jù)計(jì)算回拖力值得1.50～3.00倍進(jìn)行選擇，本工程選定徐工XZ3000型水平定向鉆機(jī)一臺(tái)，最大回拖力3000 kN，最大輸出扭矩110kN·m。

3.2 鉆具優(yōu)選

鉆具是水平定向鉆進(jìn)施工過(guò)程中影響施工效率和安全的直接因素，考慮地質(zhì)條件、鉆機(jī)能力和工程規(guī)模等方面，進(jìn)行了鉆具的優(yōu)選。一是導(dǎo)向鉆：考慮到該穿越地層含有較多的鈣質(zhì)結(jié)核，本工程采用破碎能力更強(qiáng)的三牙輪導(dǎo)向鉆頭，并用泥漿馬達(dá)驅(qū)動(dòng)牙輪鉆頭。二是擴(kuò)孔器：考慮到本次穿越的主要地層為粉細(xì)砂層，鉆孔穩(wěn)定性差，決定采用具有穩(wěn)定孔壁功能的擠擴(kuò)式擴(kuò)孔器。三是鉆桿：鉆桿質(zhì)量直接影響工程施工的順利與否，本工程選用高性能的Φ140S-135級(jí)鉆桿。

4 施工方案設(shè)計(jì)

4.1 鉆導(dǎo)向孔

為保證導(dǎo)向精度，防止干擾源影響導(dǎo)向信號(hào)，沙潁河穿越采用聯(lián)合控向技術(shù)，即采用兩套控向系統(tǒng)，一套精度高、受干擾小的CDY-2型有線地磁控向系統(tǒng)和一套GL600無(wú)線控向系統(tǒng)。這樣使鉆導(dǎo)向孔施工具有雙保險(xiǎn)，如遇地磁控向系統(tǒng)無(wú)信號(hào)或受干擾時(shí)，即可用無(wú)線控向系統(tǒng)完成接下來(lái)的控向工作。在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過(guò)程中，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)給出的軌跡曲率半徑進(jìn)行。在鉆進(jìn)過(guò)程中，還應(yīng)注意每根鉆桿的折角，折角不宜過(guò)大，以免造成鉆孔不夠平滑，影響回拖。糾偏應(yīng)遵循小幅、多次的原則，不能操之過(guò)急而矯枉過(guò)正。鉆導(dǎo)向孔的鉆具組合為：9-5/8三牙輪鉆頭+Φ172造斜短節(jié)+無(wú)線探頭倉(cāng)+無(wú)磁鉆鋌+有線探頭倉(cāng)+無(wú)磁鉆鋌+Φ140鉆桿。

4.2 擴(kuò)孔及洗孔

水平定向鉆管道穿越工程的終孔直徑一般為管道外徑的1.20～1.50倍，考慮到地層性質(zhì)，沙潁河終孔直徑確定為1400 mm。為解決擴(kuò)孔時(shí)扭矩大的問(wèn)題，可采用較多的擴(kuò)孔級(jí)數(shù)以減少每一級(jí)擴(kuò)孔的扭矩。沙潁河穿越工程共分七級(jí)擴(kuò)孔，每級(jí)擴(kuò)孔的直徑分別為：500mm，650 mm，800 mm，950 mm，1100 mm，1250mm和1400mm。擴(kuò)孔結(jié)束后，根據(jù)擴(kuò)孔扭矩、拉力和返漿情況進(jìn)行1～2次Φ1400洗孔。擴(kuò)孔的鉆具組合為：Φ140鉆桿+擠擴(kuò)式擴(kuò)孔器。

4.3 回拖

管道回拖前，應(yīng)對(duì)鉆機(jī)地錨進(jìn)行加固，確?；赝线^(guò)程中不出現(xiàn)地錨松動(dòng)；對(duì)分動(dòng)器、U型環(huán)等進(jìn)行檢查，確保工作可靠；對(duì)已連接完成的管線長(zhǎng)度、焊縫、防腐進(jìn)行檢查；進(jìn)行泥漿試噴，確保泥漿通暢。為減小回拖阻力和保護(hù)管道防腐層，應(yīng)沿穿越中心線開(kāi)挖發(fā)送溝，在出土口處平順連接。發(fā)送溝開(kāi)挖寬度為3.00m，底寬1.50m，深度0.80m。發(fā)送溝完成后，檢查溝內(nèi)無(wú)石塊、樹(shù)根等硬物，然后將管道吊入溝內(nèi)，再?gòu)暮永锍樗畬⒐軠铣錆M，使管道近似處于漂浮狀態(tài)，減小管道回拖時(shí)摩擦阻力。管線回拖時(shí)，需采用適宜的措施控制管段的浮力以減少摩擦阻力?；赝线^(guò)程應(yīng)連續(xù)施工，停止回拖時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能造成泥漿對(duì)管段形成握裹力，增大回拖力；回拖速度均勻，避免造成孔內(nèi)壓力激動(dòng)。回拖的鉆具組合為：Φ140鉆桿+Φ1250擠擴(kuò)式擴(kuò)孔器+分動(dòng)器+Φ1016管線。

5 泥漿工藝

5.1 確定泥漿性能要求

根據(jù)沙潁河穿越工程地質(zhì)條件，定向鉆入、出點(diǎn)兩側(cè)主要為含鈣質(zhì)結(jié)核的粘土層，主要水平穿越段為密實(shí)細(xì)砂層，對(duì)泥漿的攜帶能力和護(hù)壁能力要求很高。因此，要求嚴(yán)格控制泥漿粘度和濾失量，避免孔內(nèi)殘留鉆屑過(guò)多，堵塞鉆孔或孔壁坍塌等復(fù)雜情況發(fā)生。沙潁河穿越泥漿體系性能指標(biāo)：馬氏漏斗粘度55 s，濾失量<12m l。

5.2 泥漿配比方案

一是鉆導(dǎo)向孔階段要求盡量將孔內(nèi)的鉆屑攜帶出孔外，同時(shí)維持孔壁穩(wěn)定，基本配方為：水+5%鈉基膨潤(rùn)土+0.06%HV-CMC+0.04%燒堿。二是擴(kuò)孔階段要求泥漿具有很好的護(hù)壁效果，防止地層坍塌，提高泥漿的攜帶能力，基本配方為：水+6%～8%鈉基膨潤(rùn)土+0.06%HV-CMC+0.05%燒堿。三是回拖階段要求泥漿具有很好的護(hù)壁和攜帶能力，同時(shí)具有很好的潤(rùn)滑降阻能力，因此粘度不能太大，基本配方為：水+5%鈉基膨潤(rùn)土+0.06%HV-CMC+0.04%燒堿。

5.3 泥漿配制

現(xiàn)場(chǎng)配漿設(shè)備只有兩個(gè)自攪拌漿罐，一個(gè)容量20m3，另一個(gè)容量40m3。選取20m3漿罐為配漿罐，40m3漿罐為儲(chǔ)漿罐。配加料漏斗和射流泵，增加其攪拌能力。泥漿配制過(guò)程中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：一是嚴(yán)格按照泥漿體系配方計(jì)算泥漿材料加量，按照水—膨潤(rùn)土—處理劑順序依次添加泥漿材料；二是配制新漿過(guò)程中，至少保證20min的循環(huán)水化時(shí)間，采用馬氏漏斗粘度計(jì)和中壓濾失儀等實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)定泥漿性能指標(biāo)，達(dá)到要求后方可倒入儲(chǔ)漿罐；三是穿越施工過(guò)程中，應(yīng)注意監(jiān)測(cè)返漿情況，地層突變等情況及時(shí)上報(bào)，以便調(diào)整泥漿方案。

6 結(jié)語(yǔ)

水平定向鉆進(jìn)技術(shù)在穿越河流時(shí)具有不破壞大堤、不擾動(dòng)河床、對(duì)環(huán)境影響較小、施工周期較短、管道運(yùn)營(yíng)安全、綜合造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用這一技術(shù)的關(guān)鍵是根據(jù)地質(zhì)條件制定施工工藝方案，保證管道成功穿越。