王宏

【摘 要】大唐海陽徐家店風(fēng)電場一期工程35KV電纜急需下穿藍(lán)煙鐵路K116+629處，以便匯集鐵路南北兩側(cè)風(fēng)電場發(fā)出的電力并輸出。作者從現(xiàn)場查勘、初步方案設(shè)計、施工圖會審、簽訂合同到項目管理，參入了全過程。最終按設(shè)計要求，采用一臺XZ-680型水平定向鉆機(jī)高效、快捷地完成了本工程。本文對重點環(huán)節(jié)進(jìn)行了總結(jié)與分析。以期該技術(shù)能在鐵路施工中得到推廣和應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】巖石鉆具；軌跡設(shè)計及修正；有線導(dǎo)航；洗孔及回拖

XZ680 horizontal directional drilling machine in the blue smoke railway （K116 + 629） additional

Application of Protective Facilities in Engineering

Wang Hong

（Jinan Railway Bureau Design Institute Jinan Shandong 250000）

【Abstract】Datang Haiyang Alex shop wind farm phase I project of 35KV cable should be wearing Lanyan railway K116+629， to collect the railway on the South and north sides of wind farms and power output. The author from the site survey， preliminary design， construction drawing review， the signing of the contract to the project management， participate in the whole process. Finally according to the design requirements， using a XZ-680 type horizontal directional drilling efficiency， quick completion of the project. This paper summarized and analyzed the key link in order. This technique can be extended and applied in railway construction.

【Key words】Rock drilling tool trajectory design and correction；Wire navigation；Hole cleaning and back dragging

1. 前言

（1）隨著社會文明的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得現(xiàn)代城市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)顯得尤為重要，而健全的地下管網(wǎng)已成為一個現(xiàn)代化城市的顯著標(biāo)志，由此引發(fā)了非開挖管線鋪設(shè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和大力推廣。尤其是近幾年，隨著我國工業(yè)制造業(yè)的快速發(fā)展，各種大噸位超扭矩水平定向鉆機(jī)大量涌入市場，促使我國的非開挖行業(yè)得到了迅猛發(fā)展，對傳統(tǒng)的開挖法施工進(jìn)行了徹底的技術(shù)革命，它有效解決了河流、道路、鐵路和在現(xiàn)有建筑物下鋪設(shè)管道的難題。我們只有不斷地學(xué)習(xí)新技術(shù)、應(yīng)用新技術(shù)、推廣新技術(shù)，才能滿足日益增大的市場需求，讓它更有效地服務(wù)于城市建設(shè)及鐵路建設(shè)。

（2）本文就大唐海陽徐家店風(fēng)電場一期35KV電纜下穿藍(lán)煙鐵路（K116+629），采用徐工XZ-680型水平定向鉆機(jī)穿越中-微風(fēng)化角閃巖層鋪設(shè)219mm鋼套管獲得成功的施工案例進(jìn)行簡要分析與介紹。

2. XZ680型水平定向鉆機(jī)特點

XZ680型水平定向鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：康明斯250KW發(fā)動機(jī)，齒輪齒條行走馬達(dá)，最大回拖力/給進(jìn)力為680/680KN，動力頭最大扭矩27000Nm，動力頭轉(zhuǎn)速0-100r/min，動力頭行進(jìn)速度20m/min，最大回擴(kuò)孔直徑1350mm，鉆桿長度（單根）6m，鉆桿直徑114mm，入土角度10～18°，泥漿最大流量600L/min，泥漿最大壓力100bar，整機(jī)質(zhì)量23000KG，外

型尺寸（長*寬*高）11500*2800*3000mm。該鉆機(jī)采用PLC控制、電液比例控制、負(fù)荷敏感控制等多項先進(jìn)的控制技術(shù)。雙速動力頭：鉆進(jìn)、回拖可低速運行，空載往返時，可倍速滑動，工作效率高。動力頭轉(zhuǎn)速高，成孔效果好，施工效率高。發(fā)動機(jī)具有渦輪增矩特性，遇到復(fù)雜地質(zhì)時，能瞬時增加動力，確保鉆進(jìn)功率，能單手柄控制推拉和旋轉(zhuǎn)等多種作業(yè)。具有繩系控制器，單人就能進(jìn)行鉆機(jī)的裝卸車作業(yè)；安全高效、專利技術(shù)的浮動式虎鉗，可有效延長鉆桿的使用壽命。還具有發(fā)動機(jī)、液壓參數(shù)監(jiān)測報警及多種安全保護(hù)，有效保護(hù)操作者和機(jī)器的安全。鉆機(jī)本身備有20KN自卸吊，作業(yè)快捷、高效?？傊?，該機(jī)性能先進(jìn)，工作效率高，操作舒適，關(guān)鍵部件采用國際化配套，是供水、煤氣、電力、電訊、暖氣、石油、天然氣等行業(yè)施工的理想設(shè)備。

3. 工程概況

3.1 工程概況。

3.1.1 概況：

（1）本工程位于藍(lán)煙線K116+926處，新建1-DN219mm鋼套管作為大唐海陽徐家店一期工

程35KV電纜穿越鐵路通道，防護(hù)套管與線路夾角為78°，全長為177.26m。

（2）套管采用定向鉆施工，入土點在藍(lán)煙下行線外側(cè)，距離下行線路基坡腳68.12m，入土角16°；出土點在藍(lán)煙上行線外側(cè)，距離上行線路基坡腳49.9m，出土角8°。

（3）該處為路基地段，管頂距上行線路基坡腳處垂直距離為5.09m，管頂距下行線路基坡腳處垂直距離為7.17m。管頂至上、下行線軌面高度分別為H上=16.44m，H下=13.56m。套管穿越軌跡兩端為直線，中間為曲線，曲率半徑500m，長度為29.73m。如圖1所示：endprint

圖1

3.1.2 地質(zhì)：

套管穿越地質(zhì)層自地面往下依次為強(qiáng)風(fēng)化片巖層、中風(fēng)化片巖層、中風(fēng)化角閃巖層、微風(fēng)化角閃巖層，其中在鐵路路基范圍內(nèi)穿越中-微風(fēng)化角閃巖層，其基本承載力為1000KPa。

3.1.3 水文：廠區(qū)地下水主要為基巖裂隙水，施工期間未見地下水。據(jù)調(diào)查，水位埋深大于20m。

3.2 線路情況。

本工程位于藍(lán)煙鐵路海陽站-桃村站區(qū)間。藍(lán)煙鐵路為國鐵Ⅰ級，雙線電氣化鐵路。套管穿越地段為直線區(qū)段，上下行均為P60無縫線路，碎石道床，Ⅲ型混凝土枕，路基為路堤結(jié)構(gòu)，路堤高度約7m。

3.3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

該防護(hù)套管設(shè)計為DN219mm、壁厚8mm的螺旋焊縫鋼管，外壁采用了PE加強(qiáng)級外防腐，設(shè)計使用年限50年。

3.4 主要工程數(shù)量。

定向穿越1-DN219mm鋼制防護(hù)套管：177.26m。

3.5 主要施工方案。

導(dǎo)向施工采用有線導(dǎo)航，自藍(lán)煙線下行線側(cè)進(jìn)行導(dǎo)向孔施工。然后使用250mm巖石擴(kuò)孔器和350mm巖石擴(kuò)孔器進(jìn)行兩次逐級預(yù)擴(kuò)孔。拖管前利用大量泥漿進(jìn)行兩次洗孔，施工完成后防護(hù)套管兩端與電纜間采用水泥砂漿封堵。

3.6 施工等級。

鄰近營業(yè)線B類。

3.7 項目管理。

青島鐵路工程建筑有限公司憑著雄厚的技術(shù)實力、先進(jìn)的設(shè)備、科學(xué)的施工組織及經(jīng)濟(jì)合理的施工費用，通過工程招投標(biāo)承攬了此項工程。山東濟(jì)鐵設(shè)計咨詢有限公司（濟(jì)南鐵路局設(shè)計所）進(jìn)行了全過程項目管理。山東濟(jì)鐵工程建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司進(jìn)行了工程監(jiān)理。

4. 方案設(shè)計

4.1 工程地質(zhì)勘察。

（1）水平導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用中重要的一環(huán)是泥漿配置，泥漿配置的好壞關(guān)系到施工過程中成孔的優(yōu)劣，也影響著工程的成功與失敗。因此在方案設(shè)計之前必須全面的了解施工地段的土質(zhì)情況。由此，業(yè)主委托中鐵十局集團(tuán)有限公司濟(jì)南勘察設(shè)計院提交了《工程地質(zhì)勘察報告》。

（2）從該勘察報告看，入鉆段和出鉆段均為強(qiáng)風(fēng)化片巖及中風(fēng)化片巖。鐵路路基正下方（也就是水平段）均為中-微風(fēng)化角閃巖；本段巖石雖硬，便于成孔，但巖石本身脆性大，鉆頭擴(kuò)孔過程中極易形成或堆積巖屑。因此在施工過程中必須使用大量膨潤土護(hù)壁和攜帶巖屑，以保證工程成功。

4.2 導(dǎo)向軌跡設(shè)計。

根據(jù)工程沿線地段的地質(zhì)情況、現(xiàn)場自然地貌平面圖、斷面圖、鐵路局有關(guān)規(guī)定及業(yè)主的要求，我們首先在微機(jī)上利用先進(jìn)的工程規(guī)劃軟件，經(jīng)過精確的計算，設(shè)計出最優(yōu)化的鉆進(jìn)軌跡，作為施工圖設(shè)計文件。同時規(guī)劃軟件也自動生成了導(dǎo)向過程中每根鉆桿的參考深度、角度及左右偏差，可在施工過程中作為參考。導(dǎo)向孔軌跡參數(shù)表（略）。

4.3 擴(kuò)孔及回拖設(shè)計。

鑒于本工程管線鋪設(shè)距離較長，埋深較大、且地質(zhì)情況復(fù)雜、巖石很硬等特點，我們計劃采用250mm、350mm兩個牙輪鉆頭進(jìn)行預(yù)擴(kuò)孔，最后利用350mm牙輪鉆頭帶管回拖。

5. 施工過程

5.1 原有地下管線保護(hù)。

鐵路施工不同于一般施工，為了保證行車安全，首先要組織工務(wù)、電務(wù)、通信、供電、接觸網(wǎng)等相關(guān)設(shè)備管理單位到施工現(xiàn)場確認(rèn)地下管線埋設(shè)情況，然后由人工開挖露出地表并有效保護(hù)，確認(rèn)100%無差錯后方可進(jìn)行下道工序。

5.2 測量放線。

采用GPS測量系統(tǒng)，按照施工圖設(shè)計要求進(jìn)行放線。保證防護(hù)套管與線路呈78°相交。入鉆點、出鉆點逐一標(biāo)注并埋設(shè)好固定木樁。鐵路路基上行線坡腳點和下行線坡腳點是關(guān)鍵控制點，要重點標(biāo)注。同時利用GPS把每根鉆桿（每6m一根）預(yù)計到達(dá)點投影到地面上，并標(biāo)注好位置和深度，便于后期導(dǎo)向控制。

5.3 鉆機(jī)就位。

利用GPS定位系統(tǒng)，保證鉆機(jī)、入鉆點、出鉆點呈一直線，并與鐵路呈78°夾角。鉆機(jī)下面埋設(shè)長6m、寬4m，40mm厚鋼板，并通過鋼絲繩與鉆機(jī)相連。鉆機(jī)前面埋設(shè)地錨箱（長2m、寬1.5m、高2m），地錨箱與鉆機(jī)固定在一起，防止鉆機(jī)在推進(jìn)、鉆進(jìn)和回拖時因受力而產(chǎn)生移位。

5.4 導(dǎo)向孔施工。

（1）本工程我們選擇了功率較大的徐工XZ-680型水平定向鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)向孔作業(yè)，入土角按16°入鉆。由于巖石十分堅硬，鉆進(jìn)至60m（10根鉆桿），離下行線路基坡腳尚有8.12m距離時，鉆進(jìn)深度出現(xiàn)上浮，滿足不了設(shè)計要求，況且進(jìn)尺極慢。憑經(jīng)驗估計泥漿馬達(dá)前面的開孔鉆頭（三牙輪鉆頭）出了問題。果不其然，退出鉆桿及泥漿馬達(dá)后發(fā)現(xiàn)，三牙輪鉆頭有兩個牙輪已出現(xiàn)松動，合金基本磨光磨掉了，這就是不進(jìn)尺的原因，并導(dǎo)致了鉆頭上浮（因為上層是較軟的強(qiáng)風(fēng)化片巖）。

（2）此后，我們換上備用的開孔鉆頭繼續(xù)導(dǎo)向施工，一切正常，嚴(yán)格按照設(shè)計軌跡推進(jìn)，不足半天，導(dǎo)向鉆頭已過藍(lán)煙上行線路基坡腳控制點，尚有50米即可到達(dá)出鉆點。

（3）第三天，導(dǎo)向鉆頭順利出鉆，出鉆角度8°。分析導(dǎo)向記錄表（略），所有數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計要求。

（4）尤為重要的是，穿越鐵路是不允許工作人員進(jìn)入外圍柵欄以內(nèi)的，否則觸犯鐵路交通運輸法。因此，導(dǎo)向施工時采用有線導(dǎo)航，保證導(dǎo)向信號強(qiáng)，導(dǎo)向儀可以顯示角度，技術(shù)人員通過角度計算，換算出過鐵路這59.24m的距離需要鉆進(jìn)多少根鉆桿，每根鉆桿的角度、鉆頭的深度，照此參數(shù)鉆進(jìn)施工，可以不上鐵路導(dǎo)航。實踐證明，這是可行的，也是安全的。

5.5 擴(kuò)孔。

5.5.1 回擴(kuò)。

在擴(kuò)孔過程中，我們分別用250mm牙輪鉆頭、350mm牙輪鉆頭擴(kuò)孔器進(jìn)行回擴(kuò)，并按不同性質(zhì)的巖層，使用不同泥漿配比和流量。經(jīng)過250mm、350mm擴(kuò)孔器兩次回擴(kuò)后，我們發(fā)現(xiàn)兩次回擴(kuò)都在第12根鉆桿至22根鉆桿（自入鉆點至出鉆點算起）之間，參數(shù)出現(xiàn)變化，都達(dá)到峰值，扭矩達(dá)12800Nm，拉力達(dá)360KN，比正常扭矩9500Nm，拉力180KN高出不少。經(jīng)過對比記錄數(shù)據(jù)和地質(zhì)報告分析，我們認(rèn)為，本段正好處在鐵路正下方，施工深度最深達(dá)16.5m。巖石最硬（單軸抗壓實驗值為120MPa），屬微風(fēng)化角閃巖，巖性也最脆，孔內(nèi)存有大量的巖屑（最大達(dá)花生米大）未能懸浮在泥漿中排出而是沉積在該處孔洞內(nèi)，也就是造成每次擴(kuò)孔至該處時扭矩和拉力均增大的原因。endprint

5.5.2 正擴(kuò)。

根據(jù)上述情況，我們改變原擴(kuò)孔方案。一是重新配置泥漿，提高泥漿比重，并加大泥漿泵流量。二是雙鉆頭串聯(lián)，350mm巖石擴(kuò)孔器放在前面，從鉆機(jī)方向向出鉆點推擴(kuò)（正擴(kuò)），當(dāng)鉆頭正擴(kuò)至鐵路正下方時，我們看到，越來越多的灰綠色、灰黑色的角閃巖碎屑隨著泥漿大量從出鉆點流出。由此可見，該措施取得了預(yù)期的效果。

5.6 洗孔。

巖石鉆進(jìn)施工尤其是堅硬巖石鉆進(jìn)施工，洗孔是必須的。本工程采用350mm巖石鉆頭進(jìn)行了兩次洗孔，同樣是增加泥漿比重，加大泵量。洗孔時，入鉆點和出鉆點都分別攜帶出了大量的巖屑及碎屑。通過洗孔，鉆機(jī)扭矩穩(wěn)定在7500Nm，拉力穩(wěn)定在100KN。

5.7 帶管回拖。

洗孔完成后，立即進(jìn)行帶管回拖作業(yè)。由于導(dǎo)向、擴(kuò)孔、洗孔各工序嚴(yán)格按設(shè)計實施，因此，拖管極為順利。歷時半個月圓滿完成了全部工程量。最后通過業(yè)主驗收，施工質(zhì)量達(dá)到其驗收標(biāo)準(zhǔn)。

6. 經(jīng)驗總結(jié)

本工程的順利完成，不但使建設(shè)單位大大節(jié)省了投資，縮短了工期，也使施工單位從中積累和總結(jié)出了許多經(jīng)驗，尤其是在鐵路施工方面。

6.1 鐵路路基坡腳周圍原先埋設(shè)的管網(wǎng)的保護(hù)是穿越鐵路施工的重要一環(huán)，必須落實到位，且有專人24小時看護(hù)。

6.2 GPS放線定位是下穿鐵路的唯一途徑，沒有他選。鐵路交通運輸法明文規(guī)定，任何單位和個人不得進(jìn)入營業(yè)線內(nèi)。

6.3 鉆機(jī)位置固定的重要性：在大口徑、長距離、下穿深等管道穿越工程中，鉆機(jī)位置務(wù)必固定好，以免造成施工過程中鉆機(jī)移位使鉆機(jī)負(fù)荷增大甚至無法施工。

6.4 設(shè)計鉆進(jìn)軌跡應(yīng)盡可能平緩，每根鉆桿的斜度變化量也應(yīng)盡量減少，復(fù)合曲率半徑要求，以便回擴(kuò)、回拖過程中阻力減少和管道經(jīng)過造斜段時不致變形。

6.5 泥漿配置在工程中起著極為重要的作用，不同的地層需配置不同的泥漿比例，以便巖屑能懸浮在泥漿中順利排出孔洞，同時對孔壁進(jìn)行較好的保護(hù)，減小回拖過程中管道與孔壁的摩擦力。

6.6 回擴(kuò)與正擴(kuò)的結(jié)合使用，在對付特殊地層時有助于工程施工。

6.7 針對不同的地質(zhì)情況，選擇相適應(yīng)的鉆機(jī)型號，決定著工程成敗。

7. 結(jié)束語

大唐海陽徐家店風(fēng)電場一期35KV電纜下穿藍(lán)煙鐵路是我所在鐵路施工方面利用非開挖技術(shù)成功應(yīng)用的典范工程。利用該型號鉆機(jī)高效、快捷、保質(zhì)保量地圓滿完成了艱巨的施工任務(wù)，深得業(yè)主好評；也為我所在今后的設(shè)計、項目管理等方面奠定了基礎(chǔ)積累了經(jīng)驗。作者本人對該技術(shù)在將來鐵路施工方面的推廣及應(yīng)用前景十分看好，也愿意為此項工作作出不懈的努力。endprint