劉樹利 李凱 王書寧

摘要：為確保某大型定向鉆工藝管道穿越沁河工程順利施工，對施工技術(shù)難點進行了研究，合理選取并嚴(yán)格控制最大泥漿壓力、擴孔速度、泥漿黏度與容重等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，有針對性地制定防冒漿施工措施，對穿越路線的薄弱地帶進行預(yù)加固，嚴(yán)格控制導(dǎo)向孔施工軌跡以及入土角和出土角精度，鉆進過程中泥漿壓力、鉆進軌跡、泥漿循環(huán)所反映的實際地質(zhì)情況與設(shè)計出現(xiàn)差異時，隨時修正泥漿壓力、鉆進速度等控制參數(shù)，實現(xiàn)了定向鉆順利鉆進、施工全過程不冒漿以及管道精確就位，創(chuàng)造了定向鉆工藝雙管穿越河道工程、管道直徑達(dá)1016mm、穿越長度1750m及最大埋深超過33m等多項國內(nèi)施工紀(jì)錄。

關(guān)鍵詞：技術(shù)參數(shù)；定向鉆工藝；管道；沁河

中圖分類號：TV672

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.027

定向鉆穿越施工是一種新興的地下非開挖管道施工技術(shù)，具有施工簡便、快速、對自然環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點，在我國石油、天然氣、電信等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)建設(shè)過程中應(yīng)用廣泛，采用定向鉆工藝穿越河流及堤防施工也越來越普遍。由于施工所需泥漿壓力較大、土質(zhì)軟弱及施工人為控制技術(shù)等因素影響，因此常發(fā)生施工冒漿現(xiàn)象。近年來，先后有多處管道工程采用大型定向鉆工藝穿越沁河下游河道與堤防。由于定向鉆工藝施工質(zhì)量控制難度大，以及沁河下游河道地質(zhì)條件的特殊性與復(fù)雜性，因此施工過程中也時常出現(xiàn)冒漿等意外情況，對沁河下游防洪安全造成了一定影響。

某引黃供水管道雙管定向鉆工藝穿越沁河工程位于沁河下游河段，該河段左岸堤防是國務(wù)院明確的黃河防洪確保堤段，防洪安全至關(guān)重要。該穿越工程一旦發(fā)生冒漿等現(xiàn)象，將對沁河下游防洪安全造成嚴(yán)重影響。鑒于河道管理機關(guān)對穿越沁河工程實施最嚴(yán)格要求和管理，參建單位合理選取與嚴(yán)格控制最大泥漿壓力、擴孔速度、泥漿黏度與容重等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，制定科學(xué)的施工技術(shù)方案并嚴(yán)格按方案實施，實現(xiàn)了定向鉆順利鉆進、施工全過程不冒漿以及管道精確就位的預(yù)期目標(biāo)，并創(chuàng)造了采用定向鉆工藝雙管穿越河道工程、管道直徑達(dá)1016mm、穿越長度1750m及最大埋深超過33m等多項國內(nèi)施工紀(jì)錄。經(jīng)建成4a來的運行觀測，穿越斷面處堤防保護范圍內(nèi)未出現(xiàn)異常，管道工程運行正常。

1概述

某引黃供水管道穿越沁河工程是某引黃灌區(qū)重要的節(jié)點工程，采用雙管定向鉆工藝穿越沁河河道。壓力管管身采用L485直縫埋弧焊鋼管，外徑1016mm，管壁厚20.6mm。兩管間距為15m，定向鉆敷設(shè)長度1750m。管道最大埋深為沁河河床下33.5m。定向鉆人土點位于沁河左堤背河，距堤外坡腳373m，在沁河左堤下管頂距大堤坡腳地面33.19m。定向鉆出土點位于沁河有堤背河距堤外坡腳290m處，在沁河右堤下管頂距該堤坡腳地面32.79m。穿越沁河斷面見圖1。穿越工程于2013年6月23日開工，10月24日完成管道回拖就位。導(dǎo)向孔直徑0.4m，采取有線和無線導(dǎo)向控制，擴孔最大孔徑1.5m，采取注水加配重方法進行管道回拖。

2定向鉆工藝施工技術(shù)難點

鑒于國內(nèi)尚無相同規(guī)模工程（同直徑、同長度、同埋深）穿越河道的成功經(jīng)驗，且冒漿風(fēng)險較大，同時鑒于沁河下游防洪的重要性，參建單位就導(dǎo)向技術(shù)方案、導(dǎo)向孔及擴孔施工時的最大泥漿壓力、擴孔級數(shù)、鉆進速度、清孔方案、拖管方案、管道兩端開挖回填處理方案等，組織相關(guān)專家進行技術(shù)研討，確定了定向鉆工藝穿越沁河的施工技術(shù)難點。

2.1壓裂和冒漿

地層壓裂和冒漿是水平定向鉆常見的工程問題，嚴(yán)重的冒漿不僅會導(dǎo)致鉆孔泥漿漏失破壞泥漿循環(huán)，而且會造成嚴(yán)重的防汛隱患。為了保證孔內(nèi)泥漿的流動性，須增加泥漿的返漿速度，使水平定向鉆的泥漿壓力保持高位運行，以確保順利返漿。當(dāng)泥漿壓力超過地層強度極限時，泥漿就會壓裂地層，并沿著地層裂縫沖出地層，造成泥漿漏失，不僅會耗費大量鉆進時間、損失泥漿，而且還可能引起塌孔、卡鉆等一系列事故，甚至導(dǎo)致整個工程的失敗。一旦冒漿，將必然導(dǎo)致在冒漿處沿管道形成貫通過水通道，成為防洪安全“明患”，對沁河防洪安全構(gòu)成極大威脅。

2.2軟弱地層，孔壁失穩(wěn)

水平定向鉆導(dǎo)向孔施工完畢后開始擴孔。針對大直徑管道，為了達(dá)到所需孔徑，需要多級擴孔。在擴孔過程中，由于孔壁一直暴露于泥漿中，因此很可能因地層不穩(wěn)而發(fā)生孔壁坍塌?？讖皆酱?，地層的自然拱作用越小，越容易發(fā)生孔壁坍塌。若擴孔時發(fā)生孔壁坍塌，則會造成埋鉆、卡鉆事故；若孔壁坍塌發(fā)生在管線回拖時，則會造成管線回拖困難，嚴(yán)重時導(dǎo)致T程失敗。

2.3對泥漿質(zhì)量要求高

大型水平定向鉆在多級擴孔后，鉆孔直徑變得很大，由于鉆桿直徑較小，因此環(huán)形空間也變得很大。如果泥漿泵量無法繼續(xù)增加，那么此時環(huán)形空間中的泥漿流速將會變得很慢，泥漿攜帶的鉆屑就會發(fā)生沉降、聚集，最終可能導(dǎo)致發(fā)生卡鉆等一系列事故。因此，大型水平定向鉆對泥漿質(zhì)量要求很高，要具有很好的觸變性和很強的攜帶鉆屑能力。

2.4拖管難度大

由于管道直徑較大且長度較長，管道質(zhì)量達(dá)880余t，因此采取封閉式注水托管所需回拖力較大，一次拖管工藝具有一定技術(shù)難度。受場地限制，一次最大管道焊接長度為1500m，即1750m的管道在回拖過程中需要暫停拖管，焊接剩余管道，然后繼續(xù)回拖，這樣更增大了施工難度。

3定向鉆施工關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)選取

3.1穿越斷面處的地質(zhì)條件

3.1.1穿越斷面處的地質(zhì)概況

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，所穿越的土層主要為③重粉質(zhì)壤土、③-1輕粉質(zhì)壤土、④重粉質(zhì)壤土、④一1輕粉質(zhì)壤土和層內(nèi)粉細(xì)砂透鏡體等，黏性土一般為可塑一硬塑狀，含少量小鈣質(zhì)結(jié)核，粉細(xì)砂為中密一密實。參照《油氣田及管道巖土工程勘察規(guī)范》（GB50568-2010），管線穿越土層土石等級為Ⅱ級，場地未發(fā)現(xiàn)碎石土、膨脹土、分散性土等特殊類土，適宜采用定向鉆施工。

3.1.2穿越斷面處定向鉆施工可能誘發(fā)的環(huán)境巖土問題

由于管道施工時泥漿循環(huán)液的壓力較高，因此在管道上覆土層較薄、白重土壓力較小的出 、人土點部位容易產(chǎn)生冒漿，沿管道形成滲水通道，給沁河下游防洪帶來安全隱患。在定向鉆管道施工完成后，在出、入土點管道周圍設(shè)置黏土截滲環(huán)進行加固處理。

3.1.3穿越斷面處特殊地形地貌預(yù)處置

根據(jù)施工 資料及觀測分析，已建定向鉆工藝管道穿越沁河工程的施工冒漿位置距離穿越管線的水平距離一般在5m內(nèi)。距管線較近的水井等構(gòu)筑物施工時破壞了原土層結(jié)構(gòu)，使得定向鉆施工中極易形成冒漿通道；距管線較近的低洼地、水塘將減小定向鉆施T時覆蓋土體的厚度，當(dāng)覆蓋土體重力小于泥漿壓力時易出現(xiàn)冒漿。該工程設(shè)計報告中管線地質(zhì)勘察資料對土質(zhì)及地下水等情況描述較多，對地形、地面附著物描述較少，根據(jù)專家咨詢意見，參建單位在設(shè)計管線上下游各15m范圍內(nèi)對地面情況開展徒步拉網(wǎng)式普查，重點普查坑塘、低洼地、水井等。根據(jù)普查結(jié)果，對距管線約5m的一眼水井進行了回填處理。

3.2施工關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)選定

施工關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的選定原則是在滿足大型定向鉆穿越施工技術(shù)要求的同時，實現(xiàn)穿越施工不發(fā)生冒漿、凹陷等問題，保證施工安全和沁河防汛安全。主要內(nèi)容是確定適合地質(zhì)條件的最大泥漿壓力、擴孔速度及配置適宜的泥漿。

3.2.1 最大泥漿壓力

最大泥漿壓力應(yīng)為孔底最大泥漿壓力與泥漿在鉆桿內(nèi)的沿程和局部水頭損失之和?？椎鬃畲竽酀{壓力采用Delft公式計算：

根據(jù)該穿越工程地質(zhì)勘察資料，計算出 的各孔位允許最大泥漿壓力為0.927～2.315MPa。

3.2.2擴孔速度

擴孔速度和效率與生產(chǎn)成本和鋪管是否成功直接相關(guān)。擴孔速度低，則效率低，耗材多，鉆孔裸露時間長，容易造成塌孔等后果；擴孔速度太快，則碎屑無法與泥漿充分混合，無法排除泥漿。在覆蓋層深度有限的情況下，過快的速度會造成地面隆起或冒漿。

擴孔速度計算公式為式中：Q為理論泵量；η為泵的容積效率；Qη 為實際泵量；S為被切削的面積；k為流量系數(shù)，取值范圍為1～5，具體取值取決于地層狀況、碎屑尺寸和碎屑流出孔口的距離，砂土取1.0～1.5，高塑性（水脹性）黏土、堅硬致密黏土取較大值；kS為該次所需鉆孔泥漿體積，該體積是基本保證排除碎屑而孔內(nèi)不產(chǎn)生沉淀的經(jīng)驗值。

3.2.3泥漿配置

泥漿被稱作水平定向鉆鉆進的“血液”，泥漿停止循環(huán)時鉆進工作無法進行，其功能是攜帶和懸浮鉆屑、穩(wěn)定孔壁、冷卻和沖洗鉆頭。泥漿由水、純堿、膨潤土、泥漿添加劑（降濾失劑、孔壁穩(wěn)定劑、懸浮促進劑、表面活性劑、堵漏材料）組成，根據(jù)地層土質(zhì)情況及時調(diào)整比例。泥漿黏度選取見表1。

3.3關(guān)鍵工序的施工控制指標(biāo)

定向鉆穿越施工關(guān)鍵工序包括導(dǎo)向孔、分級擴孔及管道回拖等。定向鉆導(dǎo)向孔及擴孔施工中，孔底最大泥漿壓力目前尚不能簡便測定，只能在泥漿泵出口處安設(shè)壓力表，所觀測到的壓力值為泥漿泵出口壓力，由此反推孔底壓力。

導(dǎo)向孔施工：采取鴨掌鉆頭，控制孔底最大泥漿壓力不超過2.5 MPa，并根據(jù)各孔位允許最大泥漿壓力隨時調(diào)整。采取有線導(dǎo)向技術(shù)，鉆進速度為1.0～2.5m/min。

分級擴孔：分直徑0.90、1.25、1.50m三級，擴孔速度為0.6～1.5m/min，擴孔施工泥漿壓力不超過3.0MPa。

管道回拖：擴孔結(jié)束后開始進行清孔，孔道內(nèi)泥漿容重1.28t/m^3時定向鉆與地面待拖管道連接，開始向孔道內(nèi)回拖。

受場地限制，管道難以按設(shè)計長度一次焊接1800m，需要分兩節(jié)進行焊接及防腐處理，第一節(jié)焊接長度為1500m，第二節(jié)焊接長度為300m；當(dāng)?shù)谝还?jié)拖進孔內(nèi)900m時，停止拖管，將第二節(jié)與第一節(jié)管道焊接在一起，對接頭進行防腐處理后再進行拖管，焊接防腐作業(yè)時間不得超過15h。拖管采取封閉式，即拖管接頭與鋼管焊接在一起，此時鋼管在水中的浮力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于白重，為減小摩擦阻力，采取在管道內(nèi)注水加配重的辦法，注水量要確保鋼管重力加水的重力略大于鋼管浮力。

4定向鉆穿越沁河施工過程

4.1關(guān)鍵工序

4.1.1導(dǎo)向孔施工

導(dǎo)向孔施工是按照設(shè)計的穿越曲線從人土點開始連續(xù)鉆一個小孔，使鉆桿連通到出土點。連接鉆桿的鴨掌鉆頭有兩個泥漿噴嘴，在鉆機產(chǎn)生的推力和扭矩帶動鉆桿轉(zhuǎn)動前進的同時，由噴嘴噴 出高壓泥漿先沖切周圍土體，以便于鉆頭前進，同時泥漿滲入周圍土壤，增強土體結(jié)構(gòu)。通過泥漿循環(huán)，把切削的土體排出孔道。整個鉆進過程由計算機輔助完成鉆頭空間位置測定、造斜和糾偏3項動態(tài)控制，使鉆頭按設(shè)計方向前進，形成一條曲線。

導(dǎo)向設(shè)備是導(dǎo)向孔施工的關(guān)鍵配套儀器，一般情況下當(dāng)管道埋深小于20m時采用無線導(dǎo)向儀，當(dāng)埋置深度大于20m時采用有線導(dǎo)向儀。鉆進導(dǎo)向孔時，采用無線和有線導(dǎo)向儀隨時分析和記錄定位數(shù)據(jù)，確定鉆頭位置，通過獲取的坐標(biāo)、方位角等定位數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)線和軌跡進行比較，隨時調(diào)整鉆進軌跡。

4.1.2分級擴孔

導(dǎo)向孔完成后，在出土點卸掉鉆頭及導(dǎo)向儀器，在鉆桿上連接合適的擴孔器，擴孔器在旋轉(zhuǎn)擴孔的同時，噴出一定配比的泥漿，其目的既是泥漿固壁，也是通過泥漿循環(huán)把擴孔切削的土體排至孔外。擴孔時，在鉆機端每卸一根鉆桿，在出土端就接上一根鉆桿，以保證在任何時刻鉆孔中保持完整的鉆桿。按此方法鉆擴直至鉆孔達(dá)到要求的直徑為止。一般成孔的直徑為管道直徑的1.2～1.5倍。

4.1.3管道回拖

擴孔完成后進行管道回拖。管道回拖時擴孔器呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，一邊噴泥漿一邊向鉆機一側(cè)回拖，使管道隨擴孔器回到鉆機前的人土坑。當(dāng)管道回拖完工后，泥漿充滿管壁和孔壁之間。

4.2施工過程

施工嚴(yán)格按照施工技術(shù)方案中的導(dǎo)向技術(shù)、鉆進速度、擴孔速度及最大泥漿壓力進行。同時，沿設(shè)計穿越線路加大人土點、 出土點之間地面、水面及工程的巡查力度，重點巡查地面有無裂縫、塌陷、冒漿，河水有無變色等異常情況。為及時了解鉆孔過程中鉆頭處的壓力，曾兩次在鉆頭處安設(shè)傳感器，但都因泥漿壓力較大而損壞。

水平定向鉆施工設(shè)備型號為FDP -1000T，推力為1000t。第一道孔于2013年6月23日開始鉆進，7月15導(dǎo)向孔鉆通，因臨近主汛期而暫停施工。第一道孔又于8月12日開始二次鉆進，8月20日導(dǎo)向孔再次鉆通；擴孔于8月20日開始，8月31日結(jié)束，按直徑0.90、1.25、1.50m三級擴孔；管道回拖于9月1日開始，9月3日完成。在接頭焊接防腐施工過程中，為防止孔內(nèi)泥沙沉淀，不停地進行泥漿循環(huán)，并在管道焊接后適當(dāng)拖動管道。因接頭處理達(dá)19h，故在第二次拖管時出現(xiàn)卡管現(xiàn)象，鉆機前移0.3m，未出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象。

第二道管道導(dǎo)向孔于9月11日開始鉆進，9月28日鉆通；擴孔于9月29日開始，10月22日結(jié)束。參建單位根據(jù)第一道孔的施工 經(jīng)驗，在第二道孔施工中將計劃的三級擴孔改為直徑0.9、1.5m兩級擴孔，且未按常規(guī)的操作程序“在鉆機端每卸一根鉆桿，在出土端就接上一根鉆桿，以保證在任何時刻鉆孔中保持完整的鉆桿”作業(yè)，而是采取在鉆機端接、卸鉆桿，導(dǎo)致在10月8日進行直徑1.5m擴孔時（鉆機推擴孔器），鉆頭偏離導(dǎo)向孔軌道，又遇到堅硬土層，造成擴孔難以進行。后從出土點用另一臺小鉆機將鉆桿送到原鉆機端，連接擴孔器進而完成擴孔。管道回拖于10月22日開始，10月24日管道回拖到位。

5管道通水運行情況

5.1管道通水試運行情況

2014年1月3日進行通水試驗，試驗中在有岸壓力水箱內(nèi)穿越的兩根管道伸縮節(jié)均被拉開，其中一根被拉開距離達(dá)10cm。主要原因是拖管施工中為減小管道與管孔的摩擦力注水較少，管道就位后管壁與孔壁之間的環(huán)狀空間充滿泥漿，管道充滿水后受力變形所致，后接長管道再次通水試驗，穿越工程運行正常。

5.2管道通水運行情況

2014年至今沒有再出現(xiàn)管道拉裂等現(xiàn)象，管道運行處于穩(wěn)定狀態(tài)，通水正常。2016年7月，右岸管道出土點以北約20m處的村莊道路路肩低洼處出現(xiàn)地面塌陷現(xiàn)象。發(fā)生地面塌陷的原因：穿越管道回拖到位后，管壁環(huán)形空間充滿泥漿，穿越管道出土點斜坡段管道環(huán)形空間離地面較近，管線處地面低洼，雨水下滲，致使管道上方土體強度降低，自然拱作用減小，導(dǎo)致地面塌陷。采用開挖、分層回填方式進行地面塌陷處理，并解決了管道穿越處地面積水問題。2016年至今未發(fā)現(xiàn)任何異常，工程運行正常。

6經(jīng)驗與建議

（1）穿越工程施工前要探測河道主槽水深，以復(fù)核最大泥漿壓力。要沿設(shè)計穿越管線上下游各15m范圍普查地形地貌情況，對影響范圍內(nèi)的機井及低洼地應(yīng)予以回填；定向鉆鉆進施工過程中要加強沿管線巡查，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即停工處理。

（2）對于大型定向鉆穿越施工，中間停止拖管進行二次焊接的風(fēng)險較大，應(yīng)盡可能一次完成管道回拖。對于穿越的供水管道，在拖管結(jié)束后應(yīng)先往管道內(nèi)二次充水，待管道充分變形與孔壁完全吻合后再進行兩端連接段施工。

（3）鑒于定向鉆穿越施工時高壓泥漿易對堤基產(chǎn)生不利影響，建議采取反循環(huán)的施工工藝，即泥漿循環(huán)方式為泥漿池一鉆孔環(huán)狀空間—鉆頭—鉆桿—泥漿泵—泥漿池，避免高壓泥漿破壞堤基，保證堤防工程安全。

（4）大型定向鉆穿越涉及防汛任務(wù)重、靠近主要建筑物及居民區(qū)的重要河段時，應(yīng)在“管道回拖”工序后增加“充沙回填”工序。

為保證管道回拖順利，擴孔直徑一般為管道直徑的1.2～1.5倍。以該T程為例，管道直徑1016mm，擴孔直徑為1500mm。管道就位后，管道外環(huán)狀空間充滿泥漿。若不采取回填措施，則在地下靜態(tài)水位以下的管道周圍泥漿將長期存在，地下靜態(tài)水位以上、動態(tài)水位以下的管道周圍以及動態(tài)水位以上的管道周圍的泥漿將部分或全部沉淀固結(jié)在管道兩側(cè)，在管道上部形成清水層或孔洞，對河道防洪及附近建筑物的安全極為不利。若僅對人土點和出土點進行開挖處理，則難以消除隱患。在項目防洪影響評價階段，應(yīng)根據(jù)穿越河道的防洪任務(wù)及管道直徑，論證管道穿越全線充沙回填的必要性，參建單位應(yīng)開展大型定向鉆穿越后充沙回填施工工藝研究。

7結(jié)語

為確保大型定向鉆工藝管道穿越大型河道工程順利施工，參建單位要認(rèn)真研究施工技術(shù)難點，合理選取并嚴(yán)格控制最大泥漿壓力、擴孔速度、泥漿黏度與容重等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，有針對性地制定防冒漿施工措施，對穿越路線的薄弱地帶進行預(yù)加固，嚴(yán)格控制導(dǎo)向孔施工軌跡以及入土角和出土角精度。鉆進過程中泥漿壓力、鉆進軌跡、泥漿循環(huán)所反映的實際地質(zhì)情況與設(shè)計出現(xiàn)差異時，應(yīng)隨時修正泥漿壓力、鉆進速度等控制參數(shù)，從而實現(xiàn)定向鉆順利鉆進、施工全過程不冒漿以及管道精確就位的目標(biāo)。