上海煤氣第一管線工程有限公司 吳瑋祥

近年來，隨著城鎮(zhèn)燃氣需求量不斷增加，諸如西氣東輸、川氣東送等大型管道的施工工程越來越多，在管道施工中也應運而生了許多先進的創(chuàng)新技術。城鎮(zhèn)燃氣管道非開挖水平定向鉆技術便是這些創(chuàng)新技術中的一項。這種新技術為工程帶來了更大的優(yōu)勢，保證了工程的質(zhì)量，提高了施工的效率，降低了工程的成本。但是新技術運用過程中往往會經(jīng)歷許多波折和失敗，在各個發(fā)展階段都會面臨各種各樣的問題，即工程中面臨的許多風險因素。若能及時發(fā)現(xiàn)這些風險因素并加以解決，將能促使該新技術變得穩(wěn)定可靠。

城鎮(zhèn)燃氣管道非開挖水平定向鉆技術在管道穿越河流、湖泊、交通干線、鐵路樞紐等障礙和重要區(qū)域時具有明顯的優(yōu)越性。深圳高壓系統(tǒng)輸配工程17標水官高速段定向穿越工程，第一次穿越耗時2年，但是因最后造成高速路塌陷而不得不停工，經(jīng)專家論證后放棄了這條路線。然后總結(jié)失敗經(jīng)驗，重新選線，第二次定向穿越用時5個月就順利的完成了全部穿越。本文通過兩次水平定向鉆施工的對比，找出其中影響水平定向鉆穿越的風險因素，加以分析后找到解決方法。

1 水平定向鉆技術

水平定向鉆技術作為非開挖技術中最具活力的一項技術，具有精確導向、環(huán)保、高效率、不影響交通、施工安全性好、技術綜合成本低等特點。

1.1 水平定向鉆施工工藝

水平定向鉆穿越施工主要包括7大工藝步驟：場地選擇、布管→施工前調(diào)試檢驗→鉆導向孔→擴孔→管道回拖→施工后復驗→場地復原。

1.2 水平定向鉆機系統(tǒng)組成

一般規(guī)格的水平定向鉆機都是由鉆機系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控向系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、鉆具及其他機具組成。其中：鉆機系統(tǒng)是穿越設備鉆進作業(yè)及回拖作業(yè)的主體，配合動力系統(tǒng)和控向系統(tǒng)完成各種穿越作業(yè)；泥漿系統(tǒng)負責提供適合鉆進工況的泥漿；然后輔以鉆桿、鉆頭、泥漿馬達、擴孔器、切割刀等各種鉆具和機具。

1.3 水平定向鉆施工優(yōu)勢

(1)水平定向鉆穿越施工不會破壞綠地和植被，不會阻礙交通，不影響商店、醫(yī)院、學校和居民的正常生活和工作秩序，解決了傳統(tǒng)開挖施工對居民生活的干擾，對交通、環(huán)境和周邊建筑物基礎的破壞和不良影響。

(2)現(xiàn)代化穿越設備的穿越精度高，易于調(diào)整敷設方向和埋深，管線弧形敷設距離長，完全可以滿足設計要求，并且可以使管線繞過地下的障礙物。

(3)與其他施工方法比較，進出場地速度快，施工場地可以靈活調(diào)整，尤其在城市施工時可以充分顯示出其優(yōu)越性，并且施工占地少、工程造價低、施工速度快。

1.4 水平定向鉆施工的劣勢

(1)我國對水平定向鉆技術尚無統(tǒng)一的技術標準和施工驗收規(guī)范，因此對于施工質(zhì)量和工程設計沒有官方的評判依據(jù)。一旦發(fā)生質(zhì)量事故，對責任方的認定也造成一定難度。

(2)一般在進行水平定向鉆作業(yè)時，為保證穿越管道防腐層的安全，回擴孔與回拖管材之間會有一定的間隙，不能像開槽敷設施工那樣進行回填夯實，因此會有一定的沉降風險。

研究和分析影響水平定向鉆施工的風險因素，對把控工程質(zhì)量和安全、減少因風險因素導致水平定向穿越失敗的問題具有積極意義。

2 水平定向鉆技術應用實例

2.1 工程概況

深圳高壓輸配系統(tǒng)17標段水官高速斷面穿越水官高速燃氣管道工程。第一次穿越按照原圖紙設計進行，見圖1。定向鉆入、出土點0705～0706平面總長度為650 m，其中定向鉆水平長度650 m，由于出土側(cè)塌方，開挖了一段塌方段，孔洞曲線長度實長600 m。入土角5°，出土角6°，曲線段曲率半徑R=1 500D。

圖1 第一次穿越斷面

工程實際開始于2013年4月，施工時遭遇各種不利因素，斷斷續(xù)續(xù)進行到2015年1月時，因施工斷面上方水官高速公路發(fā)生路面塌陷而停止。經(jīng)過施工現(xiàn)場察看，事后展開專家會議論證評估，決定放棄原有的穿越路徑并進行泥漿封堵，然后由設計到現(xiàn)場選擇其他穿越路徑。2015年3月開始了第二次水平定向鉆施工。

此次工程將穿越分成了兩段，見圖2。一段采用了頂管穿越，入、出口井0705-1～0705-2平面總長度為100 m；另一段還是采用水平定向鉆施工，入、出土點0705-2～0706平面總長度為542 m，其中定向鉆水平長度513 m，曲線實長516 m，入土角6°，出土角6°，曲線段曲率半徑R=1 500D。2015年7月順利穿越回拖完成。

圖2 第二次穿越斷面

2.2 兩次定向穿越對比

(1)第一次水平定向鉆穿越耗時時間過長，原施工計劃為3個月至半年，實際耗時近2年，而第二次定向穿越僅用時4個月，對比前次用時大為縮短。

(2)第一次定向穿越時，地質(zhì)勘探不到位，因為地理環(huán)境因素和水官高速公路的存在并未按照要求合理地分布勘探點，導致施工時對于地下環(huán)境的了解有一定缺失，在遇到地下巖石帶或碎石帶時沒有調(diào)整好鉆速，而導致鉆頭或鉆桿損壞。在第二次穿越前因為水官高速塌陷的原因，補足了所有的地質(zhì)勘測點，從而對于穿越路徑地下環(huán)境有了一個明確的認知，施鉆時能夠合理地控制鉆速，減少了鉆具的損耗。

(3)第一次定向穿越時，由于鉆頭和鉆桿的經(jīng)常性損耗，鉆頭準備不充分，并且鉆頭部件斷裂在孔洞內(nèi)需要回收以避免將來回拖管材時造成表面劃傷，因此鉆機時常處于停擺狀態(tài)，而第二次定向穿越時準備到位，并未產(chǎn)生太多的停擺時間。

(4)深圳處于南方多雨地區(qū)，經(jīng)常會出現(xiàn)臺風暴雨天氣，兩次定向穿越都經(jīng)歷過暴雨天氣雨水淹沒整個孔洞的情況，但施工耗時的不同，第二次定向穿越受到雨水影響的次數(shù)明顯少于第一次定向穿越。

兩次穿越對比平面圖見圖3。

圖3 兩次穿越對比平面

3 影響水平定向鉆施工的風險因素

通過上述兩次定向穿越工程的對比，找出影響水平定向鉆穿越工程的風險因素，就能提高該施工技術的可靠性。

3.1 時間因素

任何工程對于施工時間即施工工期都有嚴格的制約性，其中可能涉及到了施工效益或者其他經(jīng)濟因素。定向鉆施工的時間限制不單單只是面臨到這些問題，還有更重要的一點就是其施工本身對于時間控制是非常嚴苛的。一般大型定向穿越都會選擇距離地面10 m以下的位置進行施工，孔洞上方包括表面以上的構(gòu)筑物和地下土石層會形成一個非常大的自重，對新形成的孔洞時刻進行著擠壓，伴隨著可能出現(xiàn)滲水而造成水土流失，會使得孔洞上部區(qū)域逐漸形成空洞，時間越長破壞越大，從而導致穿越路徑表面構(gòu)筑物破壞或路面塌陷，造成不可挽回的損失。

3.2 地下環(huán)境因素

作為定向鉆工程的前期準備工作，地質(zhì)勘查是最重要的一個環(huán)節(jié)。根據(jù)勘察報告反饋的情況，施工時才能夠選擇滿足功率的鉆機、合適的鉆頭、合理的鉆速和泥漿配比。如果發(fā)現(xiàn)其中有硬石塊或者碎石帶也可以及時進行評估，討論施鉆方案或者另選路徑。一旦地下環(huán)境不明或者勘察不到位，往往會對施工造成很大的阻力因素，小則延誤施工進度，耗損鉆探工具，大則破壞工程質(zhì)量，導致穿越失敗。所以，正確合理的勘察報告對定向穿越施工產(chǎn)生的助力是巨大的。

3.3 鉆機停擺因素

在水平定向穿越施工過程中，鉆機停擺是一個經(jīng)常會發(fā)生的狀況。有時候是機器故障或維護，有時候是鉆具耗損需要更換，有時候是鉆頭斷裂在孔洞內(nèi)，需要將斷裂的零部件清理干凈才能再次施鉆。但是長時間的鉆機停擺狀態(tài)是非常危險的情況，因孔洞周圍的作用力會不停地擠壓孔洞邊緣，極易讓孔洞產(chǎn)生變形，一旦變形巨大形成不規(guī)則形狀會不利于再次施鉆擴孔，增加繼續(xù)擴孔的難度。因此鉆機停擺時間不宜過長，鉆機在整個定向鉆施工的過程中，需要盡可能保持運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3.4 孔洞上部擾動因素

水平定向鉆穿越一般會選擇地面有障礙物的環(huán)境下進行施工，這些障礙物可能是高速公路、鐵路或者大型公共建筑。這些構(gòu)筑物帶來的車輛、火車和大量人流不可避免地對施工中的孔洞帶來擾動，從而加速孔洞上部結(jié)構(gòu)的沉降，使得施工工作越發(fā)艱難。

3.5 天氣因素

一般工程都會受到天氣因素的影響，而對于水平定向鉆施工最大的天氣影響因素應當是雨水天氣。水平定向鉆屬于非開挖地下作業(yè)，對于地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性尤為看重，且雨水滲入地下土層會對地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。特別是暴雨天氣，大量雨水灌入會對定向穿越形成的孔洞進行一定的沖刷，破壞孔洞結(jié)構(gòu)，并對孔洞的上部結(jié)構(gòu)進行滲透形成水土流失，全都流入到孔洞內(nèi)，從而對定向鉆施工造成一定的影響。

4 風險因素的防范措施

4.1 合理的工期是施工成功的關鍵

嚴格控制施工進度，在施工準備期間就做好嚴格的施工計劃，做到各個環(huán)節(jié)都能夠環(huán)環(huán)相扣，不在不必要的事項上(如資金、設備材料供給、人員調(diào)度等因素)浪費時間，可以有效減少因沉降、上部擾動和不利天氣因素造成的影響。在合理的工期內(nèi)完成擴孔回拖工作是對定向鉆施工安全質(zhì)量上的最大保障。

4.2 地質(zhì)勘查工作是施工順利完成的前提

施工前需合理正確地布局施工路徑上的勘察點位，探坑深度能夠有效達到定向鉆擴孔深度，查明地下結(jié)構(gòu)以及硬石分布情況的詳細信息，最后形成與現(xiàn)場狀況正確一致的勘察報告。施工人員若熟知穿越路徑的地下分布情況，將會對整個定向鉆施工起到巨大的助力作用。

4.3 合理使用泥漿配比有助于擴孔和回拖工作

泥漿的使用是水平定向鉆施工最重要的輔助工序之一。在擴孔和回拖管材時往往需要依靠泥漿的潤滑效果來達到相應的目的。鉆頭經(jīng)過硬石塊或碎石帶時一般都會留下粗糙的痕跡，而這部分由石塊形成的孔洞對于擴孔和管道回拖有著不利的影響，通過加大泥漿的黏稠度可以有效覆蓋掉這些石塊的表面，從而保護鉆具和管材，而在松軟土層則要減小泥漿的黏稠度，避免噴出的泥漿又變回泥塊，增加麻煩。

4.4 管材表面的防腐層增加紫外線光固化材料

紫外線光固化纖維增強復合材料，需要日光或紫外燈固化。其適用于定向穿越施工時對整條穿越管線的保護，能提供優(yōu)秀的防機械性損傷、防水和防絕緣損壞保護。在管道穿越前，先對管道外層包覆光固化材料保護層，利用其堅硬的耐劃傷保護性能，在管道回拖時使得防腐層可以得到有效保護。

4.5 入、出土點設置排水渠

雨天天氣對水平定向鉆施工有很大的制約作用。在入出土點合理布局排水渠，在下雨時及時引導雨水流出作業(yè)范圍，能有效保護定向鉆形成的孔洞，減少孔洞上土層滲水作用帶給定向鉆的影響。

5 結(jié)語

近年來，水平定向鉆技術作為一項非開挖新技術，在工程實踐中得到了較為廣泛的應用。本文通過對比同一工程的兩次定向穿越，分析了影響水平定向鉆穿越工程的風險因素，包括施工時間、天氣、地下環(huán)境、鉆機停擺、孔洞上部擾動等，進而給出了相應的解決措施，包括合理工期、深入地質(zhì)勘查、合理使用泥漿配比、管材表面增加紫外線光固化材料防腐層、入出土點設置排水渠等，確保水平定向鉆技術既實用又可控。