文 / 王賡

引言

水平定向鉆進(jìn)技術(shù)于1988年從國(guó)外引進(jìn)，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，國(guó)內(nèi)水平定向鉆技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，在各類管道施工中均有應(yīng)用，成為我國(guó)新興的產(chǎn)業(yè)。該工藝具有在施工中不破壞原有道路、管線較深時(shí)成本較低的特性，因而在市政管網(wǎng)建設(shè)中也占有很重要席位。但是，水平定向鉆完全是在地下隱性施工，導(dǎo)向強(qiáng)度難以量化，而本項(xiàng)目由于既有線路的限制，對(duì)頂線鉆進(jìn)技術(shù)的精度要求很高，同時(shí)該地區(qū)地質(zhì)情況為微濕陷性黃土，極易發(fā)生諸如孔壁土體的分散、垮塌、流失、崩落、變形、縮頸、超徑等問(wèn)題，因而為了安全、快速地完成該完成電纜鋪設(shè)，二七區(qū)紫云路等21條道路工程項(xiàng)目對(duì)導(dǎo)向強(qiáng)度分析和鉆進(jìn)液的選取進(jìn)行分析研究，確定濕陷性黃土地區(qū)水平定向鉆施工工藝，有借鑒意義。

一、工程概況

河南省鄭州市二七區(qū)賀江路起點(diǎn)與南溪路相交，終點(diǎn)接現(xiàn)狀京廣南路，全長(zhǎng)520.07米。新建賀江路與已建京廣路新增T型交叉口，增設(shè)的交通信號(hào)燈及監(jiān)控設(shè)施懸掛于京廣快速路高架橋護(hù)欄下，由于前期京廣路實(shí)施過(guò)程中未預(yù)留電力及信號(hào)過(guò)街，新建時(shí)需將電力及信號(hào)電纜從賀江路延伸并下穿京廣南路輔道后隨橋墩進(jìn)行上橋。由于京廣南路為近幾年新建的城市快速路，相關(guān)產(chǎn)權(quán)單位禁止破路埋設(shè)電纜，故采用非開(kāi)挖水平定向鉆進(jìn)施工技術(shù)。

二、定向鉆施工技術(shù)

（一）水平定向鉆設(shè)備

水平定向鉆主要包括地下定位系統(tǒng)、水平鉆進(jìn)設(shè)備和泥漿系統(tǒng)。

1.地下定位系統(tǒng)包括接收器、遙顯儀、信號(hào)棒三部分，信號(hào)棒位于鉆頭內(nèi)，向接收器提供自身位置信號(hào)。在施工時(shí)，操作手手持接收器在鉆進(jìn)線路上方追蹤鉆孔信號(hào)，接受到的信號(hào)在遙顯儀上顯示，司鉆手通過(guò)顯示信息判斷鉆頭位置，調(diào)整鉆頭狀態(tài)。

2.泥漿系統(tǒng)包括泥漿攪拌系統(tǒng)和灌注系統(tǒng)，泥漿攪拌系統(tǒng)主要是進(jìn)行鉆進(jìn)液的的配置，灌注系統(tǒng)將鉆進(jìn)液通過(guò)鉆機(jī)進(jìn)行加壓灌注至孔內(nèi)，達(dá)到冷卻鉆頭、穩(wěn)定孔壁、清除鉆渣、減少拉管時(shí)的阻力等作用。泥漿循環(huán)系統(tǒng)可對(duì)泥漿池中泥漿進(jìn)行回收處理，達(dá)到節(jié)約材料、降低成本的目的，施工完成后剩余泥漿自然曬干后拉至棄土場(chǎng)棄置。

（二）現(xiàn)場(chǎng)勘查

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的主要內(nèi)容包括以下內(nèi)容

1.首先進(jìn)行地質(zhì)勘探，地勘報(bào)告是選擇鉆機(jī)、鉆具組合及鉆進(jìn)液配合比的依據(jù)，同時(shí)也是工程造價(jià)的直接影響因素。

2.與建設(shè)單位、各管線產(chǎn)權(quán)單位聯(lián)系，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作井查看、管線探測(cè)儀探測(cè)等不同方式，對(duì)地下管網(wǎng)進(jìn)行勘察，探明準(zhǔn)確位置，利用BIM技術(shù)進(jìn)行三維建模，作為軌跡設(shè)計(jì)的依據(jù)。管網(wǎng)布置狀況是影響鉆孔軌跡的主要因素，探測(cè)不全極易造成地下管線挖斷，導(dǎo)致嚴(yán)重社會(huì)影響。

3.對(duì)回拖管線進(jìn)行檢測(cè)，確定其彎曲半徑。

4.選擇開(kāi)孔和終孔位置，鉆機(jī)及泥漿系統(tǒng)需要一定施工作業(yè)面，而終孔位置相對(duì)較小。開(kāi)孔位置注意盡量從高到低，避免泥漿外流。

（三）軌跡設(shè)計(jì)

1.確定入土點(diǎn)和出土點(diǎn)位置。在開(kāi)槽施工路段與定向鉆施工共用井選擇時(shí)，需先根據(jù)定向鉆施工工藝需求確定，避免長(zhǎng)度不足導(dǎo)致穿越軌跡無(wú)法設(shè)計(jì)。

2.確定造斜點(diǎn)。軌跡包括起終點(diǎn)的兩個(gè)直線段和中間的曲線段，造斜點(diǎn)就是其轉(zhuǎn)折點(diǎn)。該位置宜選擇在較硬土層，兩段直線是最容易精確控制的，也是穿越已有管線最關(guān)鍵步驟。

3.確定軌跡參數(shù)。軌跡參數(shù)包括入土角、出土角、過(guò)渡段曲率半徑、管道深度，過(guò)路管為鋼管，入土角8°～18°，出土角4°～12°，曲率半徑大于1500D，與路面凈距不小于1.5m。軌跡設(shè)定必須考慮已有管線，在已有管線上方穿越時(shí)垂直凈距大于0.6m，下方穿越時(shí)垂直凈距根據(jù)地質(zhì)情況分別大于擴(kuò)孔直徑的1倍（黏土層）、1.5倍（粉土層）、2倍（砂土層）。

（四）鉆進(jìn)液配置

1.減少失水量

選用優(yōu)質(zhì)粘土，優(yōu)質(zhì)粘土中的粘土顆?？梢晕捷^厚的水化膜，減少鉆進(jìn)液中的自由水含量，從而達(dá)到減少失水的效果。常見(jiàn)的粘土礦物主要有高嶺石、伊利石、蒙脫石和海泡石，其中蒙脫石親水性最大。

2.增加粘度

為增加泥漿粘度，在粘土中添加純堿。純堿在水中易于電離和水解，可有效改善粘土的水化分散能力。粘土粒子本身帶負(fù)電荷，在粘土粒子形成的膠團(tuán)中吸引大量離子半徑小的H+后，中和了大部分負(fù)電荷，導(dǎo)致相鄰?fù)?hào)電荷之間排斥力減小，使得膠團(tuán)之間易于吸附從而增加粘聚性。

3.增加添加劑

添加降失水劑，鈉羧甲基纖維素（Na-CMC）可增加水化膜厚度，增大滲透阻力，起井壁網(wǎng)架隔膜作用。

添加防塌劑，磺化瀝青能增加護(hù)壁的潤(rùn)滑性，堵塞護(hù)壁中的空隙，增加護(hù)壁上固體顆粒間的粘結(jié)力。同時(shí)磺化瀝青的分子中的親水基附著于鉆頭與泥土表面，形成一層堅(jiān)固的化學(xué)膜，從而使鉆頭與粘土之間的摩擦發(fā)生在親油基之間，降低了摩擦力，同時(shí)可防止吸附性卡鉆。

按照膨潤(rùn)土：純堿：Na-CMC：磺化瀝青=1:0.04:0.06:0.06配置鉆進(jìn)液，黏度75s，濾失量4.5ml，PH10，動(dòng)切力＞15Pa，符合施工要求。

4.計(jì)算用量

鉆機(jī)內(nèi)設(shè)系統(tǒng)已確定泥漿泵流量檔數(shù)，在鉆孔時(shí)由于鉆頭鉆桿均為小直徑，泥漿泵采用小檔控制，回拖時(shí)孔徑較大，采用大流量控制。泥漿總量用Q=KD2*104/13計(jì)算，其中Q為需要的泥漿總量，D為最終成孔孔徑，K為系數(shù)，在堅(jiān)硬無(wú)斷層地區(qū)取2，砂礫石地區(qū)取5。

（五）導(dǎo)向施工

鉆桿以設(shè)計(jì)坡度入土，同時(shí)注入泥漿以滿足鉆頭降溫及保護(hù)孔壁的需要。在定位系統(tǒng)的引導(dǎo)下，由鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)帶信號(hào)棒的鉆桿按照設(shè)計(jì)軌跡鉆孔，并不斷糾偏。實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)軌跡走偏時(shí)需立即停止鉆進(jìn)，調(diào)整鉆頭板的傾斜方向，只施加推力不進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，直至方向正確后繼續(xù)正常鉆進(jìn)。信號(hào)影響是在導(dǎo)向施工中最容易遇到的情況，光纖、有限電視及同頻信號(hào)等干擾源均會(huì)影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性，甚至失去鉆頭中傳感器信號(hào)，影響施工的正常進(jìn)行。除了在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查階段和BIM進(jìn)行3D建模階段進(jìn)行仔細(xì)分析，軌跡設(shè)計(jì)時(shí)盡可能避開(kāi)外，還要在施工階段采取鉛板隔斷、調(diào)整頻率等措施，必要時(shí)沿穿越路徑在設(shè)計(jì)出土點(diǎn)布人工磁場(chǎng)，結(jié)合控向軟件反饋的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，檢測(cè)探頭反饋數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，保證施工的正常進(jìn)行。

（六）回?cái)U(kuò)鉆進(jìn)

導(dǎo)向施工完成后，進(jìn)行回?cái)U(kuò)拖管。根據(jù)鋪管需要斷面的不同，換不同直徑的擴(kuò)孔器，一次或多次實(shí)施達(dá)到設(shè)計(jì)要求，最后一次回?cái)U(kuò)時(shí)回?cái)U(kuò)頭與鋪管相連，拖管完成管線鋪設(shè)。擴(kuò)孔器有20cm、30cm、40cm等多種規(guī)格，擴(kuò)孔過(guò)程要逐級(jí)替換鉆頭，不得跨級(jí)別使用。

回?cái)U(kuò)時(shí)需取下傳感器，換成錐形擴(kuò)孔器，擴(kuò)孔器直徑采用1.2～1.5倍回拖管道外包直徑。過(guò)大會(huì)增加施工成本，且容易造成塌孔；過(guò)小則增加拉管難度，易發(fā)生抱管事故。擴(kuò)孔結(jié)束需進(jìn)行清孔，否則殘留泥土將極大增加管道回拖過(guò)程中的阻力。

回?cái)U(kuò)過(guò)程中需控制鉆孔速度。不宜忽快忽慢甚至停鉆，尤其在軟硬交界的底層位置，極容易導(dǎo)致孔道變形，因故停鉆時(shí)要定時(shí)活動(dòng)井下鉆具。

（七）管道回拖

擴(kuò)孔完成后做好拖管的準(zhǔn)備工作，仔細(xì)檢查旋轉(zhuǎn)接頭、連接頭、擴(kuò)孔器的連接，確定連接牢固后進(jìn)行最后一次清孔，此工序是為了清除擴(kuò)孔時(shí)攪碎的孔內(nèi)廢土，形成圓順光滑的拖管通道，清孔和拖管之間間隔盡量小，大于24H時(shí)需要再次清孔。

在出土口一側(cè)將管道通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與擴(kuò)孔器相連，鋪設(shè)的管線根據(jù)預(yù)定拉管長(zhǎng)度分段焊接至足夠長(zhǎng)度，可以一次焊接完成也可分段邊拉邊焊，鉆孔器回拉鉆頭將預(yù)埋管線拖入孔內(nèi)，PE管由于具有良好的抗壓、抗拉性能和足夠的撓度，是良好的回拖管材。管道回拖前，應(yīng)使用電火花檢漏儀全面檢測(cè)防腐層的完整性，如有損傷及時(shí)進(jìn)行處理。管道就位時(shí)要避免與鉆機(jī)碰撞，同時(shí)兩側(cè)管口必須做好封口，避免外部泥漿流入管內(nèi)，從而增加管道清洗工作，造成不必要的成本增加。

（八）剩余泥漿處理

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)向施工有30%的泥漿剩余，擴(kuò)孔有70%的泥漿剩余，管線回拖有40%泥漿剩余，總剩余泥漿為三者總和。在入口和出口均需配置一套泥漿回收設(shè)備，將剩余泥漿通過(guò)泥漿泵、鉆桿回收到泥漿罐中，通過(guò)沉淀后棄置于指定棄土點(diǎn)。

三、結(jié)論

定向鉆施工是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)性極大的施工方法，地質(zhì)資料不準(zhǔn)、泥漿配比不合適、控制參數(shù)不當(dāng)?shù)容^多因素都會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)卡鉆、塌孔、出土點(diǎn)偏差大、管線無(wú)法回拖等情況，這就要求在施工前仔細(xì)認(rèn)真的做好前期準(zhǔn)備工作，泥漿配置時(shí)選擇合理的粘土種類和適當(dāng)?shù)奶砑觿拍鼙ＷC施工過(guò)程中一氣呵成。但是水平定向鉆施工技術(shù)與明槽開(kāi)挖施工管線的方法相比，其不影響交通、不破壞環(huán)境、施工周期短、綜合施工成本低、社會(huì)效益顯著的優(yōu)點(diǎn)，必將在未來(lái)施工中發(fā)揮更大的作用。