劉 新 岳文誼

（1． 中原油田普光分公司工程設備管理部，四川 達州 635000；2．中石化中原設計公司成都區(qū)域項目部，四川 達州 635000）

0 引言

某氣田輸氣管道在采用定向鉆穿越河流時發(fā)現(xiàn)河道兩側(cè)階地區(qū)域，主要為稍密狀卵石地層，夾含約15%～25%的漂石，粒徑為3cm～10cm，部分漂石大于20cm，定向鉆實施過程中容易出現(xiàn)卡鉆風險，且擴孔過程中因卵石層不穩(wěn)，出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。因?qū)β咽瘜拥刭|(zhì)情況沒有明確認識，首先進行試鉆，鉆桿穿過卵石層后，因石層硬度較高，定向鉆通過該層出現(xiàn)塌孔、卡鉆、扭矩突然增大等現(xiàn)象，鉆桿剛度無法支撐其鉆入石層，導致無法鉆進。為解決該問題，選擇合適的方案，并采取相應的施工技術(shù)措施。

1 實施方案選擇

1.1 卵石層開挖換填法

輸氣管道穿越的河床卵石層挖除后，采用回填適合的土質(zhì)定向鉆穿越。然后按照常規(guī)進行鉆孔和管線回拖。該方法從技術(shù)方上是可行的，但投資較大，同時從目前掌握的資料來看，該方案僅適用于較薄卵石層以及地下水位較低的情況。

1.2 套管隔離卵石層法

該工程根據(jù)設計詳勘及施工場地實際情況，選擇采用夯套管隔離方法進行定向鉆施工[1]。將套管沿設計的角度夯進，將卵石隔離，并清除套管內(nèi)的卵石。套管隔離法定向鉆控向技術(shù)的精度是關(guān)鍵，目前國內(nèi)套管頂進的最大長度為90m。為了提高鉆機鉆桿的剛度，確保鉆入中心位置，在導向孔起始段安裝高強度套管，作為中心套管。

2 施工難點

2.1 卵石層夯套管

定向鉆對向夯套管，套管夯進路徑存在漂石，部分漂石存在套管無法夯進或偏離預定角度風險。根據(jù)定向鉆穿越斷面圖，末端套管位于河流水位線以下，套管內(nèi)會出現(xiàn)積水情況，需進行套管內(nèi)降水，管內(nèi)清土難度加大，增加不確定性風險。

2.2 套管控向

定向鉆雙向夯套管，夯套管完成后，因兩側(cè)為套管，導向孔位置及角度須控制精確，若存在偏差，將導致導向孔無法穿入出土點套管。

3 施工方案

設置鋼套管方式采用夯管方式斜向頂進。由于無法采用機械設備掏土，從安全角度考慮，為保證人工掏土施工活動空間，套管管材規(guī)格選用D1016mm×22.0mm（L485M GB/T9711），入土點夯管長度7m，夯進角度為設計入土點角度20°，出土點夯管長度18m，夯進角度為設計入土點角度12°。

3.1 夯管施工法的工作原理

夯管施工法的工作原理是錘在壓縮空氣驅(qū)動下產(chǎn)生較大沖擊力直接作用鋼管后端，克服土層與體間的摩擦力，通過將前鋼質(zhì)切削頭留在鋼管，待夯成功或入一段后取下切削頭用壓氣、高水射流螺旋鉆桿或人工掏土等方法將土芯排除，然后再安裝第二根套管，焊接連接，重復上述工作，直至套管達到設計位置[2]。

3.2 套管錘錘擊力計算方法

式中：F0為夯管錘最大沖力 （kN）；D為套管外徑（m）；L為套管安裝最大允許長度（m）；fk為套管外壁與土的平均摩阻力（kN/m2）。應根據(jù)地質(zhì)報告提供數(shù)據(jù)取值，如果在施工過程中采用了觸變泥漿減阻技術(shù)或其他技術(shù)措施，則fk應取0.7的折減系數(shù)。

Nf為套管的迎面阻力（kN）；t為套管切削環(huán)厚度（m）；D1為套管切削環(huán)外徑（m）；R為切削環(huán)端阻力，取地基土的極限承載力（kPa）。

小通江夯套管最長40m，取L=40m，套管選用直徑為D=1.016m，套管外壁與土的平均摩阻力fk取值30kN/m2，套管切削環(huán)外徑D1=1.06m，t=0.022m，地基土的極限承載力R=90kPa，代入公式（2）。

3.3 夯管壁厚計算方法

采用套管隔離不利地層時，鋼套管內(nèi)徑宜大于最后一級擴孔直徑 300mm，選取為 1016mm，壁厚選取按公式（3）進行。

式中：tcn為套管初選壁厚（mm）；F0為夯管錘能夠提供的最大夯進力（N）；?1為套管穩(wěn)定系數(shù)，宜取 0.36，當套管經(jīng)過地層均勻時，可取 0.45；Dca為套管直徑（mm）；σs為套管規(guī)定屈服強度（Pa），套管材質(zhì)選取強度為 X70鋼。

經(jīng)計算：tcn=F0/?1×π×Dca×σs=4985/0.36×3.14×1.016×485=8.95mm。

選用壁厚為 22mm 的鋼管，符合施工條件要求。

3.4 夯管施工工藝

3.4.1 準備工作

在夯管進行前須做好相應的準備工作，主要包括以下4步。

3.4.1.1 制作切削環(huán)

切削環(huán)直接采用現(xiàn)場套管鋼材 X70鋼，割除套管一個環(huán)，再切割成若干片，焊接在套管頭部即可。在第一根套管的入土側(cè)加焊20mm左右的加強層，避免套管頭在夯進時發(fā)生變形卷邊現(xiàn)象，并對后面的泥漿管有一定的保護作用。

3.4.1.2 泥漿管制作

一般情況下，在夯錘能夠順利夯進時，泥漿只是備用方案。方法如下：在首根套管正上方的切削環(huán)后面焊接泥漿管，泥漿管采用直徑為25.4mm的鋼管，并把泥漿管管頭砸扁封住，同時在泥漿管兩側(cè)各開?5mm的小孔用來噴漿。

3.4.1.3 套管就位

用吊車把焊接好切削環(huán)的套管吊入作業(yè)區(qū)，切削環(huán)一端靠入土側(cè)的中心，泥漿管在正上方。

3.4.1.4 夯錘組裝

先把分瓣椎體安裝在首根套管尾部，出土器安裝在分瓣椎體后面，夯錘安裝在出土器后面，然后在夯錘重心處安裝支架用以支撐夯錘，夯管錘必須與套管的中心線在一條線上并平直，最后進行連接。

3.4.1.5 試夯管

對套管方位進行最后復測，如有偏差用挖掘機配合稍作調(diào)整。啟動各設備運行正常后，緩開送氣閥小氣量試夯，以免震動太大產(chǎn)生管位偏移等，待套管進入2m～3m后，停機復測管位。

3.4.2 夯管

夯管施工過程主要由工作坑和安裝導軌、鋪管、錘夯、套管連接等工序組成：

3.4.2.1 開挖工作坑

夯進操作坑底長度為單根套管加長5m（即約17m），上口寬8米，坑底寬5米，深度為2.5米的錨噴工作坑，操作坑深度為由淺到深，即由地面±0.00開始逐漸加深至-2.5m，保證開挖基坑底部平坦無坑洼，以便鋪設提前預制好的鋼板導軌并打地錨固定（鋼板δ=16mm、長18m、寬2m、工字鋼δ=5mm）。根據(jù)地質(zhì)情況和地下水位的實際情況，對已挖好操作坑進行角度找平，鋪設碎石子約260mm。對基坑兩側(cè)采取打鋼板樁或臨時支撐的方法以保證操作坑內(nèi)的施工安全。

3.4.2.2 和安裝導軌

操作坑開挖完畢后，按照設計要求復核高程，在鋪好石子及鋼板的夯管工作坑底上面鋪設預制好的鋼板和工字鋼導軌。根據(jù)交接樁和實際測量，制定出導軌的中心線，放置導軌后再精確找正并加以固定，保證導軌自身平直無彎曲軌跡為水平。在施工前須用水準儀多點測量控制工字鋼的水平度，根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)節(jié)導軌的傾角，嚴格按照技術(shù)規(guī)程要求使用導向、對中、安平儀器，采用多次調(diào)試，直到精度測量誤差范圍達到規(guī)范要求。無誤后再將鋼板兩側(cè)分別夯入1米長的地矛兩根，地矛入土不能低于700mm，共計4處。

3.4.2.3 鋪管

根據(jù)工作平臺實際長度，將套管加工為 12m 一根，安裝在首根前端。首先把第一根鋼管和夯管錘吊裝在軌道上，將夯管錘通過錐套與鋼管用張緊器連為整體。初步安裝完成后，對鋼管所需的傾角、垂直位置進行檢查。上述工作無誤后開始送風，夯管錘開始工作。

3.4.2.4 安裝夯管錘和錘夯

將夯管錘安裝入操作坑中，然后與擊帽連接后找正，保證設計中心線與夯管錘、套管的中心線在同一軸線。然后將空壓機與夯管錘之間的管路連接好，啟動空壓機，打開操作閥，將夯管錘頭部與擊帽和套管固定緊后，關(guān)閉操作閥，調(diào)整夯管錘的方位與水平角度、傾角。為防止鋼管和夯管錘一起往復串動，首根管操作上應采用“輕錘慢進”的方式，操作人員應緩慢開動注油器、控制好壓縮空氣量。為確保鋼管位置達到設計要求，應在鋼管夯進卵石層 30cm～50cm 后停錘校核，核實無誤后，再繼續(xù)輕錘夯進 2m～3m，然后重復上述方式，直至將首根管夯入卵石層。

3.4.2.5 套管連接

在首根套管夯入后應校核導軌位置，如有誤差需進行調(diào)整。在確保無誤后開始吊裝第二根鋼管，鋼管連接采用焊接方式，焊接坡口采用V字型。焊接前，應保持兩鋼管的水平、垂直位置以確保兩管是同軸的。焊接完成后為減小鋼管與卵石體的摩擦力應把焊縫打平。鋼管連接完成后，開始夯管錘送風工作，此時，完全打開注油器閥進入正常參數(shù)夯管，直至第二根套管進入卵石層，然后進行導軌位置校核，校核無誤后吊裝第三根管，對接、焊接、夯管、校核，重復上述工作，直至套管進入接收坑。

3.4.3 入土側(cè)夯管方向的控制措施

鋪設12m長的鋼管必須采用導軌輔助鋪設，而安裝的導軌其穩(wěn)固性、方向正確性是控制要點。因此，應對軌道的穩(wěn)固予以保障，針對現(xiàn)場基底較軟的實際情況，該工程采用澆注程C20混凝土墊層進行處理。其次，加強復核導軌方向，設立基準點以校正，使安裝導軌不偏離。 在夯管施工過程中應遵循及時測量及時糾偏的原則。在第一、第二根夯管過程，要反復校核，即使有細小的偏差，都要馬上糾正過來，以確保出管位置不會出現(xiàn)較大的偏差。發(fā)現(xiàn)導軌偏差后，可以通過預先設置的基準點進行整軌基校正。施工過程應根據(jù)實際情況調(diào)整夯管錘工作參數(shù)，對首入管“輕錘慢進”夯入卵石層，及時調(diào)整鋼管方向，切忌“重錘快進”造成偏差。同時為防止誤差，在鋼管預留端焊一塊與鋼套管外壁成 30°角的鋼板，用以糾偏：1）為確保夯管錘、套管的中心線與設計中心線一致，首先對連接后的夯管錘與擊帽找正。若夯管錘的方位與水平角度、傾角的偏差超過0.5°，須重新調(diào)整就位。2）夯套管前應進行試夯，在確認無異常后方可進行正式夯管施工。3）為確保首根套管夯進方向的準確性，在套管夯進50cm后，核實套管的方位與水平角度偏差不超過0.5°、軸線偏差不超過夯進長度的1%時方可繼續(xù)夯進。4）若軸線偏差超過上述要求，應及時進行糾偏?？刹捎萌斯ぴ谳S線偏差的相反方向?qū)⑻坠苤車咽宄?，用楔子打在鋼管外壁，套管向偏差反方向前進的趨勢校正軸線偏差。將軸線偏差調(diào)整到允許范圍后繼續(xù)夯進工作，輕錘夯進2m～3m后，再次校核鋼管位置，采用“輕錘慢進”將第一根管緩慢夯入卵石層，直到管頭到達設計位置。5）卵石層中的大型漂石會導致套管前端受力不均，導致套管偏離中心，夯進過程中如遇大型漂石，須立即停止夯進。

3.4.4 出土側(cè)夯套管方向控制

因河床兩側(cè)卵石層延伸寬度較寬，施工空間小，定向鉆出入土點均無法避開卵石層，故采取雙側(cè)夯套管對穿工藝。為防止兩側(cè)夯套管角度錯位，導致導向無法精確的從出土側(cè)套管穿出。采用以下措施：1）入土點夯套管完成后，即進行定向鉆導向，導向完成后以出土點鉆桿位置為中心，進行出土點夯套管，避免角度測量產(chǎn)生偏差。2）鉆桿應在首根套管夯進前傳入套管，鉆桿應位于套管前段末端中軸線上，確保套管與鉆桿平行夯進。3）套管夯進過程中及時清理套管內(nèi)土石，測量管壁與鉆桿之間最小距離，確保鉆桿中心與管壁最小距離不小于400mm。4）夯進過程中如發(fā)現(xiàn)鉆桿與管壁之間距離發(fā)生偏離，及時進行糾偏，糾偏措施與入土點套管相同。

3.5 套管內(nèi)掏土

為保證施工工期及其他因素，該工程采用人工及機械配合進行掏土作業(yè)：1）套管內(nèi)每應10min進行一次空氣檢測。2）為防止套管因空氣不流通導致的套管內(nèi)缺氧，掏土人員應每20min更換一次。3）人員進入套管內(nèi)必須系好安全繩，為保證套管內(nèi)空氣流通采用鼓風機送風，較深處作業(yè)時人員佩戴氧氣袋，套管口安排監(jiān)護人員與套管內(nèi)人員保持暢通。

3.6 確保夯管施工時臨邊建筑物安全措施

根據(jù)沖擊波的原理，在夯管施工時，沖擊波會沿著沖擊方向和沖擊介質(zhì)無限傳播直至消失。由于施工場地附近的民房和穿越管線走向不在同一方向，因此沖擊波不會對該處的房屋建筑產(chǎn)生破壞性的影響，但會有余波的反應。為減少夯管對臨邊建筑物的影響，采用以下措施：1）在夯擊過程中調(diào)整夯擊頻率，避免夯擊施工振動頻率與橋梁自振頻率接近而產(chǎn)生共振。夯管施工期間加強對周邊井場、橋梁、建筑、堤壩的監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)問題及時停止施工，并上報監(jiān)理、業(yè)主和設計，以便及時制定新方案。2）在夯擊點和建構(gòu)筑物之間設置減震溝，減少夯管振動對現(xiàn)有建構(gòu)筑物的影響。減震溝設置在夯擊點前30m～40m的位置，開挖深度在該處穿越深度下2m～5m為宜。3）根據(jù)夯管現(xiàn)場實際進展的難易程度，在確保夯擊能量能滿足施工時，適時減少夯擊力。4）做好夯擊點的加固，避免夯擊時夯擊能量大量損失，同時，在進洞前要在套管的外壁涂抹黃油，以減少套管阻力。

3.7 減少套管施工及定向鉆施工時噪聲的影響

由于夯管設備周圍有居民住房，為避免噪聲擾民，因此須采取必要的噪聲管控措施：1）夯管施工合理安排施工時間，盡量避免居民休息時間施工。2）在施工場地與居民房之間設置2道隔音帶，同時，在主要噪聲設備周邊設置1道隔離帶，減少噪聲的擴散。

4 結(jié)語

通過對定向鉆穿越卵石地層施工難點進行分析，發(fā)現(xiàn)卡鉆風險，擴孔坍塌是制約穿越卵石層的主要因素，通過試夯方案比選，最終采用套管隔離卵石層的方法。在具體實施過程中，施工單位嚴格控制各項操控指標，重點管控了夯管的布管、出入土角度、連接、錘擊力度、清土等，解決了卡鉆、塌孔等問題，使該工程得以按時完工。同時采取防震、防噪聲措施，最大程度地減少對周邊居民的影響，達到了安全環(huán)保要求。該工程的順利實施，對今后類似施工具有積極指導意義。