許可祥

(甘肅一安建設(shè)科技集團(tuán)有限公司)

供熱管道是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，多個(gè)供熱管道組成供熱管道網(wǎng)，提供供熱保障，供熱管道在施工過(guò)程中，其鋪設(shè)范圍較大、管道長(zhǎng)度較長(zhǎng)[1]，如果采用開挖溝槽的敷設(shè)方式進(jìn)行施工，則對(duì)于交通、環(huán)境等均會(huì)造成較大影響。因此，為降低供熱管道施工的影響，研究水平定向鉆施工技術(shù)，該技術(shù)指的是在無(wú)需進(jìn)行地表開挖的情況下，完成管道的鋪設(shè)施工。該施工技術(shù)具備諸多優(yōu)勢(shì)，其可忽略管道埋深、地面限制、地下水等影響，并且施工速度較快、耗費(fèi)成本較小，在城市市區(qū)、市內(nèi)道路、高速公路等無(wú)法開挖區(qū)域內(nèi)的更是具有顯著的施工優(yōu)勢(shì)，不會(huì)影響城市的交通情況以周圍 建筑物，同時(shí)滿足環(huán)保需求；并且水平定向鉆在施工過(guò)程中，更易于調(diào)整鋪設(shè)方向和埋深，有效避開地下障礙物，高效完成管道施工。

1 水平定向鉆施工技術(shù)

1.1 工程概況

為研究供熱管道穿越巖層水平定向鉆施工技術(shù)，本文以蘭州城區(qū)供熱管道改造工程為例，進(jìn)行相關(guān)分析。該工程主要是對(duì)老舊二極管道進(jìn)行改造，其施工詳細(xì)區(qū)域位于蘭州市四個(gè)區(qū)（城關(guān)區(qū)、七里河區(qū)、安寧區(qū)及西固區(qū)），改造施工作業(yè)點(diǎn)多，如果選擇開挖溝槽的方式進(jìn)行供熱管道施工，則會(huì)導(dǎo)致多個(gè)區(qū)域發(fā)生交通影響。因此，選擇水平定向鉆施工技術(shù)。

該工程在改造過(guò)程中，使用的管道為Q235B 的低碳鋼管，其直徑為Φ800mm；在進(jìn)行施工過(guò)程中，定向穿越分兩次穿越，每段出土點(diǎn)、入土點(diǎn)水平長(zhǎng)度均為750m，總長(zhǎng)度為1500m。并且在穿越施工過(guò)程中，需結(jié)合土層情況控制穿越施工參數(shù)，該管道在改造時(shí)，部分管道會(huì)穿越砂巖層。因此，本文以該部分供熱管道的改造施工區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行勘測(cè)，其詳細(xì)情況如表1所示。

結(jié)合表1 中的勘測(cè)結(jié)果可知：管道穿越區(qū)域的地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，巖層的硬度相對(duì)較高，裂隙發(fā)育，因此，在水平定向鉆施工時(shí)，會(huì)極大程度損壞鉆頭；并且，在施工時(shí)，會(huì)形成較大量的大顆粒鉆屑[2]，因此在施工時(shí)，為保證泥漿最大程度帶出孔內(nèi)的鉆屑，避免形成鉆屑床，引發(fā)鉆具卡鉆現(xiàn)象，需保證較好的泥漿性能。

1.2 施工方法

1.2.1 施工整體流程

水平定向鉆施工技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，鉆桿前端安裝傳感元件，通過(guò)該元件的地面追蹤，可靠掌握導(dǎo)向鉆頭的方向和深度[3]。結(jié)合工程的實(shí)際情況以及施工需求，確定水平定向鉆施工所需設(shè)備以及設(shè)備的使用順序結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。水平定向鉆機(jī)使用的鉆頭信息如表2所示。

表2 水平定向鉆機(jī)使用的鉆頭信息

確定所需的水平定向鉆機(jī)使用設(shè)備后，制定水平定向鉆施工流程，其關(guān)鍵施工步驟情況為：施工前準(zhǔn)備、測(cè)量放線、確定穿越路線、設(shè)備準(zhǔn)備和安裝、導(dǎo)向鉆孔、擴(kuò)孔和泥漿護(hù)壁、管道焊接、牽引管道穿越、管件焊接、試壓沖洗、土方回填。其中，導(dǎo)向孔的施工鉆進(jìn)參數(shù)詳情如表3所示。

在擴(kuò)孔和泥漿護(hù)壁施工階段，為保證較好的施工效果，避免發(fā)生鉆頭卡鉆、同時(shí)實(shí)現(xiàn)孔壁保護(hù)，需完成泥漿體的優(yōu)選，以此有效控制施工成本，則泥漿的性能參數(shù)如表4所示。

表4 泥漿的性能參數(shù)

鉆孔泥漿的用量計(jì)算公式為：

式中：

k表示比例系數(shù)；D表示管道內(nèi)徑；L表示穿越長(zhǎng)度。

1.2.2定向鉆施工

⑴地錨坑

在鉆機(jī)準(zhǔn)備就緒后，需要測(cè)量人員進(jìn)行測(cè)量放線工作，此時(shí)，要參照設(shè)計(jì)圖紙，以確保鉆機(jī)軸線與穿越曲線的軸線重合。在進(jìn)行施工前，需要挖掘一個(gè)地錨坑，其中心線必須位于穿越中心線上，地錨坑的尺寸為7 米長(zhǎng)、4 米寬、3.5 米深。同時(shí)，也需要調(diào)整鉆機(jī)的鉆進(jìn)角度，使其與人土角吻合。

為了確保鉆機(jī)的平穩(wěn)性能夠得到更好的保證，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行一定的加固處理工作，主要是在鉆機(jī)上鋪設(shè)一層鋼板。這樣，不僅可以提高鉆機(jī)的穩(wěn)定性，還能夠降低施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。鉆機(jī)的錯(cuò)固裝形式也非常重要，應(yīng)該選擇合適的方式來(lái)進(jìn)行固定，以確保其在施工過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)偏差。

經(jīng)過(guò)測(cè)量放線和角度調(diào)整后，如果條件允許，還可以使用遙感技術(shù)對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以確保其在施工過(guò)程中始終保持穩(wěn)定。只有在各個(gè)方面都做好了充分準(zhǔn)備后，才能開始施工工作，以保證鉆機(jī)施工的效率和安全性，同時(shí)也為后續(xù)的工作提供有力保障。

⑵鉆導(dǎo)向孔

在所有設(shè)備調(diào)試安裝好之后，根據(jù)以上確定的導(dǎo)向孔施工參數(shù)鉆導(dǎo)向孔。在此之前需要先進(jìn)行試鉆，價(jià)差鉆頭的水眼是否存在堵塞的問(wèn)題，若無(wú)堵塞，則可繼續(xù)開展相應(yīng)的工作。在進(jìn)行穿越施工過(guò)程中，鉆導(dǎo)向孔工作是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。為了確保施工質(zhì)量，我們需要按照設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行施工，在測(cè)量管徑大小后，確定每根鉆桿的折角。同時(shí)，在施工過(guò)程中，我們需要做好測(cè)量和記錄工作，對(duì)鉆頭的位置進(jìn)行記錄，并設(shè)置數(shù)據(jù)控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)之間的間隔應(yīng)約為6米，每鉆進(jìn)1米，就需要記錄鉆頭的位置數(shù)據(jù)，以便更好地進(jìn)行控制工作。此外，我們還需要對(duì)鉆孔的方向進(jìn)行控制，確保鉆孔曲線與設(shè)計(jì)穿越曲線相吻合。因此，在進(jìn)行導(dǎo)向孔鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)該先進(jìn)行有線控線系統(tǒng)的測(cè)試，并調(diào)整完畢后再進(jìn)行正常鉆進(jìn)。所有這些措施都是為了確保穿越施工的順利進(jìn)行和施工質(zhì)量的保證。

⑶預(yù)擴(kuò)孔

在進(jìn)行施工過(guò)程中，需要進(jìn)行擴(kuò)孔工作以確保效果。在預(yù)擴(kuò)孔工作之前，應(yīng)當(dāng)確保鉆具的連接有序：鉆桿→擴(kuò)孔器→旋轉(zhuǎn)接頭→鉆桿。此外，為了增加環(huán)形空間，需要盡可能減小回拖拉力，進(jìn)行11 次預(yù)擴(kuò)孔工作和2 次洗孔環(huán)節(jié)。隨后，需要結(jié)合實(shí)際施工環(huán)境，進(jìn)一步確定清孔次數(shù)。只有在滿足施工要求的清潔程度之下，方可進(jìn)行回拖工作。在回拖的過(guò)程中，需要仔細(xì)關(guān)注表盤讀數(shù)，并記錄擴(kuò)孔數(shù)據(jù)，為下一次擴(kuò)孔工作做好準(zhǔn)備，確保施工環(huán)節(jié)質(zhì)量得到保障。因此，在施工流程中，預(yù)擴(kuò)孔工作以及環(huán)形空間的增加，是必不可少的。同時(shí)，清潔度也是重要的考慮因素。只有嚴(yán)格按照要求進(jìn)行工作，才能保障施工的效果。這一過(guò)程是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)、復(fù)雜的過(guò)程，需要更加謹(jǐn)慎地執(zhí)行，避免出現(xiàn)任何差錯(cuò)。在施工環(huán)節(jié)中，各項(xiàng)數(shù)據(jù)都應(yīng)得到精確記錄，并依據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行必要的調(diào)整和處理。只有這樣才能確保施工的質(zhì)量。

1.2.3施工工藝參數(shù)計(jì)算

在進(jìn)行水平定向施工過(guò)程中，需確定最佳的泥漿壓力，通過(guò)該壓力保證孔內(nèi)泥流和鉆屑顆粒的攜帶效果，保證施工的正常進(jìn)行，因此，需確定最小的泥漿壓力和最大允許的泥漿壓力。

最小泥漿壓力指的是在導(dǎo)向孔環(huán)區(qū)域內(nèi)，保證泥漿循環(huán)流動(dòng)的門限壓力值；水平定向鉆施工時(shí)，在正常情況下，鉆頭所在位置均低于泥漿排出口[4]，所以需有效抑制該高度差形成的靜壓力影響，以流體力學(xué)為參考，靜壓力P1的計(jì)算公式為：

式中：γb表示泥漿重度；h表示高度差。

水平定向鉆在不同的施工步驟中，泥漿的流變性會(huì)發(fā)生變化，其循環(huán)流動(dòng)性需有效降低初始剪切阻力的影響[5]。泥漿從導(dǎo)向孔流向環(huán)空區(qū)域時(shí)，所需的流動(dòng)壓力和環(huán)控體大小、泥漿流動(dòng)特性、泥漿流速等參數(shù)存在直接關(guān)聯(lián)，則泥漿在導(dǎo)向孔內(nèi)流動(dòng)時(shí)所需的壓力計(jì)算公式為：

鉆孔過(guò)程中，左、右兩側(cè)入土點(diǎn)的最小泥漿壓力分別用PzL和Pzr表示，兩者計(jì)算公式為：

式中：LL表示鉆頭和入土點(diǎn)之間導(dǎo)向孔長(zhǎng)度。

依據(jù)上述同理，可獲取擴(kuò)孔施工和回拖施工步驟中，左右兩側(cè)入土點(diǎn)的最小泥漿壓力計(jì)算公式：

式中：rp,max表示大塑性區(qū)半徑；M表示泥漿的機(jī)械強(qiáng)度，即泥漿抵抗外部壓力的能力；P0表示初始應(yīng)力；σ0表示粘結(jié)應(yīng)力；ra表示鉆孔半徑；Pe表示鉆井液壓強(qiáng)。

2 水平定向鉆施工結(jié)果分析

通過(guò)上述施工步驟和施工參數(shù)完成供熱管道穿越巖層施工后，獲取水平定向鉆施工管道軌跡，并將其和設(shè)定的軌跡進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。

圖2 水平定向鉆施工結(jié)果

依據(jù)圖2 顯示結(jié)果可知：通過(guò)水平定向鉆施工后，管道的施工軌跡和設(shè)定管道軌跡幾乎完全吻合，偏差極??；因此該方法的施工效果較好，滿足供熱管道穿越施工需求。

3 結(jié)論

穿越巖層水平定向鉆施工技術(shù)在施工過(guò)程中，會(huì)受到土層地質(zhì)情況、導(dǎo)向彎曲以及施工環(huán)境等因素的影響，其施工效果會(huì)影響其施工軌跡結(jié)果。本文針對(duì)供熱管道的改造工程的實(shí)際情況，選擇并設(shè)定相關(guān)的施工步驟和施工參數(shù)，完成供熱管道穿越巖層水平定向鉆進(jìn)施工，并且施工軌跡和設(shè)定軌跡幾乎吻合，滿足施工需求。可為相關(guān)工程的施工提供可靠依據(jù)。