小型定向钻机大深度无信号穿越导向技术的应用——以福州市马尾区电力改造项目非开挖穿越青州桥工程为例

福建东辰市政工程有限公司 邱永忠

1 工程概况

福州市马尾区电力改造项目是建设大马尾经济区的重要项目之一，本工程与马尾港道路改造项目同步。虽然原工期较富余，但因为现场原有建筑的影响，施工队伍多次易手，到我司接手时工期已感怅促。本工程总量:沿青州路中心线绿化带穿越青州桥，铺设Φ200mmPE电力专用套管14根，单根长186米，分二孔完成。我司从2009年1月5日进入（设备是在6日晚进场），非开挖工期至2009年1月18日，1月20日整个工程结束，以迎接新春佳节。

2 现场勘察

2.1 穿越地层的地质概况

根据了解周边建设工程的地质勘察资料和现场工作坑开挖断面情况，本工区穿越的地层如下:上部3.6m以上为旧时沥青道路及建筑垃圾和块石杂填，下部是粉砂质粘土层，穿越地层对本次非开挖的铺管施工影响不大。

2.2 穿越段的主要建筑

本次非开挖的目的是穿越青州桥，青州桥始建于上世纪80年代改革开放初期，随着城市的不断扩大道路加宽加高，导致青州桥被抬高，基础埋深变大。

2.3 原地下管网探测

非开挖施工前，对现场所有地下原管网进行详细的探查，全面收集原管网的资料，在现场地面标注其平面位置和具体埋深及管线的性质，防止施工时造成破坏。现场原有管网对本次施工没有影响。

3 施工准备工作

3.1 现场准备

本项目因多次易手，钻机摆放的地面被破坏，钻机在地面不能有效固定。工期紧促，如果现制水泥墩地锚，最少浪费5天宝贵的时间，为了抢时间赶工期，最后采取铁箱灌水泥砂浆（铁箱尺寸:长2.5m、宽1.3 m、高1.2 m）。铁箱埋置地下，上部略低于地面0.1米，钻机在铁箱上部固紧。

回填入口工作坑钻机入口段经过前期施工方开挖障碍，工作坑总长度达11.6 m，深度3.8 m，钻杆在入口段悬空总长度为13.5 m左右。过长的悬空会导致钻杆在向前推的作用力下弯曲变形，在导向定位施工时对超长工作坑进行回填。回填工作分为三步:①抽干坑内积水，并清理坑内塌方块石；②坑内下部用粘土回填并压实；③用埋设铁箱的弃土（杂填物）置于粘土上部再压实。如下图所示:

3.2 主要施工机具、设备需要计划（见表1）

表1 主要施工机具、设备需要计划

导向定位系统采用 Digitrak Eclipse步履式导向仪与ZT-35型非开挖铺管钻机配合施工。

Eclipse定位仪，因其精度高，传感器发出的信号强，被誉为本行业最可靠的步履式定位系统之一。

ZT-35型钻机技术参数:钻机输出扭矩:14000N.m；输出转速:0～60rpm／0～120rpm (两档)；钻机回拖力:350kN；给进力:350kN；钻杆规格:F73´3000；重量:10500kg；泥浆泵最大排量:320L/min；泥浆泵最高压力:8MPa；动力:康明斯 160 kW/2200rpm；主机外型尺寸:7050´2280´2500（mm）。

4 铺管施工

4.1 导向孔剖面轨迹设计

导向孔剖面轨迹，主要形式为斜直段→造斜段→平直段→造斜段→斜直段组成。本次非开挖的目的就是要让电缆管道从青州桥的承压台下方穿越，而青州桥的承压台基础虽经努力均无从核实。业主、设计院与公路部门多方协定，穿越青州桥的深度不小于 13.0m，以保证港口进出车辆的安全和管道的安全穿越。

4.2 平面轨迹

工程穿越的设计深度过大，加上穿越段的正上方原有电缆密布，仪器严重干扰，仪器的优越性能无法充分发挥。根据以往的施工经验，深度超过6.5m左右时仪器将不能准确定位其走向，深度超过9.0m左右时会出现完全无信号现象。为了避免所施工的管道相交或相近（平面中心线距离最少大于1.5m）造成管道破坏，本次平面的轨迹采用两孔平行，进出口中心间距1.8m。

4.3 导向施工

4.3.1 钻机摆设

钻机首先摆设于右孔（南侧孔）,方向正对右孔中心线，钻机就位入射倾角调整为-32%。

4.3.2 泥浆钻液的配制

本次使用的泥浆干料是山东潍坊生产的非开挖专用膨润土，导向施工时配制粘度用马式漏斗测定，在30s之间。

4.3.3 施工导向孔

将信号棒装入导向钻头，校准仪器后开钻。导向定位工作分为三个阶段:

（1）在较浅层—深度6.5m以内穿越段，以－30～－32%之间向下直线钻进，钻进总长约 20m，同时每钻进 1.5m即暂时停钻，准确测量钻头的具体位置和倾角，并记录在案，钻头的走向（钻孔方向）用油漆标注在地面，核对是否会偏移。

（2）较深段—深度6.5～9.0m以内穿越段施工，本穿越段只改变钻孔的弧度（倾角）和深度。根据非开挖钻进的特性，在均匀地层中回转钻进，其孔径方向呈直线前进。孔径改变是导向系统指导导向钻头的操作来完成的。对导向钻头施加推力，通过鸭嘴斜掌和钻头之间形成一个倾角，如下图:

根据斜掌掌面朝向不同，引导导向钻头改变轨迹。月什导向系统中，放置于钻头内的发射信号棒，其一周圈按 24等分，在行业内称时钟，以12个整点和各半点显示。钻孔改变方向的特性是以正面面对时钟方向，如下图:

显示 “12”和“6”为向上和向下改变倾角，平面走向不变；“3”和“9”为向右和向左弯曲并且保持倾角不变； “12.5—2.5”为向上并向右改变方向、“3.5—5.5”为向下并向右改变方向、“6.5—8.5”为向下并向左改变方向、“9.5—11.5”为向上并向左改变方向，平面走向和倾角均变化。在这个穿越段的深度是以测量距离的参数结合计算值作钻孔的深度，仪器虽然不能对钻孔的走向做出精准测量，但钻孔方向以深度极小值点作参考。准确记录面向角12点钟时，钻头每匀速向前推进0.5 m、1.0 m、1.5m时倾角向上变化和给进压力表的具体参数。深度9.0m倾角保持10%。

（3）9.0m 以上的导向施工技术是本次的难点。在仪器不显示任何参数的情况时，对导向钻头作准确的测量是不可能的。面向角主要是人为标注的方法，施工的手段主要以回转钻进直线下降，深度采用倾角结合下降长度计算，钻孔埋深13.0m时，采用面向角“12点钟”推进，以两根钻杆使钻孔进入水平状态（估算值），继续回转钻进至108m（过桥10m）。采用面向角“12点钟”向上推进，使倾角达35%左右后一直向上回转试钻，使尽快让孔径变浅，连续测量三个以上导向钻头的准确位置，判断是否偏移，再把导向钻头撤回117.0m倾角15%左右的钻孔点回转，让孔径慢慢变浅直至信号正常后才能放弃人为标注面向角的工作。

本次导向施工成功的关键是，长距离人为标注面向角的准确度。本次人标注的面向角为“12点钟”方位。具体如下:在钻机动力头的中心点和前、后夹持器固定铁件中心点上各取一点，要求三点成一直线。钻孔孔深导向施工至9.0m左右即将无信号状态时，钻机的面向角调整到“12点钟”方位，取木匠用的墨线在钻杆中心线上画一条直线，并检查延长线与钻机上的三点的直线是否重合。随着向前施工，中心线标记也连续一直向后延长，直至有稳定的面向角信号。每当需要向上改变弧度时，即调整钻杆标注的中心线与钻机上三点的直线重合时当作面向角“12点钟”的方位施工，保证钻孔孔径走向不偏移，给后续左孔留下空间。

当右孔导向施工完成后，钻机摆放至左孔，用相同的方法施工导向孔，并保证孔径的平面距离不小于1.5m回拖扩孔和铺管工作。

4.4 回拖扩孔

本工程铺管管径是600mm（采用3+2+2捆绑方式），根据孔径与管径系数 1.2～1.5倍的施工要求，最大孔径采用Φ800mm扩孔器施工，分五级四次回扩，第一次用Φ400mm扩孔器，第二次用 Φ600mm扩孔器，第三次、第四次用Φ700mm、Φ800 mm扩孔器回扩施工。

4.5 铺设管线

把每根9m长的PE短管采用热熔焊接技术连接成198m的整根管柱，远离下管坑的尾端用管帽密封，管柱前端用园椎形硬木牢牢固定后与钻具连接，回拖铺设管线。

5 结束语

在竞争日益激烈、技术手段不断创新的市场经济环境下，如轻易放弃，不但给企业造成经济上的损失，也会给业主留下负面的影响。通过本次施工，为往后的非开挖施工积累了丰厚经验，同时也为企业赢得了良好的社会效益。