浅谈“在砂卵石地层结构中水平定向钻双向套管、单向穿越工艺”

秦进华 邹颖

【摘要】结合兰溪市芝堰水库DN800输水管道过江管工程，介绍了水平定向钻（HDD）工艺在砂卵石岩层中采用双向夯套管、单向穿越施工技术原理、施工流程的方法。

【关键词】砂卵石地层 HDD水平定向钻工艺 双向夯套管 单向穿越。

前言

在长距离管线铺设中，由于受地形、地势及特殊地质条件的影响，水平定向钻施工存在一些技术难题，特别是穿越砂卵石地层就是一大难题，现国内主要采用夯套管加导向孔双向对穿施工工艺来解决此难题，但本工程由于受地形地势的限制，一端无法进场大型机械设备，不能实施两头双向对穿的施工工艺，为解决此难题，本工程创新的采用双向夯套管、单向穿越的施工方法，成功解决了此技术难题。下面以此工程为例，浅谈一下双向夯管、单向穿越的工艺技术。

一、工程概况

兰溪市芝堰水库DN800输水管（过江段）工程，施工地点位于浙江省兰溪市城区，为金华江、衢江两江汇合为兰江的汇合口，管道过江方式为水平定向钻穿越，穿越管径为DN800，材质为Φ235B钢管，穿越长度681m，定向钻管道主要在弱风化泥质粉砂岩中通过。入土点为婺江路东城水厂旁的南门溪滩上，出土点位于中洲公园内，中洲公园为两江交汇的冲积洲，是一个市民休闲健身娱乐的人行公园，无可供大型设备进出的道路和码头。

二、水文地质情况

入、出土端的造斜段均位于长约80～100米、厚约9m、粒径2～10cm不等的砂卵石层上，砂卵石层含砂量不足30%，且板结松散，透水性极强，砂卵石层地下水位与兰江相通，并随兰江的水位变化而变化，兰江汛期时，最高水位可淹没定向钻操作平台1.0～1.5米。

三、方案比选

方案一：如采用单向夯管、单向穿越方案，虽然成本相对较低，但出土端必须具备大开挖条件。由于出土工作坑位置砂卵石层地下水位与兰江相通，地下水位极高，且开挖深度达12米深，开挖难度极大，并需大面积的破坏中洲公园设施和环境，甲方不允许。

方案二：如采用双向夯管、双面穿越方案，成本相对高，但出土点中洲公园为两江交汇的冲积洲，无可供大型设备进出的道路和码头，大型设备无法进场，无法实施此方案。

综上所述，经过多次的对比分析和方案论证后，决定创新的采用出、入土两端夯套管、单向穿越的全新工艺，以解决以上两个方案所带来的问题。

四、水平定向钻双向夯管、单向穿越工艺技术

1、定向钻双向夯管、单向穿越施工工艺流程

场地平整→入土端夯管平台修筑及导轨安装→正向夯管→钻机进场安装调试→导向孔钻进→出土端夯管平台修筑及导轨安装→反向夯管→分级扩孔→回拖管线→管道割接→完工清理退场。

2、钻孔轨迹计算及回拖力计算

根据工程地质勘测结果，结合设计图纸，综合确定定向钻导向孔的技术参数（入土角度、长度、曲率半径、埋深、造斜长度、出土角度），从而绘出导向孔轨迹图，确定其施工现场位置；同时利用经验公式进行回拖力分析计算，并考虑一定的安全系数，得出本工程最大回拖力为220KN，选择GD3500-L定向钻钻机。

3、泥浆制配

泥浆制配的好坏对定向钻工程的成功与否起着决定性的作用，根据本工程需穿越砂卵石地层及岩石层，泥浆配比采用水：纯碱：膨润土（高含量）：降失水剂：增黏剂 =1：0.005：0.05：0.004：0.005的泥浆配比，并在施工中采用马氏漏斗每小时测一次，以确保泥浆满足穿越特殊地层的施工要求。

4、定向控制测量

目前在河流长距离定向钻穿越施工时，为了保证导向孔曲线符合设计要求，在进行导向孔钻进时，导向控制人员需要严格控制曲线的走向，随时掌握导向孔轨迹情况，并实时发出指令指导司钻操作人员进行导向孔钻进调整。本工程控向设备采用美国DISSTMGS导向仪，精确的控制了出土位置。

5、布置人工磁场

人工磁场就是在穿越的中心线上加一个人工、可计量的磁场，来消除不稳定因素造成磁场变化对控向仪器的影响。因为该磁场是稳定可控的，所以能最大限度的提高导向精度。人工磁场在穿越中心线两侧布设闭合导线圈，通电后形成外加磁场，用以对控向参数的复核。人工磁场可不受任何外部磁場的干扰，准确反映钻头所在的具体位置、左右偏移量和穿越点高程情况，通过人工磁场的布设大大提高了控向精度，保证该工程导向一次成功。

6、入土端造斜段夯套管和导向出土后反夯套管

气动夯管铺管技术就是以压缩空气为动力，驱动夯管锤产生巨大的冲击力，此冲击力通过调节锥套、出土器和夯管头作用于钢管一端，再通过钢管传递到另一端的管靴上，切割土体，并克服地层对管体的摩擦力使钢管不断进入土层，被切割的土芯进入钢管内，待钢管抵达目的地后，将管中的土芯排出，即完成铺管，适用于短钢管的非开挖铺设。主要工序为：测量放线—工作坑开挖—导轨安装—钢套管安装——夯锤安装—钢套管夯击—接口连接—掏碴及碴土外运。

本工程入、出土端均位于砂卵石层段，需设置钢套管，入土点设置D1500钢套管，正夯直至进入岩层中；出土点也设置D1500钢套管，反夯至岩层也即沿着已完成的导向孔轨迹，夯击钢套管穿过砂卵石层直至进入岩层中，这是本工程双向夯管、单向穿越施工技术的关键所在，具体做法：采用全站仪和无线导向探测仪对导向孔内钻杆的平面位置和纵向高程进行精确定位复测，根据对钻杆精确定位复测的平面和纵向高程的数据，设置反夯钢套管的中心线和钢套管导轨入土夯入角度。为使夯击的钢套管进入岩石层时，其平面位置和轴线符合设计要求，需在套管前端设置一个1%～2%的下沉角度，用以抵消因钢套管前端周围的砂卵石被夯锤动力振落于钢套管下部形成一个的抬头趋势量，这个抬头量一般为钢套管长度的1%～1.5%，钢套管长度越长时上升量越大。每夯入一节5米钢套管，复测一次位置，确认符合要求后，再回抽一截钻杆，如此反复进行，直至进入岩石层。

7、分级扩孔

反向夯钢套管完成后，根据定向穿越管道外径为φ820mm，且主要在弱风化泥质粉砂岩层中通过，为保证管道回拖顺利进行，本工程分级扩孔采用Φ350～Φ1150的9级回扩孔，每级增加10cm，扩孔采用岩石扩孔器，清孔采用桶式清孔器。

8、管道回拖

管道回拖作为水平定向钻工艺的最后一步，也是最关键的一步，回拖时必须做好充分的准备工作，需检查钻具的连接可靠性、有效性和泥浆喷嘴、回拖旋转接头是否正常工作，并准备好必要的减阻物质和助力机械；还需检查钻杆、麻花钻杆、切割刀、扩孔器、旋转接头、U形环到管道的连接情况。回拖过程中，还要认真观察浆泥运行情况，管道回拖施工需连续进行，严禁在施工中无故停拖，避免因停工造成阻力增大。

结束语

本工程的顺利完成，说明水平定向钻双向夯管、单向穿越施工技术对砂卵石等特殊地层的是先进、可行、可靠的，完全达到水平定向钻施工的质量要求。

本工程为水平定向钻双向夯套管、单向穿越施工技术运用的成功经验，同时也为以后同类水平定向钻施工提供了很好的先例。

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