云桂铁路定向钻施工技术

2018-06-22王健

建筑机械 2018年6期

王健

（中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300350）

云桂铁路某车站给排水消防管道穿越铁路路基，管道穿越线路存在粉质黏土、淤泥质粉质黏土、砂质粉土、强风化熔结凝灰岩等多种地层，为不影响铁路正常运转，减少对原有铁路路基本体及附属工程的破坏，满足交通流量需求，选用定向钻进行排水消防管道的施工。

1 定向钻工艺及原理

定向钻进管线是借助定位导向仪的导向功能，对水平定向钻机的钻孔轨迹进行控制，使其在不同地层和深度进行钻孔，从而达到在设计位置铺设地下管线的一种施工方法。在施工时，钻井液可使用膨胀土和水的混合物，以便起到冷却、润滑钻头、稳定孔壁、软化土层、润滑管道的作用。在对钻孔口径进行回扩时，可根据生产管线直径、地质等情况而定，回扩次数可一次完成，也可分为多次完成。

定向钻在穿越铁路路基施工过程中主要分为4个阶段：第一阶段为准备工作，现场调查，选择合适机型，测量放线，场地平整，钻机布置及安装调试；第二阶段利用导向钻头按照设定曲线完成导向孔施工作为预扩孔或回托管的导向线；第三阶段对导向孔进行回拉扩孔，扩孔可分多次进行直至达到管道铺设要求直径；第四阶段将管线与扩孔工具连接，进行扩孔回托，将管道托送到孔道中，完成管道穿越工作。

2 定向钻工艺及施工流程

定向钻施工主要施工流程分别为：测量放线→钻机场地布置→钻机安装调试→钻导向孔→扩孔→洗孔→套管回拖→清理场地。具体工艺流程：

（1）现场调查及测量放线。仔细研究地勘资料，并现场核对，根据现场情况及时与设计、勘察单位联系，并根据施工图纸放出钻机场地控制线及设备摆放位置线，确保钻机中心线与入土点、出土点成一条直线。

（2）钻机及配套设备就位及调试。根据测量放线情况确定入土点，将钻机就位在穿越中心线位置上，平整、夯实钻机场地、钻机就位调试完成后，进行系统连接、试运转，检查设备是否工作正常。

（3）测量控向参数。每个位置至少测4次，进行对比，并做好记录，取其有效值的平均值作为控向值。

（4）泥浆配制。泥浆为定向钻施工的“血液”，它不止是废碴的运输媒介，还能够起到加强孔壁强度、润滑、冷却钻头等作用。泥浆制备过程主要为取水、现场设置泥浆罐车收集池、配制泥浆、泥浆的回收利用。要严格控制泥浆的比重、黏度、含砂率等以确保其性能。

（5）钻机试钻。严格按照规范要求进行试钻，检查各部位运行情况、受力情况、钻机方向情况，为正常钻机提供参考依据。如各种参数正常，即可正常钻进。

（6）钻孔。每钻完一根钻杆要测量一次钻头的实际位置，用全站仪反复测量，跟踪记录钻进受力、方向情况，直到钻头在预定位置出土，完成整个导向孔的钻孔作业（见图1所示）。

图1 钻孔示意图

（7）扩孔。在钻导向孔阶段，钻出的孔往往小于回拖管线的直径。为了使钻出的孔径达到回拖管线直径的1.3～1.5倍，需要用扩孔器从出土点开始向入土点将导向孔扩大至要求的直径（见图2所示）。扩孔宜采取分级、多次扩孔的方式进行。一般地层扩孔级差不大于150mm。扩孔时钻具组合顺序为：钻杆——扩孔器——钻杆。

图2 扩孔示意图

（8）清孔。清孔的主要目的就是进一步将孔眼内的泥沙、岩屑携带出来，减少钻屑的沉积而使孔清洁；清孔的另一个目的是在一定程度上修正孔眼。清孔的次数通常根据泥浆循环时间、切削量等因素灵活把握，扩孔过程中，如果扭矩、拉力较大，可考虑进行清孔作业。回拖前应进行清孔作业直至扭矩、压力稳定正常。

（9）扩孔拖管。回拖钢套管时，先将扩孔工具和管线连接好，然后开始回拖作业，并由钻机转盘带动钻杆旋转后退进行回拖，产品管线在回拖过程中是不旋转的（见图3所示）。回拖前后，准备好补口、补伤材料和器具及电火花检漏仪，安排专人巡视管线。

图3 扩孔拖管示意图

（10）地貌恢复，泥浆处理。定向钻施工前，先在两边挖截排水沟，并开挖倒流沟，将可能跑、冒、流畅的泥浆用泥浆泵抽到泥浆罐车，部分泥浆循环利用。清除地上的杂物，用单斗车及人工回填开挖的沟渠等，分层压实。

（11）其他注意事项。

①当在钻进过程遇到障碍物时，如果障碍物可破碎，可以用钻头的搅刀破碎来去除障碍物。

②遇到钻头快速下沉时，当遇到软土层或遇到暗河（塘）时，钻头将会下沉而无法纠缠，此时可采用加固的方法，如注浆等，或降低地下水位（井点降水），以保证钻头不下沉。

③钻进过程中应定时检测泥浆浓度，做好护壁措施，避免孔壁坍塌。

④施工中应随时检查回渣情况，对钻进土层进行判别，并以此做为依据，控制钻进压力。

⑤考虑到不均匀介质中钻进所引起的钻头偏离轨道、钻杆变形等因素，严格控制钻进方向，钻进过程中应根据导向系统及时修正钻进方向，避免产生较大误差。

3 定向钻进管线穿越铁路施工要点

水平定向钻进管线穿越铁路工程施工时，应对以下4方面问题进行综合考虑：工程地质对钻孔、路基、铁路行车的影响；铁路电气设备对定位导向仪的影响；钻孔作业对铁路沿线地下管线的影响以及施工过程中铁路轨道几何形态的监测及防护措施。

（1）工程地质条件对定向钻进管线的影响及对策。本工程管线穿越地层软硬差别较大，容易造成钻孔偏移。如钻孔阶段，泥浆马达应在穿越硬质地层时使用，而在穿越软土地层时，尽量避免使用。地层软硬程度不同给钻孔带来一定难度；同样在扩孔阶段，软、硬地层对施工技术要求也不同，施工过程中存在软土层塌方、抱钻、卡钻等多种风险。本工程采用方法为：首先，将入土点向出土侧方向前移100m，减少软土层穿越长度；其次，在入土点夯入钢套管，对软土层进行隔离；再次，钻机侧采用夯管对软土层进行隔离时，将钻杆定位管置于钢管中；最后，扩孔时按照先硬后软的顺序，先对岩石进行扩孔，再对软土层进行扩孔。

（2）电气设备对定位导向仪的影响及对策。定位和导向仪分为有缆式定向系统和无缆式地表定位系统两种，前者受电磁场影响较小，但操作方面较为复杂；无缆式地表定位系统操作灵活、成本低，但受电气设备影响较大，在电气设备8m范围内就难以保证读数的正常，因此其使用范围受到一定限制。在电磁场较大的铁路段进行穿越施工时，应使用受电磁场影响较小的有缆式定位导向仪。在本次工程施工时，定向系统采用美国Vecter公司产品，而磁性定向仪和实时跟踪系统的联合使用则为钻孔的准确度提供了有力保障。

（3）钻孔作业对铁路沿线地下管线的影响。根据工程研究结果，地层为土层时孔顶至地表以及扩散影响区域竖向位移方向向下，横断面沉降曲线接近反向正态曲线，中心处地表沉降较大，两侧逐渐减少。本工程对铁路路基沉降影响较小，通过线路沉降观测和定期养护管理，能够保证行车安全，在正常泥浆护壁无法防止塌孔问题出现时会对铁路运营造成较大影响。根据施工经验本工程采取以下措施：当定向钻进管线距离路基面较深，且地质条件较好时，可不安装吊轨梁，但应做好防护准备，同时做好线路检测，确保行车安全。

（4）定向钻施工过程中的监测及防护措施。钻进过程中应做好各项监测工作，工程地质条件不同，变形标准控制不同，应根据具体土质及设计情况确定变形控制标准。铁路轨道几何尺寸的监测重点在管道穿越咽喉区道岔，应设置专人进行监测，并将监测、检查数据及时登记在台账，对照铁路的静态几何尺寸，对铁路动态尺寸进行准确判断，并根据对比结果对检查次数进行调整。无缝线路段主要做好线路轨道、无缝线路方向变化的检查工作，准备充足的道岔和降温措施，防止轨道膨胀对行车安全造成影响。