复杂地层下水平定向钻施工技术

董智杰

（河北省水利工程局，石家庄 050000）

1 工程概况

磁县和谐大道污水管道穿越南水北调中线工程位于和谐大桥北侧，与南水北调中线总干渠 （桩号18+790.89）相交，穿越管道的水平投影长347.62m，管顶距渠底最小距离13m。穿越管道采用外套钢塑复合管内穿PE管，钢塑复合管管径DN700mm，钢筒外径720mm，壁厚14mm。

该管线穿越区域地层复杂，参杂一定厚度的卵石地层。该工程区地层岩性主要为：上第三系中新统湖积（N1）黏土岩、砂岩、砾岩、细砂，第四系中更新统下段冰碛（glQ12）泥砾、细砂，其中上第三系中新统与上覆地层呈不整合接触。

2 施工难点

水平定向钻施工技术目前存在许多问题，其技术理论主要基于成熟的盾构施工，在工程应用方面，不同的工程地质条件对水平定向钻施工工艺方法不同，穿越工程路径较长，在不同地质层下穿越目前没有合适水平定钻施工技术方法能够解决，尤其在本工程地质条件下施工非常困难，工程所处场地有一定局限性，存在一定风险。穿越设备比较昂贵。目前水平定向钻技术施工只是基于其他类非开挖施工技术的市政规范进行，没有合适的施工设计标准，单纯凭借施工经验去验证完善理论、标准及规范。

3 施工方案

3.1 施工工艺流程

采用水平定向钻施工技术需要提供安放设备场地和放置管线的足够空间场地，提供给机械设备较大的放置面积，通常钻进设备周边预留面积要满足一根钻杆长度的操作，检查钻进设备有无杂物，保证能正常起吊。设备也可分开摆放，留出较小的面积放置可分离的设备。应提供足够长的空间便于铺设管道的连接。穿越工程的设计，应尽量设法将欲铺设的全长度管线一次性拉入，并尽可能地避免水平方向的弯曲，多次回拉连接管线会增加施工风险。但多数工程由于穿越路径太长，均需要采用“二接一”的工艺。钻机进出口基坑的开挖及注入泥浆的使用池也要布置。水平定向穿越进场前后必须进行地下管线及地下障碍物的仔细探查，并做详细记录；进行现场信号干扰探测，明确干扰源或干扰区域。

水平定向钻穿越施工流程主要包括施工准备、精确导向、钻导向孔、逐级扩孔、钢管焊接、焊口检测、水压试验、管道发送、管道回拖及竣工验收等。定向钻穿越施工工艺流程如图1。

图1 定向钻穿越施工工艺流程

3.2 钻机选择

众多工程实践表明钻机的选择要依据回拖力的大小，根据地层条件、工程参数来准确计算回拖力。回拖力不仅可作为钻机的选择因素，并关系着定向钻工程后期管道安装设计、 泵送泥浆压力等工程参数的设计。本工程采用柔性管道模型，净浮力法计算回拖力，钻机选型HY-3000型钻机。

3.3 泥浆压力的确定

施工过程中泥浆压力的控制非常关键，压力太大超过土体的最大允许压力值，则可能造成土体塑性区贯通到地面，产生冒浆，使土体遭到破坏，严重影响工程施工，冒出到地表的浆液也会对环境造成影响；压力太小，则达不到平衡地应力、便于钻头切削土层的目的，对维持孔壁土体稳定及钻头钻井不利。以往通过经验公式计算得到的泥浆压力，因经验公式无法充分考虑实际现场的地质情况，而地层特性又是影响最大允许泥浆压力的重要因素，所以本工程采用有限差分计算软件FLAC3D建立孔洞开挖模型，对水平定向钻的扩孔过程进行数值仿真模拟，通过模拟开挖过程中孔洞周围土体在不同泥浆压力作用下的塑性区扩展情况来确定施工时的泥浆压力，如图2，图3。

图2 开挖模型

图3 孔洞内施加环向泥浆压力

在孔壁上施加逐渐增加的泥浆压力，当泥浆压力超过0.3MPa后，x拟结果得出孔壁的上下部塑性破坏发展十分剧烈。当泥浆压力继续增大，产生水压劈裂，泥浆沿裂隙溢出地表，对工程安全造成极大影响；反之，压力太小，泥浆携带土屑的能力不足，开挖掉的土沉积在孔洞之中，另外泥浆也失去了护壁的效果。根据计算机模拟，当泥浆压力在0.2～0.3MPa这个范围时，土体的塑形破坏范围在1倍孔径内，不会对工程的安全造成损害。根据试钻结果，最后泥浆的压力设定为0.3MPa。

3.4 钻导向孔

本次工程选择七分螺形状的钻头以射流的方式掘进。钻进过程中高压泥浆的冲摄作用形成钻孔，通过一定的倾斜角钻头掌握钻导向孔。初始钻进时，钻头通过动力设备的驱动下开始转动，不断掘进土层；在钻进过程中，边使钻头回转边给进则钻进的方向会呈直线变化，而钻头给进的同时，回转停止则会使钻进方向倾斜。钻头的位置和方向是通过其内部的精确仪器来确定和追踪的。每当钻杆钻进结束后，都要对钻头进行检查，对下一根钻杆进行钻进导向的参数调整，以确保钻进过程形成钻孔姿态达到预期目标要求。导向孔施工路线如图4。

图4 导向孔施工

控向系统采用世界上最先进的paratrack2系统和人工辅助磁场相结合的方法，确保穿越的精度。为防止钻孔时导向孔与设计穿越曲线偏移，本工程采取了以下技术措施。

3.4.1 精确放线工作

采用先进的全站仪对钻进导向标出精确路径，给定向钻设备划定场地，保证钻机钻头入土点、出土点及钻机中线在相同轴线上。每隔9.6m布设桩号，并测出标高。按照设计坡度计算出各桩点的管底标高，再计算钻孔轨迹线上的桩点轨迹高程，最后计算出钻孔在该点深度及钻孔斜度，将偏差减小到最小。

3.4.2 桩点位置测量

将测得的数据与设计导向曲线对照，有无偏差，并及时调整。对于弯曲段钻进要满足管线的曲率半径，按照每3～5根钻杆一组，时刻观察导向轨迹，确保铺设管线的方位准确无误。

3.4.3 导向孔严格按设计曲线钻进

钻进过程中，钻杆角度变化要满足曲率半径及规范的要求误差之内。以相邻3根钻杆为1组，钻出1条圆滑曲线。在整个钻进过程中必须保证定向手、司钻手及施工关键技术人员的交流畅通。以便对异常情况进行汇报，及时沟通处理突发状况，完成定向钻孔工程。

3.5 扩孔

当钻头在预计出土点出土后，进行拆卸钻具换装钻杆，安装扩孔器。扩孔器入洞前喷射泥浆，以便检查水嘴是否畅通，在确定一切正常的情况下，开始进行定向钻的扩孔作业。扩孔施工如图5。

本次水平定向钻穿越工程采用5级扩孔+6级洗孔，选用51/2″S-135钻杆，如表1。

图5 扩孔施工

表1 5级扩孔

当5级扩孔结束后，扩孔效果是否满足要求，如不满足要求，需再次扩孔修整。本工程钢管回拖扩孔直径为φ720mm。

扩孔作业按照高转速、 小进尺的要求尽量减少破碎岩石碎屑的产生。将形成的细碎岩屑通过泥浆作用运输至地面或就近流入地层裂缝，保证孔洞的干净。若钻孔过程中洗孔数据发生异常，则应立即停止扩孔，待排除隐患后再进行作业。

在完成每一级扩孔后进行洗孔，根据地质条件及上一级的扩孔情况确定下一级的扩孔参数。

设置带泥浆喷嘴长锥桶式扶正器，这样可以保证整体组合所受浮力正常，使导向扩孔更加精确，能防止卡钻、损坏钻进等设备的损害。

3.6 管线回拖

整个水平定向钻穿越工程最后要进行的是管道回拖步骤，为方便以后管道的检修和更换，该工程采用先回拖直径720mm、壁厚14m的套管，再在套管中回拉排污管线。在钢管回拖前已经全部焊接完毕，并按设计要求进行了水压试验； 托管接头与钢管受拉端焊接完毕，并经超声波无损探伤检验合格。用钩机配合安装扩孔器、万向旋转接头、“U”型环，并将扩孔器与钢管用分动器连接牢固，检查合格后，在吊车与钻机旋转牵引的配合下，将焊接完成的管道拖入已成形的轨迹孔洞。

本次管道回拖采用管沟发送。在钻孔出口处，发送沟挖成斜坡，放坡角度与管线出土点的角度一致，避免管道回拖时与钻孔形成较大的夹角，减小回拖初期在出口处的绞盘效应。

穿越管段钢管焊接完毕后，沿穿越中心线开挖发送沟，沟内无石块、树根等硬物，然后将管道第一段吊入沟内。挖沟时，表层土放置在下层，深层土放置在上层。用水泵将管沟中的泥浆水抽出，确保管沟的断面尺寸施工要求。

3.7 管道连接

因为施工现场管道入土点附近空间较小，不能放置全部管线。所以本次以平行方式布置，将管道两节并一节进行管道回拖作业。当第一节管道即将完全回拖入孔时，使用吊车将第二节管道吊入发送沟，利用机械对两节管道进行对口，临时加固。

3.8 渠道两侧渗压监测

由于施工时需要对孔洞内注浆，浆液会从孔壁渗入到周围土体，这种情况下会导致地下水位发生变化。如果水位波动太大，则会造成渠底应力发生变化，对渠道稳定带来影响。本次在渠道两侧预先打孔，使用吊锤对水位变化进行监测。通过定期监测，整个施工过程中地下水波动很小，东侧水深稳定在7.91m，西侧水深稳定在7.66m，基本不会对渠道基底产生应力。

4 结语

本工程针对卵砾石地层定向钻施工工艺进行了分析，制定了合理的施工方案，平稳穿越了正在运行的南水北调总干渠，为卵砾石地层的水平定向穿越项目的施工提供了宝贵经验，具有很好的借鉴作用。