大口径超长螺旋钢管定向穿越施工技术应用

(上海宏波工程咨询管理有限公司，上海 201707)

依据上海市环保计划要求，所有污水处理厂都需执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》进行达标排放。因周浦污水处理厂附近无闲置土地用于扩建污水处理厂房，周浦污水处理厂将按规划废除。另外，周康地区现有市政污水管网已饱和，没有能力接纳这部分污水，新建的周邓公路污水干管完善工程可为周浦污水处理厂废除后提供安全可靠的污水出路,现有污水将通过新建周邓公路污水干管流入白龙港污水处理厂处理达标排放。

1 案例概况

1.1 总体概况

周邓污水干管完善工程中穿越咸塘港段，原设计采用DN800玻璃夹砂管顶管施工，经现场勘察，原顶管路径南侧靠近咸塘港桥，北侧靠近居民楼，穿越咸塘两岸有护岸结构方桩，同时有多条地下管线与顶管路径交叉相碰，结合以上原因，经多方论证，此段顶管路径改为在咸塘港两侧的5号井与6号井之间，采用DN800的螺旋钢管在咸塘桥轴线桥桩之间定向穿越施工，如图1所示。

图1 管道穿越示意图

1.2 穿越段地貌及地质状况

1.2.1 地貌状况

本区域内为上海冲积平原地貌类型，地形有起伏,桥面突起处比入土点高3.75m，比出土点高3.30m。

1.2.2 地质状况

地质状况如表1所列。

表1 地质状况

2 施工特点与难点

2.1 穿越地段交通流量大，施工环境复杂

穿越地段位于年家浜路上的5号井位置，原只有两车道通行，两边为商业与居民区集中地，人流量与车流量较大。为确保施工区域安全与足够作业面积，与交警、公交、路政等部门协调，此路段改为单行道，同时投入多名交通协管员进行交通秩序维护。

2.2 钢管布管与拼装焊接占用车行道，交通难度大

本定向穿越的钢管外径为820mm，长度为336m,在钢管回拖前需完成拼装、焊接、无损检测、涂防腐层等。得到交警部门的支持后，在周邓公路中间占用一车道进行钢管拼装焊接等施工，为减小对两侧小区居民通行的影响，分三段进行焊接拼装，待回拖施工前两天，将三段钢管焊接成一段，回拖施工当天交警对周东路口进行封路，整体移管至出土点进行回拖施工。

2.3 穿越路径在桥梁桩基之间，地质情况复杂，施工难度大

咸塘港西侧路面结构层以下，原有路基采用钢渣填筑，此段定向穿越前需进行开挖换填处理；咸塘港桥原施工图纸因年代久远，无法找到，为弄清桥梁桩位坐标与桩间距离，对两岸桥台下护坡处进行开挖探摸，量测所得桥桩精确坐标与两桩间距，为穿越路径提供了准确依据。

3 技术难点与措施

3.1 钻机选型需保证足够的回拖力与扭矩

根据管道长度、摩擦系数、管体外径、管内直径、泥浆密度、钢密度、黏度系数等,按《油气管道设计规范》(GB 50423—2013)公式5.2.4计算出的拉力为373.20kN。该回拖管道最大扩径为1250mm，一般需水平定向钻机最大扭矩在40000N·m以上方可确保扩孔顺畅。在钻机选择时须有一定的安全系数余量(扭矩和回拖力)，根据国内外施工经验，以1.5～3倍的回拖力作为钻机选型的依据，为此,选用ZT-180型水平定向钻机进行全断面施工。

3.2 防止钻孔时呈“S”形的措施

定向仪器采用目前穿越行业认可的最为准确、实用的F5控向系统，在实施穿越施工时，尽可能减小测量长度，严格控制全角变化率，特别是遇到不均匀地质情况时，测量间距应小于2m。钻进过程如发现偏差要及时调整方位角，及时纠偏，严禁反复大幅度调整角度，要勤测勤纠，防止导孔钻进时出现“S”形轨迹。

3.3 确保定向钻出误差在设计范围内的措施

钻机施工定位前,技术人员精准测放出钻机就位中心线，精准测量与确定控向参数，尽可能多测量记录相关参数，并仔细对照比较，在拖管中心线的不同位置测取三个点，每个位置测量不少于四次，并作好记录比较，以确定最佳参数。

3.4 确保扩孔顺利的措施

穿越到不同地层时，根据地质情况及时调整泥浆配合比，如增大或减小泥浆黏稠度，增加润滑剂、防塌剂等，达到减少缩径、稳固孔壁的效果，严禁大幅度调整泥浆配比，防止孔径缩小或坍塌。

3.5 钢管进出洞口对接技术措施

拖管施工完成后，在进出洞口钢管的两端焊接同直径的“法兰”，与已建5号井、6号井之间采用开槽埋管方式，接入同直径的多节球墨铸铁管，铸铁管一端与钢管的“法兰”连接，另一端接入已建工作井，以利于减小因差异沉降而造成的不利工况。

3.6 道路下管道周边注浆措施

管道最后一次扩孔直径为钢管外径的1.5倍，定向穿越完成后，需对道路下管道周边区域进行压浆处理。

a.压浆孔位置：相临压浆孔间隔1m, 压浆深度从管端向下1m至管端向上2m，压浆厚度为3m，宽度在2m范围内。

b.埋管：先用空压机破除道路结构层，然后用钻孔法将钢管沉入土中至方案要求的标高。

c.浆液配制：浆液拌制，水灰比控制在0.50，水泥用量为160kg/m3，添加水玻璃5%。

d.压浆：在压浆过程中，采用逐渐上行分段压浆，控制压力应小于1MPa,当达到控制压力时，需将压浆管向上提升50cm左右，再次重复压浆，直至提升达到方案要求的高程。可采用间隔压浆，间隔时间不小于4h，以防止孔间窜浆。

e.清洗：压浆结束后冲洗压浆设备与管道。

4 施工过程质量控制

4.1 施工工序

4.1.1 测量放线

a.测量人员依据定向钻机施工平面、断面图，与技术交底要求的穿越管线出土点和入土点的坐标，放出穿越管线的中心轴线，并在两端设控制桩。在入土点端确定钻机安装位置及泥浆池的占地边界线；在出土点一端，确定好出土点作业场地及泥浆池占地边界线。

b.方向控制方位测量:测量人员仔细测量和比较相关数据,以便确定最佳参数。在定向穿越管的中心线的多个部位进行测量,每个位置至少测量四次，做好相关数据记录与整理。

4.1.2 钻机进场准备

a.钻机场地(入土点)：本工程现场入土坑位置地下存在回填钢渣，因此，在开挖入土坑时，需将回填的钢渣开挖清除干净用黏土换填。开挖长18m，宽4m，深度4.5m，两侧打入拉伸钢板桩，中间加横向支撑。在清除完成后，在坑内放置一根长18m、直径300mm的钢管，入土侧角度为5.7°，钻机侧根据钻机锚盘放平位置，设置角度，两端在钢管两侧打6m长钢板桩，并与钢管焊接，此钢管用来导向入土扶正，并防止钻杆在旋转时发生大幅度偏转，在导向完成后，拆除此钢管，正常程序回扩作业。

b.钢管拼装焊接场地：按照拼装可操作性要求，需在不小于穿越管线长度30m、宽度5m的平整空白场地作业。进场道路宽度不小于4m，以确保施工机具、钻杆能进入场地。

c.开挖出土坑与入土坑：出、入土坑参数如表2所列。

表2 出、入土坑参数

4.1.3 钻机就位

根据现场情况事先确定平面布置，进行定向钻机就位、泥浆箱摆放、开挖入土坑等。由于本工程回拖管道为钢管，回拖阻力大,必须高度重视钻机的固定,钻机底座下开挖出能够放置地锚箱的坑，将地锚箱放入其中，再将钻机前压盘放于地锚箱之上，然后将地锚箱中灌满水，最后在钻机压盘的前方两个方孔内深打两根工字桩。必要时，在钻机后方增设一根地锚桩，深埋，并用混凝土浇筑，用特制的两根钢丝绳将地锚与钻机底盘连接起来，进行系统连接、试运转等调试，确保设备正常运行。

4.1.4 泥浆配制

根据地质勘探的不同地层情况，调制出不同配比的泥浆。钻进施工前应准备好不少于50m3的泥浆。地质情况不同的地层，泥浆的配制也需适当调整，措施如下：

a.将施工用水存入水罐，在水中加入纯碱，提高水的pH值。

b.根据经验确定泥浆配合比,在膨润土中加入一定比例的泥浆外加剂,调制出满足要求的泥浆。

c.根据不同施工阶段、不同的地质条件配置不同的泥浆,总体必须满足以下几个方面的要求：ⓐ具有良好的剪切携带能力，保证在遇到砂层也能有良好的排出能力；ⓑ具备良好的护壁性能，特别是砂层；ⓒ具有适当的静切力和较好的流动性，减小因泥浆产生的阻力增加和扭矩变大；ⓓ具有良好的润滑性能，以达到减少摩阻保护管道的目的。

d.泥浆配制时为了既保证泥浆用量，又保证膨润土水化时间，可增加泥浆箱数量。

e.废泥浆的处理：因在城市道路范围内施工，没有条件开挖沉淀泥浆池，故采用专用泥浆槽罐车将废泥浆排送到指定地点。

4.2 穿越施工工艺流程

穿越流程如图2所示：

图2 穿越流程

4.3 导向孔钻进

4.3.1 导向轨迹设计

导向孔轴线应符合设计及规范要求，关键考虑以下因素：

a.满足规范要求的最小钢管曲率半径不小于1500DN。即：R=1500DN=1219.5m，考虑到本工程地质条件的复杂性，为了降低风险,造斜段均采用R=1880DN即R=1528.6m。

b.满足穿越道路安全规范要求，要在地表面3m以下。

c.优选适合的管线穿越地层。根据工程地质条件分析,轨迹依次跨越不同地质地层的①～④层。①～③层为填土、粉质黏土、淤泥质黏土，成孔困难且稳定性差,不适合在上述地层进行大断面穿越,因此应选择④层灰质粉质黏土作为主要穿越层位，由此确定穿越轨迹。

4.3.2 穿越轨迹各点参数

穿越轨迹各点参数如表3所列。

表3 穿越点参数

4.3.3 导向孔钻进

a.决定定向钻施工成功与否的重要工序是导向孔的精准钻进，开钻前需制定控向方案、测量方案，配制好合适的泥浆等，操作员对照仪表参数、地质资料分析，及时进行钻进轨迹动态调整，使得导向孔满足设计要求。

b.由于本工程为较长距离、一般地层，不存在表面抗压强度大的硬质地层，可使用直推式导向孔钻进，在遇到未探明的复杂地层难以钻进时，可改用泥浆马达进行导向孔钻进。

4.4 穿越轴线的控制

a.精确放线，用GPS进行精确放线，并沿线在关键控制点设立标志(喷点、钉桩、插旗、画线等)。

b.开钻前，对无线导向系统进行现场校准(标定)，力求误差控制至最小。

c.导向施工中，每钻进一根钻杆，要多次计算测量、对比，并与设计曲线进行比对，不间断监测、控制导向钻头的位置，与设计要求一致。

d.导向施工，抽调配合默契、反应灵敏的钻机操作手和导向人员进行，发生偏差及时抽回钻杆进行纠偏。

4.5 预扩孔

导向孔钻进结束，要及时拆卸导向钻头，换装扩孔器进行预扩孔。根据本工程穿越地层黏性土质分布情况，势必造成扩孔扭矩大，为此，选用扭矩较小适合黏性地层的圈式扩孔器和利于成孔的筒式扩孔器，终端扩孔孔径不小于1.2～1.5Dn。为确保定向穿越成功，五级预扩孔分别扩孔至φ550、φ750、φ950、φ1050、φ1250；最后采用5号钻杆+φ1200筒式挤扩器+5号钻杆分三次进行清孔，扩孔过程中按照既定方案要求调整泥浆排放量，控制拖拉速度，按照方案扩孔参数稳步扩孔，地面操作人员时刻注意回拖力、扭矩、泵压力的变化，禁止憋泵、憋钻、强行扩孔。

4.6 管线回拖

导向孔经过数次分级预扩、清孔，孔径满足管线回拖要求时，将检验合格的钢管运送到发送沟槽内。回拖是穿越施工的最后关键一步，回拖作业前应认真检查扩孔器、回拖活节、分动器等之间的连接，确保连接牢固，回拖作业时现场人员保持联系，协调配合将管线运送到预定位置，同时运输泥浆车就位。钢管回拖作业时需连续拖进，避免因停滞而造成回拖不畅。在管道回拖过程中，将钻孔内溢出的泥浆及时装车外运，如图3所示。

图3 钢管回拖示意图

5 结 语

本文结合现场实际情况，从钻机选型、导向钻进、轴线控制、管线回拖等方面对大口径超长螺旋钢管定向穿越施工技术进行介绍。该技术克服了在交通繁忙城市主干道上的交通干扰与狭小地域施工等困难，通过优化施工工序，优选钻具组合，确定与其地层情况相匹配的泥浆参数，保证了导向轨迹控向的精度要求；通过采取防卡管等风险措施，在桥梁桩基之间进行了精准穿越。经对管道截面变形、轴线高程进行检测，地表沉降观测等方面的数据分析结果均满足设计要求，可为今后类似工程的实施提供参考。