定向钻技术在引洮二期配套静宁县城供水管线工程中的应用

柳尔伟

(甘肃省水利水电工程局有限责任公司， 甘肃 兰州 730000)

定向钻施工进度快，适合黄土区地质，可完全避免明挖施工存在的征地协调难、施工开展难、安全防护难、完工恢复难等问题，达到加快施工进度、节约工程投资的目的。以引洮二期配套静宁县城供水管线工程为例，介绍采用定向钻技术施工需考虑的钻机选型、轨迹设计、泥浆配置、扩孔及清孔施工、回拖管材等内容，为定向钻技术在供水管线工程施工中的应用提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程内容

引洮供水二期配套静宁县城乡供水县城工程为甘肃省引洮供水二期配套工程的一部分，主要建设内容是新建1座196万m3调蓄水池，1座加压泵站和调蓄水池至水厂的1.6 km输水管线，以对接县城供水管网，承担引洮二期停水检修期静宁县城生活和工业用水任务。

1.2 管道路线与用材

静宁县城供水管线从新建调蓄水池旁加压泵站出水口开始，最终至G312国道与静宁县输水骨干工程管道相连结束。管线途经烽台山景区，上山段至烽台山龙马园北地面高程1 725 m平台处折向正南方。后至龙马园东部1 740 m高点，折向西南下山坡至G312国道，接入骨干工程管线，全长约1.6 km。管道采用DN450涂塑复合钢管，管材采用Q355C级钢板。

1.3 工程地质

项目位于黄土高原区，管线经过的烽台山主要为上更新统中期风积物(Q32eol)，岩性为土质均匀的低液限黏(粉)土，浅黄色，结构松散，垂直节理发育，为黄土，厚度最小位置约15 m，厚度最大位置约35 m，该工程管线施工均处于该地层中。该段地质主要存在管基土湿陷性、开挖边坡稳定等问题。

1.4 方案比选

管线0+814.73-1+029.32段为烽台山上山段，地面高程从1 672.99 m提升至1 730.64 m，该段线路较陡、林木茂盛。管线1+218.53-1+560.09段为烽台山下山段，目前线路途经多座建筑物，左侧坟墓较多，右侧为林木和坟墓。下山段有一条混凝土路面道路，路面宽3.5 m，路两侧种植有侧柏，树龄20年左右。经调查路权不明确，该路也是附近村民通行的唯一通道。如采用明挖方式施工，占地面积大、施工难度大、协调难度大、林木砍伐手续繁琐且周期长，施工后恢复难度大，成本高投资大。如线路调整也存在坟墓迁移及赔偿问题。将管线明挖埋入现有道路下可行性也不高，以上方案均征地阶段耗时过长，影响施工进度，增加施工成本。

针对以上问题，通过现场查勘，决定不再采取明挖铺设施工方式，工程区现场情况与地质情况适合定向钻施工，因此适宜采用定向钻施工方案。

2 施工要点

2.1 钻机选型

钻机的旋转扭矩和回拖力是主要性能参数，也是设计中根据工程规模大小衡量钻机穿越能力的主要依据。钻机选型应计算理论回拖力，计算公式为

w=[2p(1+ka)+p0]fL

公式中：p为土对管道每米的压力，单位为kN/m；ka=0.3，为主动土压力系数；p0为管道每米重量，单位为kN/m；f为钻孔壁与管材壁的摩擦系数，取值范围为0.2～0.6；L为管道长度，单位为m。

公式中土对管道每米的压力p与工程地质有关，也与导向孔的曲率有关。一般情况下，土的粘聚力大，对管道的压力就小，如粘性土，则p按照铺设管线直径0.5～1.0倍高度的土质量计算。土的粘聚力小，对管道的压力就大，如砂土，则p按照铺设管线直径1.0～2.0倍高度的土质量计算。下山段管道线路长，所需回拖力大，因此按照下山段计算理论所需回拖力=[2×0.6×(1+0.3)+0.92]×0.25×350=217 kN。设备回拖力为计算回拖力的1.5～3.0倍，此系数为预留安全余量，根据现场地质情况，如成孔条件好可取小值，反之取大值。因此本工程钻机理论所需回拖力为1.5×217=325.5 kN。然后按照选型原则确定一定拉力范围的钻机，将钻机输出扭矩、钻杆的参数、配套泥浆泵量等关键参数进行横向对比，选择最适合施工现场条件的钻机。同时，兼顾发动机的稳定性和持续输出功率。

按照理论计算和表1所示的钻机性能要求对应关系，再结合现场施工实际情况，应选择性能级别为3级的钻机，即回拖力为320 kN、扭矩(40 r/min)为18 kN·m的钻机。再综合考虑稳定性、性价比及售后服务等因素，该工程现场选取的机械为谷登GD380A～L型钻机。

表1 钻机性能要求对应关系

2.2 轨迹设计及钻导向孔

根据工程特性，于烽台山山顶选择一处空地作为工作平台，将钻机停放至山顶工作平台，分别向两侧山脚处钻进。两侧山脚处各选择一处空地开挖接收坑。按照《水平定向钻法管道穿越工程技术规程》(CECS382：2014)中规定，钢管的入土角取8°～18°，出土角取4°～12°，曲率半径大于1 500D1(D1为钢管外径)即700 m。钢管最小埋深不小于2 m。导向孔钻进时，随时读取手持式导向仪的引导数据，如钻头倾角，钻头深度及工作角等数据。现场技术人员及时记录，将数据录入计算机记录表中，根据数据绘制现场实际钻进曲线，通过与设计曲线对比，及时纠偏。

2.3 泥浆配置

合理配制泥浆，可以减少钻进和回拖过程中的阻力。按设计及规范要求用膨润土配置泥浆，本工程泥浆的主要性能参数为：马式漏斗黏度为35～50 s(马式漏斗测量，每2 h测量1次)；塑性黏度PV为6～12 mPa·s；表观黏度AV为6～12 mPa·s；滤失量为8～12 mL；pH为9～11；动切力YP为3～6 Pa；静切力G10s/G10min为2～5 Pa/3～8 Pa。

钻孔泥浆用量按照下式计算：

式中,k为比例系数，取值为3；De为终孔直径，单位为m；L为钻孔长度，单位为m。以下山段为例，计算得该工程所需泥浆量=3×3.14×0.62×350/4=297 m3。

2.4 扩孔及清孔施工

当导孔作业完成且符合质量要求时，导向孔钻进至接收坑，拆下导向钻头，连接扩孔器，启动钻机回拉进行扩孔。设计回拉扩孔进行5次，依顺序为d250 mm、d350 mm、d450 mm、d550 mm、d650 mm扩孔器回拉扩孔，扩孔时须速度均匀，给进匀速回拉。同时注水机连续注适量水，通过钻具搅拌孔内泥土造泥浆，泥浆护壁，防止钻孔坍塌，保证土体对管壁无损坏。在地层土质较软时应快速给进回扩，在地层土质较硬时匀速缓慢进行。为清理出扩孔时留在孔内的碎土块、土渣，在回扩钻孔时，拉杆装配在钻头尾部，在工作坑卸下扩孔回扩钻头，拉杆一端换装拉泥盘，进行拉泥成孔工作。拉泥时，第一次使用环形盘，逐次来回拖拉阻力逐次减小，之后在拉泥盘上加装横挡，再次入孔拉泥，逐次加封横挡，直至拉泥盘全封闭，并能轻松顺利拉出为止。这样就形成了光滑圆顺的成孔敷管通道。

2.5 回拖管材

利用地形优势，管道焊接平台位于烽台山山顶，钻机移动至山脚工作区。两侧管线均由山顶向山脚托管以降低托管难度。托管开始前，先进行钢管焊缝和管道强度检验，合格后在焊缝接头处进行防腐处理，即可进入拉管施工。首先用现场制作的“管封套”将管头密封，然后在管头后端接上回扩头，管后接上分动器进行接管，将管子回接到工作坑后，卸下回扩头、分动器、取出剩余钻杆，堵上封堵头。施工时，拉管机操作人员根据设备数据均匀平稳地牵引管道，不可生拉硬拽。回拖时，应不间断进行，最大中断时间不超过4 h，否则泥浆会对管道形成握裹力或造成孔道坍塌。回拖持续时间长，施工时提前做好准备，规划好回拖时间，如不可避免进行夜间施工应提前做好夜间施工准备及倒班人员。回拖完成后应对管道两头进行封堵，防止异物、动物进入管道。

3 小结

定向钻技术是在不开挖地面的条件下，铺设多种地下管道的施工新技术，与传统开挖施工相比具有施工速度快、精度高、成本低等优点，被广泛应用于供水、电力、天然气、石油等管线铺设工程。该技术在引洮二期配套静宁县城供水管线工程中的应用，有效解决了管线铺设路段林木茂盛、建筑物多、坟墓迁移难度大等问题，确保了工程建设的顺利进行。