水平定向钻穿越施工风险识别及应对措施

2021-11-26宋聪韩毅刘佳林

魅力中国 2021年17期

宋聪韩毅刘佳林

（中国石油管道局工程有限工地第四分公司，河北廊坊 065000）

引言

高新技术的快速发展推动我国各行业发展迅速，先进技术的融入为我国注入新的发展动力。水平定向钻穿越施工，是在于查明隧道所处位置的工程地质条件和水文地质条件以及隧道施工和运营对环境保护的影响。为规划、设计、施工提供所需的勘察资料，并对存在的岩土工程问题、环境问题进行分析评价提出合理的设计方案和施工措施，从而使隧道工程的实施经济合理和安全可靠。

一、主要风险因素识别

（一）定向钻进阶段风险因素辨识，定向钻进是水平定向钻穿越施工的模拟曲线绘制完成后的第一个关键工作。按照施工图设计路线，在控向仪指引下按照拟定的设计路线钻进施工，其穿越尽量控制在设计参数允许的误差范围之内，主要控制参数有出入土角、曲率半径、深度等。根据定向钻进阶段施工所蕴藏的安全风险，绘制相应的风险识别图。

（二）扩孔阶段风险因素辨识，扩孔是钻机系统水平定向钻穿越施工的重要节点，也是检验泥浆配比是否合理、钻机选型是否匹配、扩孔频次是否科学的重要环节。在确保成型完好的前提下，预扩孔不允许出现塌方和缩径现象。在扩孔作业过程中，泥浆配比准确性是保障孔壁稳定性和光滑度重要因素，其有利于成孔质量。

二、水平定向钻穿越施工风险识别应对措施

（一）超高精度

水平定向钻技术用于隧道地质勘察可沿着隧道设计轴线对围岩信息进行精确的划分，水平定向钻用于隧道地质勘察的精确性可分为两部分内容：1.钻进过程中导向控向的精度控制；2.对隧道围岩地质勘察的准确性。

（二）技术要点

1.注浆管处理，选择合适的PE 注浆管尺寸。注浆管外径应小于套管与孔位设计直径差的1/2，为浆液的流动预留空间，避免管件回拖过程中强烈扰动孔壁。但注浆管不宜过细，否则会影响注浆效率。在注浆管前端贯穿两排直径10mm 的小孔，利用钢丝绳、铁丝以及U 型镀锌钢卡扣将注浆管固定在定向钻钻头的扣件上。2.注浆管缠绕，由于定向钻单根拉管长度有限，需要进行人工卸管，因此管件在洞内为间歇式前进。但间歇时间不宜过长，以免泥浆护壁失效，管道内部发生坍塌。钻头转速宜取低值且保持稳定，较低的转速对泥壁的扰动更小，有利于维持孔壁的稳定。在定向钻回拖管件的过程中，于孔位入口处和与之相隔一定距离的位置处各安排一名工人，辅助注浆管的均匀缠绕。3.浆液制备，利用水泥搅拌机现场制备水泥浆。根据设计地基承载力要求，进行浆液制备。由于双浆液（水泥浆和水玻璃）成本较高，普遍采用纯水泥浆作为浆体。对于纯水泥浆，随着水灰比的增大，其黏度、结石率和抗压强度会显著降低，而初凝时间和终凝时间会延长，因此需要确定合适的水灰比。

（三）注水的注意事项

静态注水平衡技术和动态平衡技术在管段回拖作业中，都可以有效地平衡管段的浮力。但在应用动态注水平衡技术时，注水时间与注水流量的控制是关键。1.注水时间和流量控制，注水时间的控制。注水时间应选择在管段已进入水平段后，不能过早注入。过早注入后，管段前端自重大，垂直向下的分力大，造成下扎的现象，会破坏管段入土侧的井孔，使管段入孔口坍塌，形成卡管和由于泥浆返流通道堵死造成憋压。注水流量的控制。根据孔段情况计算并控制好注水量，量过小时无法控制管段的浮力，过大会导致管段下沉使管段与孔底产生摩擦，由于孔底有大量的钻屑淤积，也有可能形成砂桥，致使卡管。为了精确控制注水量，管段上要标记长度，每段长度与相应的注水量要记录在表格上，以便于在回拖过程中根据表格中的数据调整回拖速度和控制注水量。2.注水时其他注意事项，注水时要注意将水注在管段入土一侧，在发送道和辊道的管段不能有水，否则影响管段的发送或将发送辊道损坏。静态注水平衡技术特别是小管注水方式可以精确控制浮力，在难度较大的工程上可以预先安排，以保证回拖的成功率。动态注水平衡技术不仅可以作为一项技术措施，而且可以用于处理工程事故，当回拖管段发生卡管时，可及时注水解卡。工程实践表明，动态注水平衡技术是一个较为有效可行的方法，但应注意注水时机。在扩孔完成后，如果地质情况不理想，可采取较短的一段管段进行模拟回拖，借以对孔道进一步整形，待模拟管段顺利回拖后，可进入正式的回拖作业。

（四）施工阶段风险控制

1.破坏应力与防腐检验。施工人员应严格按照设计文件和已批准的施工方案进行作业。防腐前需要对管道进行双100%的射线和超声检查，防腐后需要进行电火花检漏。2.出入土点定位。出入点选择期间，人们要根据管道穿越的长度、设计的入土角、出土角、模拟曲率半径以及管材的管径，选择合适的定位点，其间需要对照设计文件，在满足误差范围的情况下，由有经验的施工人员对钻机进行校准，然后进行实施。定向钻出土点位置需要形成出土角度坡向，采用袋装湿土，随地形变化而适当调整土坡，以增加土坡承载力和调整导向角的作用。3.机械设备风险控制。在机械设备入场前，关键设备需要做到一机一卡一备案，合格证明文件齐全，使用说明书、维护保养手册完整，维修记录、年鉴标识均在有效期内。4.避免成孔时出现S 形缺陷。在作业过程中，要严格按照审批通过的施工方案进行，除了对施工钻杆控向角度进行严格控制，还要及时调整钻头规格，一旦施工过程偏离原设计曲线，就要及时报告技术人员按照应急预案进行调整。5.管线回拖。管线回拖过程中，要根据机械设备显示回拖力的大小控制好回拖的速度，根据批准的施工方案监控好泥浆配比。

（五）水平定向钻地质勘察

1.建立水平定向钻钻进参数与钻孔围岩的关联性，并结合岩芯的室内物理实验和牙轮钻头的破岩机理对隧道围岩的强度变化进行分析，为TBM 掘进提供真实可靠的数据支撑。2.将传统地勘取芯技术与水平定向钻相结合，实现间断取芯，并对岩芯进行抗压强度等基本物理测试，详细分析隧道沿线岩性的基本物理特性，为隧道围岩分级提供精确的岩性参数。3.采用综合测井技术中的声波、自然伽马、电阻率等对水平勘察孔内围岩岩性变化进行划分，对孔内围岩温度、密度、渗透性和裂隙发育程度等进行评价。4.采用孔内3D 电视对水平定向钻勘察孔进行视频检测，可直观对水平孔内围岩岩性变化、裂隙发育、以及破碎带分布进行精确检测，并可对综合测井检测结果的准确性进行校核。5.对水平定向钻勘察孔孔内涌水量的大小进行日常测量计算，并利用计算结果分析隧道富水段落具体位置，进而对隧道施工涌水量大小进行分段预测。

（六）应急管理

定向钻回拖作业的成败直接决定着整个定向钻工程的成败，在管道回拖前或在管道回拖过程中，孔洞、设备的状况不好（如孔壁坍塌、缩孔时）会出现回拖力不足、卡钻现象，尤其是在大口径管道的回拖过程中，更容易出现卡钻情况，因此必须在回拖前做好管道卡钻的应急措施准备（落实并准备推管机、夯管机、换轮组）。施工应单位认真分析定向钻回拖风险，及时制定并落实应急措施，一旦发生紧急情况能及时采取措施，避免延误抢救时机。如遇到卡钻时，首先与对岸取得联系后再进行解卡作业，解卡时首先在不旋转的情况下用钻机助力进行点动，在推之前要求对岸人员仔细观察钻杆位置，确定两边的钻杆是否同步运动，如入土点钻杆推动超过安全范围而出土点钻杆无反应时应立即停止点动，把钻杆拉回到原来位置，防止钻杆在孔内发生扭曲折断。