湿陷性黄土地区跨既有道路非开挖水平定向钻施工技术研究

文 / 王赓

引言

水平定向钻进技术于1988年从国外引进，经过多年发展，国内水平定向钻技术得到了长足的发展，在各类管道施工中均有应用，成为我国新兴的产业。该工艺具有在施工中不破坏原有道路、管线较深时成本较低的特性，因而在市政管网建设中也占有很重要席位。但是，水平定向钻完全是在地下隐性施工，导向强度难以量化，而本项目由于既有线路的限制，对顶线钻进技术的精度要求很高，同时该地区地质情况为微湿陷性黄土，极易发生诸如孔壁土体的分散、垮塌、流失、崩落、变形、缩颈、超径等问题，因而为了安全、快速地完成该完成电缆铺设，二七区紫云路等21条道路工程项目对导向强度分析和钻进液的选取进行分析研究，确定湿陷性黄土地区水平定向钻施工工艺，有借鉴意义。

一、工程概况

河南省郑州市二七区贺江路起点与南溪路相交，终点接现状京广南路，全长520.07米。新建贺江路与已建京广路新增T型交叉口，增设的交通信号灯及监控设施悬挂于京广快速路高架桥护栏下，由于前期京广路实施过程中未预留电力及信号过街，新建时需将电力及信号电缆从贺江路延伸并下穿京广南路辅道后随桥墩进行上桥。由于京广南路为近几年新建的城市快速路，相关产权单位禁止破路埋设电缆，故采用非开挖水平定向钻进施工技术。

二、定向钻施工技术

（一）水平定向钻设备

水平定向钻主要包括地下定位系统、水平钻进设备和泥浆系统。

1.地下定位系统包括接收器、遥显仪、信号棒三部分，信号棒位于钻头内，向接收器提供自身位置信号。在施工时，操作手手持接收器在钻进线路上方追踪钻孔信号，接受到的信号在遥显仪上显示，司钻手通过显示信息判断钻头位置，调整钻头状态。

2.泥浆系统包括泥浆搅拌系统和灌注系统，泥浆搅拌系统主要是进行钻进液的的配置，灌注系统将钻进液通过钻机进行加压灌注至孔内，达到冷却钻头、稳定孔壁、清除钻渣、减少拉管时的阻力等作用。泥浆循环系统可对泥浆池中泥浆进行回收处理，达到节约材料、降低成本的目的，施工完成后剩余泥浆自然晒干后拉至弃土场弃置。

（二）现场勘查

现场调查的主要内容包括以下内容

1.首先进行地质勘探，地勘报告是选择钻机、钻具组合及钻进液配合比的依据，同时也是工程造价的直接影响因素。

2.与建设单位、各管线产权单位联系，结合现场工作井查看、管线探测仪探测等不同方式，对地下管网进行勘察，探明准确位置，利用BIM技术进行三维建模，作为轨迹设计的依据。管网布置状况是影响钻孔轨迹的主要因素，探测不全极易造成地下管线挖断，导致严重社会影响。

3.对回拖管线进行检测，确定其弯曲半径。

4.选择开孔和终孔位置，钻机及泥浆系统需要一定施工作业面，而终孔位置相对较小。开孔位置注意尽量从高到低，避免泥浆外流。

（三）轨迹设计

1.确定入土点和出土点位置。在开槽施工路段与定向钻施工共用井选择时，需先根据定向钻施工工艺需求确定，避免长度不足导致穿越轨迹无法设计。

2.确定造斜点。轨迹包括起终点的两个直线段和中间的曲线段，造斜点就是其转折点。该位置宜选择在较硬土层，两段直线是最容易精确控制的，也是穿越已有管线最关键步骤。

3.确定轨迹参数。轨迹参数包括入土角、出土角、过渡段曲率半径、管道深度，过路管为钢管，入土角8°～18°，出土角4°～12°，曲率半径大于1500D，与路面净距不小于1.5m。轨迹设定必须考虑已有管线，在已有管线上方穿越时垂直净距大于0.6m，下方穿越时垂直净距根据地质情况分别大于扩孔直径的1倍（黏土层）、1.5倍（粉土层）、2倍（砂土层）。

（四）钻进液配置

1.减少失水量

选用优质粘土，优质粘土中的粘土颗粒可以吸附较厚的水化膜，减少钻进液中的自由水含量，从而达到减少失水的效果。常见的粘土矿物主要有高岭石、伊利石、蒙脱石和海泡石，其中蒙脱石亲水性最大。

2.增加粘度

为增加泥浆粘度，在粘土中添加纯碱。纯碱在水中易于电离和水解，可有效改善粘土的水化分散能力。粘土粒子本身带负电荷，在粘土粒子形成的胶团中吸引大量离子半径小的H+后，中和了大部分负电荷，导致相邻同号电荷之间排斥力减小，使得胶团之间易于吸附从而增加粘聚性。

3.增加添加剂

添加降失水剂，钠羧甲基纤维素（Na-CMC）可增加水化膜厚度，增大渗透阻力，起井壁网架隔膜作用。

添加防塌剂，磺化沥青能增加护壁的润滑性，堵塞护壁中的空隙，增加护壁上固体颗粒间的粘结力。同时磺化沥青的分子中的亲水基附着于钻头与泥土表面，形成一层坚固的化学膜，从而使钻头与粘土之间的摩擦发生在亲油基之间，降低了摩擦力，同时可防止吸附性卡钻。

按照膨润土：纯碱：Na-CMC：磺化沥青=1:0.04:0.06:0.06配置钻进液，黏度75s，滤失量4.5ml，PH10，动切力＞15Pa，符合施工要求。

4.计算用量

钻机内设系统已确定泥浆泵流量档数，在钻孔时由于钻头钻杆均为小直径，泥浆泵采用小档控制，回拖时孔径较大，采用大流量控制。泥浆总量用Q=KD2*104/13计算，其中Q为需要的泥浆总量，D为最终成孔孔径，K为系数，在坚硬无断层地区取2，砂砾石地区取5。

（五）导向施工

钻杆以设计坡度入土，同时注入泥浆以满足钻头降温及保护孔壁的需要。在定位系统的引导下，由钻机驱动带信号棒的钻杆按照设计轨迹钻孔，并不断纠偏。实施过程中发现轨迹走偏时需立即停止钻进，调整钻头板的倾斜方向，只施加推力不进行旋转，直至方向正确后继续正常钻进。信号影响是在导向施工中最容易遇到的情况，光纤、有限电视及同频信号等干扰源均会影响检测的准确性，甚至失去钻头中传感器信号，影响施工的正常进行。除了在现场调查阶段和BIM进行3D建模阶段进行仔细分析，轨迹设计时尽可能避开外，还要在施工阶段采取铅板隔断、调整频率等措施，必要时沿穿越路径在设计出土点布人工磁场，结合控向软件反馈的磁场数据，检测探头反馈数据是否准确，及时进行调整，保证施工的正常进行。

（六）回扩钻进

导向施工完成后，进行回扩拖管。根据铺管需要断面的不同，换不同直径的扩孔器，一次或多次实施达到设计要求，最后一次回扩时回扩头与铺管相连，拖管完成管线铺设。扩孔器有20cm、30cm、40cm等多种规格，扩孔过程要逐级替换钻头，不得跨级别使用。

回扩时需取下传感器，换成锥形扩孔器，扩孔器直径采用1.2～1.5倍回拖管道外包直径。过大会增加施工成本，且容易造成塌孔；过小则增加拉管难度，易发生抱管事故。扩孔结束需进行清孔，否则残留泥土将极大增加管道回拖过程中的阻力。

回扩过程中需控制钻孔速度。不宜忽快忽慢甚至停钻，尤其在软硬交界的底层位置，极容易导致孔道变形，因故停钻时要定时活动井下钻具。

（七）管道回拖

扩孔完成后做好拖管的准备工作，仔细检查旋转接头、连接头、扩孔器的连接，确定连接牢固后进行最后一次清孔，此工序是为了清除扩孔时搅碎的孔内废土，形成圆顺光滑的拖管通道，清孔和拖管之间间隔尽量小，大于24H时需要再次清孔。

在出土口一侧将管道通过万向节与扩孔器相连，铺设的管线根据预定拉管长度分段焊接至足够长度，可以一次焊接完成也可分段边拉边焊，钻孔器回拉钻头将预埋管线拖入孔内，PE管由于具有良好的抗压、抗拉性能和足够的挠度，是良好的回拖管材。管道回拖前，应使用电火花检漏仪全面检测防腐层的完整性，如有损伤及时进行处理。管道就位时要避免与钻机碰撞，同时两侧管口必须做好封口，避免外部泥浆流入管内，从而增加管道清洗工作，造成不必要的成本增加。

（八）剩余泥浆处理

根据施工经验，导向施工有30%的泥浆剩余，扩孔有70%的泥浆剩余，管线回拖有40%泥浆剩余，总剩余泥浆为三者总和。在入口和出口均需配置一套泥浆回收设备，将剩余泥浆通过泥浆泵、钻杆回收到泥浆罐中，通过沉淀后弃置于指定弃土点。

三、结论

定向钻施工是一项风险性极大的施工方法，地质资料不准、泥浆配比不合适、控制参数不当等较多因素都会导致出现卡钻、塌孔、出土点偏差大、管线无法回拖等情况，这就要求在施工前仔细认真的做好前期准备工作，泥浆配置时选择合理的粘土种类和适当的添加剂，才能保证施工过程中一气呵成。但是水平定向钻施工技术与明槽开挖施工管线的方法相比，其不影响交通、不破坏环境、施工周期短、综合施工成本低、社会效益显著的优点，必将在未来施工中发挥更大的作用。