非开挖定向钻穿越技术在水利工程中应用关键技术

李光亮 LI Guang-liang；李学敏 LI Xue-min；任晓舟 REN Xiao-zhou

（①广饶县孙子文化旅游区管理中心，东营 257300；②广饶县水利局，东营 257300）

0 引言

水是人类生活生产不可缺少的宝贵资源，水利作为农业的命脉，对推动我国国民经济的发展起到无可替代的作用，同时水利还具有“兴利”和“除害”的功能[1]。水利工程则是通过修建闸、坝、堤和渠道等各类水工建筑物，用于控制和调配自然界的地表水和地下水，实现兴利除害的目的[2]。随着我国经济社会的不断发展和科学技术的不断创新，水利工程建设者把各种先进的施工工艺及技术应用到施工过程中，其中非开挖定向钻穿越技术在水利工程建设中的应用，将水利工程可持续发展推向新的高度[3]。

非开挖定向钻穿越技术是在不进行地表清障的条件下，实现从障碍物的底部穿越[4]。早在1971年，美国便在开始了水平定向钻的研究与尝试，并于1978年奠定了现代水平定向钻技术[5]。目前非开挖定向钻穿越技术在应用过程中主要面对的问题有：

①施工过程中，孔洞的掉块、剥落及坍塌[6-7]；

②施工中存在轨迹线偏差过大的风险、泥浆压力不稳定风险[8]；

③冒浆、水力压裂、地表隆起等多种常见病害[9-10]。

本文在上述背景下，对非开挖定向钻穿越技术的现场准备、技术准备进行了总结，对施工质量的控制要点进行了阐述与分析，并详细描述了非开挖定向钻穿越技术的施工注意事项及应对措施。旨在为推进非开挖定向穿越技术在水利工程中的应用提供参考。

1 施工前期准备分析

施工前期准备包括现场准备及技术准备。

在非开挖定向钻穿越施工前，要做好现场的准备工作，首先，在穿越施工前，要对拟施工路径位置的地面构筑物进行调查，对地质情况进行勘察，为施工方案的确定提供准确的地质资料；其次，在穿越施工前，要探明施工区域内现有地下管道、电线电缆、障碍物等情况，明确实际分布情况，为施工提供详细、真实、准确的资料，以便确定管道穿越路径；最后，在穿越施工前，要根据实地勘察确定的管道走向、施工开挖工作面和堆土堆料场地等，做好三通工作。

技术准备方面，一是对照施工图纸，根据施工现场的地形地貌，详细了解工程的基本全貌，若发现不明白的问题，及时向设计单位提出答疑，同时根据现场勘察的地质及地形地貌资料，再结合施工的具体要求，及时采取有针对性的应对措施，进一步调整优化施工方案，最大限度的确保非开挖穿越施工的准确性和稳定性；二是及时审核图纸工程量，以及所用材料的种类和数量，提前做好物资计划；三是按照设计坐标和总平面图展开控制网的布设测量，科学合理的设置控制点，建立起准确的控制网，便于对非开挖穿越施工进行测量。

2 施工质量控制要点分析

测量放线、泥浆配置、导向孔钻进、扩孔施工、管道回拖等对施工质量起着至关重要的作用，具体分析如下：

2.1 测量放线

在施工前，要根据设计交底、施工图及施工方案等，充分利用现代高科技测绘仪器，准确定位出入土点位，精确确定施工穿越轴线，确保穿越轨迹与设计曲线不偏移，同时根据施工需要，及时确定施工控制测量点位。在此基础上，要根据现场测量确定的出入点位，及时测量确定施工设备、泥浆池、管线预制、组装焊接等场地位置，为工程施工奠定坚实的基础。

2.2 泥浆配制

泥浆的配制在非开挖定向钻穿越的实施过程中起着决定性作用，是顺利实施的保证。因此，在穿越施工过程中，要严格按照泥浆工艺要求及地质情况确定配制方案，针对不同的地质层配制符合施工要求的泥浆。泥浆配置工艺如图1所示。一般泥浆的标准比重在1.02-1.05g/cm3之间，含沙量≤1%，pH值在7.0-10.0之间，失水率<15%，泥浆在配制前，要对施工用水进行化验，得出水的pH值，以便确定添加剂的用量。目前通常做法是采用膨润土、纤维素、SD-3等添加剂，同时在施工用水中加入纯碱，将水的pH值调整到9.0左右，以便加速粘土颗粒分散。

图1 泥浆配置工艺

在非开挖定向钻穿越施工过程中，泥浆配比不是固定不变的，要利用马式漏斗每隔两小时测试一次，查看泥浆是否满足规范要求，若不满足要求要及时调整泥浆配比，同时也要根据地层及工艺状况随时调整泥浆配比，确保泥浆配比符合规范要求。

2.3 导向孔钻进

在开钻前，要根据地质资料、施工长度、管径及现场相应情况，对施工现场的地质构造、岩土层的性质、地层结构特征及其空间分布情况进行认真仔细研究，做好管道穿越地层的工程地质评价，确定控向方案，同时也要根据分析情况，制定相应的施工预案。由于导向孔的钻进是整个穿越顺利实施的关键因素，必须严格按照施工规范要求，保证每根钻杆在钻进施工过程中曲率半径均满足设计要求，确保每根钻杆的倾角和方位角的变化值均满足规范规定的钻杆折角要求，把全角变化率的控制作为重中之重，减少每次测量之间的间隔距离，在遇到地层软硬变化或者砂层时，要把参数测量之间的距离严格控制在2m之内，尽量减少控向数据采集的误差，防止钻进曲线与设计曲线的偏移，确保达到出土准确，成孔良好。钻导向孔施工工艺如图2所示。

图2 钻导向孔施工示意图

2.4 扩孔施工

在导向孔钻进完成后，要根据扩孔钻进的地质状况、钻机能力、钻杆规格及扩孔器的类型等，选择适合本次工程施工的扩孔器及时进行扩孔施工。如果终孔直径较大或者设备能力有限时，要采取多次扩孔的方式，逐步将钻孔直径扩至设计要求。在扩孔施工过程中，按照设计和规范要求，将泥浆的排量适当加大，严格控制回拖速度，按照设计要求平稳扩孔，在此过程中，要严格控制泵压、扭矩及回拖力，防止出现憋泵、憋钻、强行回扩等现象，以免影响扩孔质量。扩孔完成后，要先分析成孔情况，必要时再进行清孔。在扩孔和清孔时，要保持足够的排量，配备合适排量的泥浆泵，保证泥浆流速。在施工过程中，可根据实际穿越地层情况及时调整扩孔级数及清孔次数，同时根据土层地质实际情况可加大扩孔级差。

2.5 管道回拖

在扩孔施工完成后，要尽快实施回拖施工，尽量减少扩孔施工完成与回拖施工间的间隔时间，降低施工风险，若停工间隔时间超过12小时，在回拖施工前，要重新进行一次通孔，避免在回拖过程中出现回拖困难的现象。

在回拖施工时，为确保回拖施工的顺利进行，可采取以下几种方式：

①根据施工实际情况，可将洞口沿轴线方向前开挖20-30m管道引沟（或适应托管长度的发送沟），以达到降低支撑高度，管道入洞容易的目的。

②尽量使用与终孔成孔施工时相同的钻具结构，在回拖时更利于沿原成孔轨迹前进，同时在旋转接头和工作管之间加“U”型环进行连接，可有效避免钻具与管道间的硬连接，减少摩擦力。

③根据施工实际情况，为进一步提高泥浆的悬浮和固孔能力，可适当增加聚合物含量；为进一步提高泥浆的携带能力，降低粘滞力，使泥浆在较高的粘度下保持良好的流动性，可加入泥浆流变剂；为进一步可减小摩阻，可加入润滑剂；为进一步保证成孔的堵漏效果，可加入单项压力封闭剂，既可以在孔壁周围形成致密的保护膜，又可以对上部砂层起到良好的封闭作用。

④在管道自重不能全部抵消泥浆浮力时，可采用在管道内增加其他介质的方式，增加管道重力，以来达到消除不平衡浮力的目的，使管道处于更为理想的状态，减少管道与孔壁之间的接触和摩擦。管线回拖施工工艺如图3所示。

图3 管线回拖施工示意图

3 施工注意事项及应对措施

钻进卡钻、钻孔塌方、冒泥浆则为施工过程中需格外注意的事项，其应对措施如下：

3.1 钻进卡钻

在非开挖定向钻穿越施工过程中，若出现卡钻现象，首先通过调整泥浆配比，使用大排量泥浆泵，及时将钻杆撤出卡钻区；其次要及时查出卡钻原因，通过调整泥浆配比，增加泥浆切力与粘度，同时使用扭矩大、推力大的钻机及与之相匹配的钻头，进行导向孔的钻进。

3.2 钻孔塌方

由于非开挖定向钻穿越施工都处于地表以下（一般位于地表层以下3m～20m），地质松软，钻孔容易塌方，形成钻孔较难，要求我们在施工过程中，严格按照地质情况进行泥浆配制。泥浆作为非开挖定向钻穿越施工的冲洗液，要严格按照比例，将优质的膨润土及添加剂经过系统搅拌成泥浆，然后注入洞内，既要起到润滑钻具、稳定孔壁、降低回转扭矩、回拉力，又要减小拖管时管道和洞壁的摩擦系数，同时还要在固孔、护管等方面起到一定的作用。

在穿越回拖施工时，如果出现回拖力增加至超过预计最大安全拉力的情况时，可断定为管道在孔洞中遭遇孔壁坍塌，导致抱管现象。遇到这种情况时，可立即在管尾安装动滑轮组，实施向后回拖一定距离，同时加大泥浆排量，当回拖力明显下降时，可待管道解卡后，再进行钻机回拖。若回拖仍然无法继续进行，则穿越孔洞内坍塌现象可能比较严重，管道无法继续回拖。针对此现象，可立即在管尾安装夯管锤进行锤击，使管道受到夯管锤的振击后，摆脱穿越孔洞对其的束缚，从而回拖作业得以继续进行。夯管锤仍无法回拖时，将滑轮机组与回拖管道的尾部连接，将管道及时从孔洞中拽出，避免管道存留在孔洞内时间过长而导致更大的解卡阻力。

出现上述情况后，要及时安排泥浆应急小组，对穿越施工沿线泥浆情况进行仔细巡查，若发现泥浆冒点，及时通知技术人员，采取相应措施控制冒点，待控制冒点并调整施工方案后，重新进行回拖施工。

3.3 冒泥浆现象

在非开挖定向钻穿越施工过程中，要根据现场地质情况，严格控制泥浆压力，避免施工中出现冒浆现象。若施工过程中出现冒浆现象，为防止出现大规模冒浆现象，可根据地质情况添加必要的泥浆药品；若施工过程中出现冒浆严重的现象，可采取一边起钻一边小排量注浆，这样既可以保证孔壁的完好，又可以通过起钻使孔壁更加通畅，同时保证孔内向外返浆良好，降低孔内压力，达到防止冒浆的效果。使用较大直径钻头，增大环形空间，同时每钻进一根将再回拉旋转洗孔一次，使孔内泥浆比较畅通，以防止冒浆。

4 非开挖定向钻穿越技术意义分析

总结非开挖定向钻穿越技术的意义，主要集中于降低成本、保护环境及缩短工期等方面。

在目前市场经济条件下，通过非开挖定向钻穿越施工在水利工程建设中的实施，最大限度的降低了施工成本。由于穿越施工前期不需要进行大规模的地面开挖，从而地面附加费不再产生，如拆迁安置费、补偿费等，后期回填、植被恢复及相应设施维修等方面相应的费用也不再产生，有效地降低了施工成本。

采用传统的施工方式，需对地面进行明开挖，同时根据实际情况，对可能影响工程建设的设施要进行拆迁或对原有交通道路阻断新修便道等不得已措施，这样在实施过程中就会产生大量粉尘和噪音等，进而造成污染，但穿越施工技术的运用，有效避免了以上问题的发生，有利于环境保护。

非开挖定向钻穿越施工不再采用传统的“开膛破肚”的施工方式，而是采用机械化、自动化工具进行施工，这样既节省了劳动力，又进一步提高了工作效率，大大缩短了施工时间。

5 结语

本文对非开挖定向钻穿越技术的现场准备、技术准备进行了总结，对施工质量的控制要点进行了阐述与分析，并详细描述了非开挖定向钻穿越技术的施工注意事项及应对措施。在施工过程中的测量放线、泥浆配置、导向孔钻进、扩孔施工、管道回拖等对施工质量起着至关重要的作用；而钻进卡钻、钻孔塌方、冒泥浆则为施工过程中经常出现的病害；非开挖定向钻穿越技术在有效降低成本、环境保护、缩短工期等方面有着显著的意义。