水平定向鉆進(jìn)技術(shù)在城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖膽?yīng)用

摘 要

摘要：結(jié)合工程實(shí)例，介紹水平定向鉆進(jìn)技術(shù)的施工工藝和在城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿?PE管)工程中的應(yīng)用，探討了施工的技術(shù)措施。關(guān)鍵詞：水平定向鉆進(jìn)；PE管；燃?xì)夤艿来┰紸pplication of Horizonta
摘要：結(jié)合工程實(shí)例，介紹水平定向鉆進(jìn)技術(shù)的施工工藝和在城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿?PE管)工程中的應(yīng)用，探討了施工的技術(shù)措施。
關(guān)鍵詞：水平定向鉆進(jìn)；PE管；燃?xì)夤艿来┰?/span>
Application of Horizontal Directional Drilling Technology to City Gas Pipeline Project
SU Qi
Abstract：Combined with an engineering example，the construction process of horizontal directional drilling technology and its application to city gas pipeline(PE pipe)project are introduced.and the technical measures of the construction are discussed.
Key words：horizontal directional drilling；PE pipe；gas pipeline crossing
   始于20世紀(jì)70年代的水平定向鉆進(jìn)管道敷設(shè)技術(shù)，綜合了傳統(tǒng)的道路鉆孔、地質(zhì)鉆探和油氣井定向鉆進(jìn)技術(shù)，已成為一種完善的施工方法。它應(yīng)用于穿越河流、水渠、街道、公路、鐵路、海灘、島嶼、建筑群來進(jìn)行燃?xì)?、石油、自來水、污水及其他管道敷設(shè)。
1 工程概況
   本項(xiàng)目為廣西南寧燃?xì)夤艿拦こ?，位于南寧市主干道民族大道與城市內(nèi)河竹排沖的交叉處，為民族大道燃?xì)夤艿拦こ痰难屎聿课?，需要穿越?nèi)河竹排沖。穿越的管道為Ø355mm、SDR11的PE燃?xì)夤艿?，管道水平長度為189m，其中穿越竹排沖河面寬度為81m。施工現(xiàn)場屬于城市主干道，車流量大，施工場地狹小，人行道寬度僅有4m。現(xiàn)場已經(jīng)敷設(shè)的管線有電信、供電、排水、雨水、有線電視等管線。
2 施工設(shè)備
   非開挖導(dǎo)向孔鉆機(jī)：GBS-25型，最大輸出拉力為250kN，回轉(zhuǎn)速度為0～80r/min，動力頭扭矩為12kN·m；
   高壓泥漿泵：BW-250/50型；
   導(dǎo)航儀：TRAK Ⅲ型；
   導(dǎo)向鉆頭：Ø155mm斜拉式高壓噴射鉆頭；
   鉆桿：Ø73mm×3000mm高彈性摩擦鉆桿；
   擠壓式擴(kuò)孔器：Ø110、210、310、410、610mm；
   擼孔鉆頭：Ø650mm；
   泥漿攪拌機(jī)：KLS2000型。
3 導(dǎo)向孔設(shè)計(jì)[1～3]
    竹排沖水平定向鉆工程導(dǎo)向孔軌跡剖面示意圖見圖1(圖中尺寸單位為m)。
    根據(jù)工程地質(zhì)勘探資料，穿越竹排沖處的河道下有少量流沙層，為保證工程順利實(shí)施，需減小河床段導(dǎo)向孔的坡度。具體設(shè)計(jì)原則如下：
    ① 根據(jù)資料，河底有0.5～1.0m厚的淤泥層，且由于該內(nèi)河在2年前城市美化改造的時(shí)候?qū)⒑哟矕|移了43.6m，因此河西側(cè)淤泥較深。以竹排沖橋面處地面作為基準(zhǔn)面，標(biāo)高定為±0.000(本文中的標(biāo)高均以此作為基準(zhǔn)面)，確定水平定向鉆在河西側(cè)為最低點(diǎn)，標(biāo)高控制在-17.000～-18.000m范圍內(nèi)。
 
② 由于河床地層為淤泥質(zhì)粘沙層，鉆孔孔壁承受能力較弱，因此在河下段須以較小的入射角度和較大的彎曲半徑鉆孔，有利于導(dǎo)向孔施工和減小回?cái)U(kuò)孔鋪管的阻力。入射角度控制在0～+5°范圍內(nèi)。
    ③ 由于穿越施工現(xiàn)場為南寧市的主要景觀道路，政府不允許施工作業(yè)時(shí)間過長，因此導(dǎo)向孔在河床段設(shè)計(jì)為接近直線。這就需要在河西側(cè)進(jìn)入河水面以前就使導(dǎo)向鉆頭達(dá)到最低埋深，并保持接近水平狀態(tài)直線向河?xùn)|側(cè)延伸，盡量減少在水面下的施工距離和時(shí)間。
   ④ 根據(jù)GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》[4]中6.3.11條的要求，導(dǎo)向孔設(shè)計(jì)水平長度為189m，其中入口段為45m，河床緩坡段為81m，出口段為63m，最低點(diǎn)為竹排沖西側(cè)，其相對標(biāo)高為-17.600m。這是南寧燃?xì)夤艿拦こ桃淮涡源┰椒笤O(shè)管道最長的工程。
4 導(dǎo)向孔施工
    該工程一次敷設(shè)管道水平長度189m，導(dǎo)向孔施工至關(guān)重要，直接影響到拉管的難易程度和工程的成敗。根據(jù)設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際導(dǎo)向鉆進(jìn)情況及同類地層施工的經(jīng)驗(yàn)，選擇定向控制能力大的導(dǎo)向鉆頭，即斜掌面大的鉆頭，并加大噴嘴口徑，使泥漿在有一定的射流壓力的同時(shí)，又保證有足夠的流量，且使用優(yōu)質(zhì)泥漿，保證定向鉆進(jìn)時(shí)只需要提供較小的頂力。
    ① 導(dǎo)向孔入口段
    在入口工作坑相對標(biāo)高為-1.200m的點(diǎn)4以入射角為-18°開始入射施工，當(dāng)鉆頭在水平方向前進(jìn)9m后開始逐步緩慢增加鉆頭上翹角，并保持與設(shè)計(jì)軌跡一致。當(dāng)?shù)竭_(dá)水平距離為45m的點(diǎn)B時(shí)，相對標(biāo)高為-17.600m，此時(shí)導(dǎo)向鉆頭已處于水平狀態(tài)，入射角為0°，以較圓滑的曲線完成了入口段導(dǎo)向孔。
   ② 過河底的緩坡段
由于河床地層為淤泥質(zhì)粘沙層，施工時(shí)不僅要保持泥漿射流的高壓力和大流量，鉆桿還需要以60～70r/min的轉(zhuǎn)速均勻地給鉆頭輸出頂進(jìn)壓力，并使鉆頭以較小的入射角度狀態(tài)快速前進(jìn)。此時(shí)導(dǎo)航儀在水面木船上，快速跟蹤讀出數(shù)據(jù)，判斷出鉆進(jìn)基本為水平狀態(tài)，入射角控制在0～4°，以3°居多。當(dāng)鉆到河?xùn)|岸邊水平距離到達(dá)126m的點(diǎn)C時(shí)，相對標(biāo)高為-13.100m，向右偏出水平設(shè)計(jì)線的距離為0.23m。完全達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期要求。
    ③ 導(dǎo)向孔施工出口段
    當(dāng)出口段開始施工5m后遇到堅(jiān)硬的巖石層，經(jīng)過咨詢發(fā)現(xiàn)是廢棄的防空洞頂部，現(xiàn)場分析核算后為了避開防空洞，修改施工方案為：鉆頭后退回到點(diǎn)C加大入射角度(控制在13～15°)，繞開舊防空洞頂部以后，再調(diào)整入射角度為8～100繼續(xù)施工；施工采用緩慢頂進(jìn)，并提高泥漿射流壓力和流量配合鉆頭施工，保證施工質(zhì)量。當(dāng)鉆頭水平距離到達(dá)189m的出口工作坑時(shí)，出口點(diǎn)D的入射角度為9.4°，相對標(biāo)高為-1.300m。
5 擴(kuò)孔、擼孔
    導(dǎo)向孔完成后，分4級即Ø210、310、410、610mm進(jìn)行擴(kuò)孔。擴(kuò)孔過程中需要不停補(bǔ)充泥漿以保持泥漿的壓力，保持鉆孔孔徑均勻和孔壁穩(wěn)定，以滿足回拉鋪管的要求。
    在施工中使用孔徑為Ø650mm的擼孔鉆頭，比要拉入的PE管的直徑大，這是因?yàn)樗姐@孔只能把孔打出，部分土壓向孔壁，還有部分土在孔內(nèi)無法排出，不把孔擴(kuò)大，就沒有足夠的空間穿入管道，也會大大增加回拉鋪管的拉力。
6 回拉鋪管
    回拉鋪管是非開挖管道施工的最后一道工序，若操作不當(dāng)容易造成整個工程的報(bào)廢。應(yīng)對所敷設(shè)的燃?xì)夤艿赖目估瓘?qiáng)度及焊口抗拉強(qiáng)度分別進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，要求實(shí)驗(yàn)結(jié)果大于施工過程中理論拉應(yīng)力最大值的2倍。在回拉施工過程中帶上擼孔鉆頭，邊回拉邊回轉(zhuǎn)鉆頭及燃?xì)夤艿溃３咒伖芮胺降你@孔暢通，減少摩擦阻力。為了保證工程順利安全進(jìn)行，需要控制拉管速度以保持適當(dāng)?shù)睦?，鉆機(jī)輸出拉力應(yīng)保持在設(shè)計(jì)最大理論拉力的2/3以下。
7 施工技術(shù)措施
    ① 泥漿在施工中的作用
    在水平定向鉆進(jìn)施工過程中，通常需要用泥漿泵通過鉆桿中心孔(輸漿管)向?qū)蚩變?nèi)注入膨潤土和水的混合泥漿。泥漿的作用如下：冷卻、潤滑鉆頭、軟化地層、輔助破碎地層、調(diào)整鉆進(jìn)方向、穩(wěn)定孔壁、回?cái)U(kuò)和回拉時(shí)潤滑管道、填充導(dǎo)向孔與管道之間的空隙以防止地面塌陷。拖管過程中，由于封閉的管道進(jìn)入導(dǎo)向孔后占據(jù)大量的空間，導(dǎo)向孔內(nèi)的泥漿壓力急劇增加，部分泥漿從進(jìn)出口外泄，大部分的泥漿在壓力作用下向四周土層的縫隙滲透，此時(shí)四周的土層就如同一層又一層的濾網(wǎng)，泥漿中的大部分的水和顆粒較小的膨潤土可以滲透到導(dǎo)向孔外的土層里，泥漿中大部分的膨潤土留在導(dǎo)向孔內(nèi)，在壓力作用下以較密實(shí)的狀態(tài)進(jìn)行填充，達(dá)到防止導(dǎo)向孔塌陷的作用。
   ② 防止燃?xì)夤艿辣砻鎰潅?/span>
   在水平定向鉆施工過程中，由于地下地質(zhì)條件復(fù)雜，在回拖管道時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)管道表面劃傷超過規(guī)范允許范圍的情況。國內(nèi)部分城市采用外加套管的做法，套管直徑比燃?xì)夤艽?號(至少大100mm)以上，并以套管外徑確定擴(kuò)孔直徑。這樣的做法不僅增加工程施工難度，還增加工程造價(jià)，延長施工工期。根據(jù)南寧市大量的定向鉆工程的施工經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)向孔直徑大于管道外徑1.5倍以上，并在回拖管道時(shí)保證導(dǎo)向孔內(nèi)充滿泥漿的情況下，在回拖管道時(shí)泥漿不僅可以潤滑管道，直徑大的導(dǎo)向孔還可以充分避免孔壁對管道的劃傷。南寧市的水平定向鉆工程完成后，通常對管頭表面劃傷深度進(jìn)行檢測，結(jié)果都小于壁厚的10%。
   ③ 施工過程中塌孔的處理
   在河的西側(cè)擴(kuò)孔時(shí)出現(xiàn)塌孔。經(jīng)分析，造成塌孔的原因是該部位為原來河床的最低點(diǎn)，淤泥堆積最深，土質(zhì)條件最差，成孔較難。塌孔以后，重新進(jìn)行擴(kuò)孔，并將泥漿用量和壓力加大。擴(kuò)孔完成后，一直保持較高的泥漿壓力，以保證孔的完整性，并馬上開始拖管施工。
    ④ 燃?xì)夤艿赖谋Ｗo(hù)
    考慮到竹排沖附近將來可能進(jìn)行大規(guī)模道路景觀改造或者其他管線施工，如施工現(xiàn)場無法精確判斷燃?xì)夤艿缹?shí)際位置，將可能出現(xiàn)因野蠻施工破壞燃?xì)夤艿赖氖鹿省Ｍǔ１ＷC燃?xì)夤艿啦槐黄茐牡淖龇ㄊ牵涸谌細(xì)夤艿栏浇介g距5m范圍內(nèi)采用人工開挖，暴露出燃?xì)夤艿篮笤龠M(jìn)行下一步施工。這種施工辦法比較保守，既增加燃?xì)夤艿辣Ｗo(hù)成本，又影響施工進(jìn)度。經(jīng)過長期工作實(shí)踐，通過以下措施，不僅提高了管道的安全性，還可降低工程成本，縮短施工工期。
    a. 整理施工過程中的數(shù)據(jù)報(bào)表，在繪制竣工圖時(shí)按每2m標(biāo)注一個水平定位尺寸和一個埋深，并在竣工圖中標(biāo)示詳細(xì)的原始數(shù)據(jù)。
    b. 隨管道敷設(shè)8mm2銅示蹤線4根(避免施工過程中被扯斷)，并在入、出口坑引出地面作為運(yùn)行過程中外加信號的接入點(diǎn)。在城市道路改造和其他管線施工需要尋找PE燃?xì)夤艿罆r(shí)，通過詳細(xì)的竣工圖，配合儀器外加信號，精確定位管道具體位置。
   ⑤ 其他技術(shù)措施
   a. 對用于水平定向鉆進(jìn)管材設(shè)專用倉庫，進(jìn)庫前對管材按批次根據(jù)CJJ 63—2008《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》[5]的3.1.3條規(guī)定進(jìn)行抽樣性能檢驗(yàn)，并規(guī)定庫存期不得超過半年。
    b. 采用PE管自動焊機(jī)，選擇最優(yōu)秀的PE管焊工作為水平定向鉆進(jìn)管道施工專用焊工，并每2個月對焊工按照CJJ 33—2005[6]中9.1.2條要求進(jìn)行考核。
    c. 拖管前對接焊口按照CJJ 63—2008《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》中5.2.4條要求進(jìn)行100%翻邊切除檢查，并按CJJ 33—2005《城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉涔こ淌┕ぜ膀?yàn)收規(guī)范》[6]第12章要求進(jìn)行強(qiáng)度、氣密性試驗(yàn)。
8 結(jié)語
    本工程施工控制全過程，從設(shè)備選型、就位到完成撤場，完全按照預(yù)期計(jì)劃實(shí)施，達(dá)到安全、優(yōu)質(zhì)、高效。
   ① 本次敷設(shè)的PE燃?xì)夤艿拦軓酱蟆㈤L度長、管道自重大，拖動阻力大，一般小型鉆機(jī)無法滿足工程需要。選擇大型的動力頭扭矩大、輸出拉力大、動力行程大的鉆機(jī)是工程順利完成的前提。
    ② 在實(shí)地認(rèn)真勘察的基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)有資料，精心設(shè)計(jì)導(dǎo)向孔軌跡，為工程順利完成提供技術(shù)保障；在出現(xiàn)塌孔的時(shí)候，能及時(shí)調(diào)整施工方案，為工程按期完成掃清障礙。事前預(yù)見及施工過程遇到的問題因準(zhǔn)備充分而順利解決，是工程順利完成的基礎(chǔ)。
    ③ 施工過程中根據(jù)實(shí)際需要合理控制泥漿用量及壓力是工程順利完成的關(guān)鍵。
    隨著水平定向鉆進(jìn)管道敷設(shè)施工技術(shù)的不斷發(fā)展，各行業(yè)對水平定向鉆進(jìn)管道敷設(shè)施工技術(shù)的利用也越來越廣泛，該技術(shù)不僅對環(huán)境和城市交通的影響小，且修復(fù)費(fèi)用少，工期短。
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(本文作者：蘇琪 中石油昆侖天然氣利用有限公司南寧分公司 廣西南寧 530022)