大口径管道工程非开挖水平定向钻技术的应用 4页

大口径管道工程非开挖水平定向钻技术的应用任广福(中铁十八局集团第三工程有限公司，河北涿州072750)摘要：本文介绍了非开挖水平定向技术在大口径工业管线工程中的应用，尤其是在施工场地不允许的条件下，采取的施工措施和方法，可为类似工程提供参考。关键词：HDD技术；泥浆配制；钻孔导向；扩孔中图分类号：’11J413．3文献标识码：B文章编号：1672—4011{2011)02—0198一04O前言水平定向钻进技术是非开挖技术的一种，又称HDD技术，即Horiz硼talDiDecti伽_alDriuiIlg，是近年来发展起来的一项高新技术，它是利用钻杆的柔性在导向系统的监测下沿设计线路轨迹钻进，到达目的地后，卸下钻头换上回扩器进行逐级回扩孔，往复循环，达到要求孔径后，利用水平定向钻机对既定管道进行回拖以完成施工任务的一项新的施工方法。该技术是一种新兴的施工技术，是相对于开挖技术而言的，是指在不开挖或少开挖地表的条件下探测、检查、修复、更换和铺设各种地下公用设施的一种技术和方法。非开挖技术相对于传统的管线铺设施工而言，具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、综合施工成本低、社会效益显著等优点。它可以广泛用于穿越公路、铁路、建筑物、河流、以及在闹市区、古迹保护区、作物和植被保护区等条件下进行供水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等管线的铺设、更新和修复、还可以用在水平降排水工程、隧道工程(管棚)、基础工程(钢板／管桩、微型桩、土钉)、环境治理工程领域，是地下管线铺设和修复的一种全新的方法。1工程概况新密电厂二期2×1000Mw机组扩建工程厂外补给水系统水源采用郑州市东郊王新庄污水处理厂排放的中水。厂外中水补给水系统工程自王新庄污水处理厂至新密电厂，包括单根中水输水管道、一级加压泵房、高位水池，以及配套的电气、热工、土建工程等。从污水处理厂升压泵站至高位调节水池为压力管道，铺设单根书l220×lO一20咖的螺旋焊缝内涂塑复合钢管，从高位水池至电厂设单根DN900的PccP管。工程I标段起点为郑州市王新庄污水处理厂，终点在环城高速公路涵洞前1m，补给水管道采用单根书12加内涂塑复合钢管，沿线需穿越河流、铁路、城市主干道、高速公路、中线南水北调主干渠、大型商品物流园等障碍物。管道穿越南水北调中线干渠时，采用水平定向钻弹性曲线敷设技术，穿越敷设的曲率半径为l800m。由于考虑到国内水平定向钻技术的局限性，穿越南水北调中线干渠处采用由1020×20咖的内外涂塑螺旋焊缝钢管。穿越水平长度为“8m，实际长度550．5m；穿越深度距地面不小于17m。2工程特点2．1管道孔径大本工程设计于2008年9月，根据当时国内水平定向钻的技术水平，耷1020姗螺旋焊缝钢管为国内定向钻所能完成的最大直径。随着国内定向钻水平的高速发展，截止至2010年6月，国内完成的定向钻最大孔径为西气东输天然气管道$l280mm。2．2地质条件复杂根据地质报告，定向钻自上到下需要穿越：地表层(主要成分为粉土，根系发育，填土含砖渣、碎石等建筑垃圾)、粉土层、粉砂层、泥质粉砂层。Z3采用“二接一”方案由于施工场地受限，出钻点一侧不能一次性布管焊接550m，故采用分成两节平行布置，在管线回拖过程中将两节连接成一体的办法。2．4综合难度大综上所述，工程具有穿越孔径大、深度大、曲率半径小、地质条件复杂等特点，给水平定向钻的钻孔导向、泥浆护壁成孔、回拖都提出了更高工艺水平和技术措施要求；特别是“二接一”工艺，需要克服对接施工中的防止塌孔和起动阻力难题，在国内巾l020咖级别中尚属首次应用。3水平定向钻施工工艺及技术措施3．1施工工艺流程安装钻机二[调校二】=泥浆配置二】二钻导向孔进场准备扩孔穿越主管道组对焊接主管道网拖卜．一主管道与钻具连接拆卸钻机．恢复地貌田l水平定向钻施工工艺流程图3．2进场准备3．2．1测量定线(1)根据线路平面图、断面图、线路控制桩、水准标桩，采用全站仪进行测量，放出穿越轴线、定向钻穿越的人钻点、出钻点以及施工场地的位置和范围。(2)对地下障碍物和管线，通过查找有关资料、用探测仪器、挖探坑等多种办法来确认其地下障碍物和管线的|薹一一一一一一\n埋藏方位、方向和深度，如与设计穿越曲线有冲突时，及时修正设计。(3)根据设计要求及现场实际，最终确定穿越曲线参数如表l。表1穿越曲线基本参数表人土角出士角穿越距离I穿越深度I最小曲率半径9。7。548m2lm1530m3．2．2场地布置(1)钻机场地(入土点)占地40×40(m)，主要设备有DDw一3000型钻机一台。12m3造浆储浆罐两台套，100kw发电机两台，高压泥泵一套。现场挖尺寸为15×15×2(m)泥浆池一座，在穿越轴线方向上设9×3．5×1．8(m)地锚一座，钻机底部设周定地锚箱一个，布簧如图2。圈2入土侧现场布王图(2)出土点占地40×加(m)，设15×15×2(m)排浆池一座。布管作业带宽20m长280m．布骨如图3。田3出土点现场布置图3．3泥浆配制(1)根据不同地层和工序，编制泥浆工艺及配比方案，确定正确的混合次序，按不同的地层配制出符合要求的泥浆。根据地质报告，制定泥浆性能指标具体参数如表2。衷2泥浆性能指标密度粘度滤失量静切力塑件动切力工序(Pa)PH值粘度(s／cm3)(昌)(“)(Pa)10s10mi“(MPa)1．Ol—导向孔50～558～123_55～88一10lO～204_81．031．Ol～扩孔50—808～103-55～lO8～lO10—405—151．031．Ol—回拖50_708一lO3～55，108_lO10～355—121．03(2)泥浆是定向穿越中的关键因素，由于主要穿越地层为淤泥混砂、粉砂、中沙、细砂等砂性地质，砂性土层具有渗透性较强、土层胶接强度差、土层密实度低，．易发生孔壁垮塌等特点，为克服这种不利因素，采取以下保证措施：①预先对水源水质进行PH检测，取洁净水(不可使用受污染的水)，经过蓄水池沉淀，沉淀之后的水存入水罐，在水中加入纯碱．调整水的PH值至8一lO，使水软化，改善水质；②按照事先确定好的泥浆配比用一级膨润七加上泥浆添加剂。配出合乎要求的泥浆。使用的泥浆添加剂有：降失水剂、提粘剂和防塌润滑剂等，达到造壁好、携带好、悬浮好、失水小，即“三好一低”的技术要求。(3)为了确保泥浆的性能，使膨润土有足够的水化时间，在用量不改变的情况下，我们采取增加泥浆储存罐的数量，在此工程中我们使用一个配浆罐和两个泥浆搅拌罐。(4)泥浆的回收利用。钻机场地和管线组装场地各有一个30×30×1．5(m)返浆收集池，泥浆通过泥浆池收集，再经过泥浆回收系统同收再使用。(5)剩余泥浆的计算和处理。根据以往施工经验，钻导向孔有28％左右的剩余泥浆，预扩孔有67％左右的剩余泥浆，回拖管线有44％左右的剩余泥浆。即：剩余泥浆=(1TRl2+丌R22⋯．．+1TR52)×L×67％+1rR钻头2×L×28％+订R52×L×44％=2615m3。施工剩余泥浆拉运到当地垃圾填埋场。3．4主管道组对焊接主管道在布管场地内分两节平行布置，分别长240m和258m；管道焊接严格按照设计及规范和技术交底要求施工，焊接必须满足《火电施工质餐检验评定标准》(焊接篇)建质(1996年版)lll号要求；焊口按100％比例进行x射线探伤检验，检验必须满足《电力建设施工及验收技术规范》(钢制承压管道对接接头射线检验)DL／鸭21—2002II级片标准要求；检测合格后及时做好焊u的补涂塑并进行涂层厚度检验、针孔检验，所有指标达到设计标准要求。3．5钻导向孔圈4钻导向孔施工示意图(1)导向孔的钻进是整个定向钻的关键，采用DDw一3000水平定向钻机进行整个穿越工程的施工。钻导向孔的钻具组合是：钻机一s135级5．5”钻杆一无磁钻铤一动力钻头。根据穿越的地质情况，选择合适的钻头和造斜工具，开动泥浆马达对准人土点进行钻进，每钻一根钻杆要测量若干次钻头的实际位置，以便及时调整钻头的钻进方向。确定钻头的实际位置与设计位置的偏差，并将偏差值控制在允许的范围之内，保证导向孔曲线符合设计要求。(2)定向设备采用英国ShareweU公司生产的MGS定向系统，确保出土位置达到设计要求。控向对穿越精度及工程成功与否至关重要，开钻前仔细分析地质资料，确定控向方案，泥浆和司钻要重视每一个环节，认真分析各项参数，互相配合钻出符合要求的导向孔，钻导向孔要随时对照地质资料及仪表参数分析成孔情况。(3)为防止钻孔时导向孔与设计穿越曲线的偏移，采取了以下技术措施：①精确放线。为穿越机组配备经权威部门检验检定的全站仪，保证在测量放线阶段，利用控制桩准确定位入土点、出土点，从而得到精确的穿越轴线，\n防止穿越曲线与设计曲线的偏移；②认真做好穿越中心线的磁方位角测量。在导向孔开钻前，要测鼍穿越中心线的磁方位角，这一数值是导向孔控向的原始依据数值，必须准确。我们通过在地表多点测量(一般情况下，出、入土侧各取两个点)，然后将各组数据进行分析对比，排除由于那些由于磁干扰而错误的数据，确定正确的磁方位角数值。如果各组数据相差较大(O．20以上)，则增加测量点(2～4个)，直到确定准确的磁方位角数值；③保证控向仪器精度。每次施工前，用消磁仪对无磁钻挺进行消磁处理，防止由于无磁钻挺被磁化产生磁场干扰，影响控向的精度；④精心施工，导向孔严格按设计曲线钻进。在钻导向孔阶段，对每一测量点的控向数据的采集，采取不同工具面角进行实时测量。即：在每个测量点，旋转钻头，使工具面角分别在O。、900、180。、270。、3600时进行控向数据的实时测量，取最接近五次实时测量数据的平均值的工具面角作为控向数据采集时的工具面角，减少控向数据采集的误差。从而防止钻进曲线与设计曲线的偏移；⑤严格按照施工规范，确保每根钻杆的操作，符合设计所规定的曲率半径范围，并在此基础七，每根钻杆的倾角和方位角的变化值满足《管道工程穿越工程施工及验收规范》规定的钻杆折角范围之内；⑥连接无磁钻挺、造斜短节、钻头时，确保造斜短节的工具面与钻头射流钻进的中心线一致。从而，使测量的工具面值更接近实际工具面值，有助于控向工程师控制钻进方向；⑦控向系统的数学模型采用高精度的数学模型。在水平定向钻施工中，控向系统数学模型主要有i种：正切法、平均角法、最小曲率法。其中常用的数学模型是正切法。根据数学原理，在这三种数学模型中，正切法的精度较差，平均角法和最小曲率法的精度较高。因此，在实际操作中，我们将采用精度较高的平均角法和最小曲率法作为控向系统的数学模型，以求在相同的数据采集基础上，得到较高的计算精度，从而提高控向的精度；⑧根据地勘资料和导向孔数据，认真分析穿越轴线各地层组成成分、物理力学性质。要将各穿越地层的岩士类型、含水量、孔隙度、粘聚力、内摩擦角、地基承载力标准值、侧摩阻力、锥尖阻力等等，仔细阅读，将这些数据标识在穿越曲线图上，以指导司钻人员操作。3．6扩孔图5预扩孔示意图钻具连接：钻机一S135级5．5”钻杆一扩孔器(1)扩孔工艺根据地层情况采用中350、中500、舶50、稍00、蚋00、中l000、中l100、中l200、币l300、中1400、中l500(mm)十一级预扩孔。(2)导向孔完成后，动力钻头、钻头在出钻点出钻，卸掉动力钻头、钻头和探测棒，安上回扩器，试泥浆，确定同扩器泥浆喷孔没有堵塞后开始扩孔。回扩器和钻杆必须确保连接到位、牢固才可回扩，以防止回扩过程中发生脱扣事故。(3)回扩过程中要密切注视泥浆浓度的配比，保证切削下的碎屑随泥浆排出孔洞。同时注意钻机的各种仪表参数，根据参数及时撤出钻杆，更换扩孔器牙轮，防止出现掉轮事故。(4)根据不同地质配制不同浓度的泥浆，保证每次回扩孔时回拖力的数值和扭距值控制在钻机正常工作参数之内。(5)回扩过程中必须注意观测钻机扭矩和现场出浆状况并填写记录表格，根据钻扭矩及返浆状况确定回扩速度和泥浆浓度及压力；当遇到扭矩突然变大时，应减慢回扩速度、提高泥浆浓度、加大泥浆压力，直到扭矩回到正常水平；一般回扩过程中钻机扭矩以小于10KN·m为理想状态。(6)技术创新。一般钻机预扩孔是钻机网拖一节钻杆在出土点连一节钻杆。由于DDw一3000钻机的钻杆长9．6m，比较重，因此钻杆运输、周转、连接占用了较大的工作时间和劳动强度。该钻机预扩孔时采用同扩器后不再连接钻杆的方式，而是在扩孔完成后，在孔道中将钻杆送到出土端，为保证送钻杆顺利，在钻杆的前端连接一个自制的引导头。这样就加快j，施工速度、节省了工程成本。钻杆引导头如图6。1．切扩牙2．耐磨鼓型板3．由355．6钢管4．加厚钢板5．连接短丝图6钻杆引导头示意图(7)洗孔。扩孔完毕后，用挤扩器进行洗孔，洗孔可能洗一遍或几遍。洗孔过程中，一是观测钻机全过程扭矩值和拖力能否达到可以回拖的参数；另一点观测泥浆中岩屑的含量，确保孔洞中岩屑已被泥浆带出和泥浆护壁稳定。洗孔目的就是为r保证成孔的质量，确保主管道能顺利回拖。3．7管道回拖圈7管道回拖示意图(1)回拖是定向穿越的最后一步，也是最为关键的一步，回拖前将管道与扩孔器用500t分动器和u形环连接牢固，检查无误后方可进行回拖。钻具连接：钻杆一扩孔器一分动器一u形环一管道(2)管线回拖采用机械辅助发送方式进行。现场采用四台130t吊车平均分布在280m布管场地内，将管道吊起，随着管道的回拖速度向前吊送。吊送过程中，机械旁设专人由总调度统一协调指挥，确保发送动作协调一致。吊装钢丝绳设胶皮套管，防止对管道防腐层造成损坏。(3)管道回拖时，应保持均速(一般3min／根为宜)，钻机回拖力应保持在合理范围内，避免突然加大回拖力，造成钻杆卸扣困难，欲速则不达。(4)管道回拖过程中，为了减小回拖阻力，采取以下(下转第202页)\n支计算。(1)建立方程。对铰点(锚固点A)求矩，则必须满足∑MA=0，因此有：ll(I’P(23t“．8)呐[23(h+t)-a]+Ep(h粑-8)q式中，K为安全系数(取值为2)。得：8．31t3+82．97t2—138．75I-114．12。(2)插入深度及柱长计算。根据实际情况t取最小正解(t=1．99m)；根据《建筑结构设计手册》及综合地质资料，取安全系数为I．2，所以桩的总长度为：L=12．4(m)(3)锚拉力的计算。由于桩长已求出，对整个桩而言，由力平衡原理可求出A点的锚拉力。∑FA=0，即：Ea+Eq=Ep+TA，取t=1．99解得：TA=194．35(kN)。4土层锚定设计锚固点埋深a=2m，锚杆水平间距1．6m，锚杆倾角18。，这是因为考虑到：①坑附近有环城南路和建筑物的存在，倾角小，锚杆的握裹力易满足；②护所在粘土层较厚，并且均一，可作为锚定区；③土层的下履层(粉质粘土层、粉砂层、圆砾层)都是饱水且较薄。4．1土层锚杆抗拔计算(1)土层锚杆锚固端所在的粘土层。c=47．7kpllr=20．72。1==20．13kN／m2。土层锚杆锚非固定端段长度确定：由三角关系有：BF=sin(450一‘l'／2)／sin(450一·日陇+a)·(H—a—d)代人数据计算得：BF=5．06m。(2)土层锚杆锚固段长度的确定。该土层锚杆采用非高压灌浆，则主体抗压强度按以下公式计算：1=C+(1／2)dlt一式中，1为埋深h处的抗剪强度，K为安全系数(取值1．5)，d为锚杆孔径，取值O．12m，得锚固段长度L=17．98m。5质量检查及施工观测5．1质量检查①每批原材料到达工地后，必须经检查合格后方可使用，检查锚杆与土钉所用水泥浆及喷射混合料的配合比及拌合均匀性；②采用人工观测方法检查锚喷支护外观，锚喷支护面不应有漏喷、裂缝、空鼓、钢筋网及锚杆顶端外露等现象；③每喷射50m3混凝土混合料制作一组试件，采用“喷大板”的方法制作，按规范(GB50086—2001)要求进行抗压强度实验；④面层强度检验采用回弹仪检测，按回弹仪检测要求进行检测，喷射混凝土厚度检查采用凿孔法，检查数量应每loom2取一组，每组不小于3个点，其合格条件为：全部检查孔厚度平均值不小于设计厚度，最小厚度应不小于设计厚度的80％。5．2施工观测①监测内容：支护结构顶部位移与沉降及支护结构的变形；②变形观测点环绕基坑四周布置，各点间距不大于30m；③基坑最大水平位移不超过50mm，基坑边坡总沉降值不大于35mm。6结束语通过本工程深基坑支护设计与施工实践，取得了预期效果。不仅证明了复合土钉综合支护的设计是成功的，也充分体现了复合土钉支护技术的生命力，同时，这也为推广应用、发展复合土钉支护技术积累了宝贵的经验。与此同时，复合土钉支护也为土方开挖创造了很好的施工条件，使土方开挖方案得以顺利实施完成。该基坑支护设计方案具有广阔的应用前景，值得推广应用。[ID：“38]参考文献：[1]JGJl20—1999，建筑基坑支护技术规范[s]．北京：中国建筑工业出版杜．1999．[2]GB．『7一1989，建筑地基基础设计规范[s]．北京：中国建筑工业出版社。1990．[3]GB50086—200l，锚杆喷射混凝土支护技术规范[s]．北京：中国计划出版社，2001．(上接第200页)技术措施：①在回拖时无特殊原因尽量保证连续作业。避免因暂停回拖造成钻机回拖起动阻力过大；②连管回拖前，保证管道(至少出土点附近的100m管线)和穿越轴线的一致性，减少管线进入孔洞时的侧向摩擦力，确保防腐层完好进入孔洞；③机械发送时计算发起吊高度，确保发管道，特别是进入孔洞的这一段发送管道与穿越孑L洞的圆顺；④在回拖作业时，采用高润滑泥浆，增大泥浆的粘度和压力，使整个孔道润滑，减小摩擦阻力；⑤管道“二接一”。当第一节管道回拖完成后，必须暂停回拖，将第二节管道与第一节管道进行焊接，并进行检测和补口工作，然后继续回拖管道。由于管道“二接一”使回拖暂时停止，一方面给再次回拖起动增加了很大的起动阻力，另一方面有可能造成第一节管道在孔道内抱死、孔道塌孔不能回拖等不利状况，因此就要求现场以尽可能坏的速度完成两节管道的连接工作，时间越长越不利。为此我们采取了以下措施：①精心组织，提前拟定实施方案并对实施方案进行了现场演练。通过演练，掌握操作要点、找出改进办法。演练两条管道对接最快时间为250min，改进办法为为管道对口加工专用对口器，缩短对口时间；②管道暂停回拖时，钻机仍保持低速转动和压浆，保证孔壁稳定的润滑；③现场准备夯管机备用，当钻机因起动阻力过大不动起动时，用夯管机助力起动。实践证明，在精心组织和各项措施保证下，现场顺利完成了管道的对接，对接用时230Ⅱlin，为管道回拖争取了宝贵的时间，回拖力虽有所增大，但在钻机的合理承受范围内，回拖顺利起动，完成了整条管道的回拖工作。4结语穿越南水北调中线干渠耷1020姗螺旋焊缝钢管水平定向钻施工的顺利完成，为水平定向钻技术的发展积累了宝贵的经验。我公司承包标段穿越十八里河436m、润滑油市场525m、机场高速4lOm、城市主干道780m。采用巾l220mm螺旋焊缝钢管，通过设计变更，积极采用水平定向钻技术，为业主缩短了工期、节约了工程成本，取得了显著的经济效益和社会效益。[1D：6485]