水陽江水平定向鉆穿越施工技術(shù)難點(diǎn)分析研究

1、<p>　　水陽江水平定向鉆穿越施工技術(shù)難點(diǎn)分析研究</p><p>　　【摘 要】 水陽江水平定向鉆穿越工程穿越曲線長，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度大。通過對穿越工程特點(diǎn)及施工難點(diǎn)的分析，考慮到實(shí)際施工中的技術(shù)要求和工程要求，采取了先進(jìn)的技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了水陽江長距離、大口徑、復(fù)雜地層的管道穿越，為國內(nèi)外同類條件的水平定向鉆穿越施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】

2、 管道 穿越 定向鉆 施工 </p><p>　　中圖分類號： TU279 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A </p><p>　　川氣東送管道是國家為保障長三角地區(qū)天然氣供應(yīng)而投資建設(shè)的一條主干管線，是國家十一五計(jì)劃重點(diǎn)工程項(xiàng)目。水陽江定向鉆穿越是川氣東送管道關(guān)鍵控制性項(xiàng)目之一。管道起點(diǎn)位于水陽江西岸宣城市向陽鎮(zhèn)北側(cè)灘地上，止點(diǎn)位于水陽江東岸宣城市孫埠鎮(zhèn)北側(cè)揚(yáng)子鱷自然保護(hù)區(qū)。穿越工程曲線長度達(dá)到

3、962.67 m，管徑1016 mm，壁厚26.2 mm。穿越段主管規(guī)格為直徑1016×26.2mm，鋼管材質(zhì)為X70，采用三層PE加強(qiáng)級防腐直縫管，設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力為10Mpa。距主管10米處同時穿越一根直徑114×6.3 mm的光纜套管。 </p><p>　　管道入土角10°；出土角7°。穿越管道路由河床呈不對稱“U”型，最大水深達(dá)5.2m，水面寬約300m，兩岸均為自然

4、岸坡，西岸坡角約35°～40°，東岸坡角約25°～30°；兩岸階地高出河床6～7m，階地上筑有土質(zhì)防洪大堤，堤頂高出水面約9m，西岸防洪堤距水涯約150m，東岸防洪堤距水涯約310m。穿越段地質(zhì)構(gòu)造由洪積土和風(fēng)化巖組成，洪積土的上層8～12 m為粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，地層松軟，下層8～15 m為卵石層，卵石粒徑2～10cm，卵石層穿越長度148.48 m，穿越段基巖為白堊系風(fēng)化巖地層

5、，巖性以紫紅色粉砂質(zhì)泥巖為主。 </p><p>　　1 水陽江穿越工程特點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)分析 </p><p>　　1.1 工程特點(diǎn) </p><p>　　水陽江水平定向鉆穿越工程是當(dāng)前國內(nèi)遇到的同類別難度較大的穿越工程，具有如下特點(diǎn)： </p><p>　?。?）水平穿越距離長，回拖管道管徑大。 </p><p>

6、　?。?）穿越地質(zhì)極為復(fù)雜，穿越地層地質(zhì)變化大，包括粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粘土夾卵石、卵石、中風(fēng)化紫紅色粉砂泥巖、強(qiáng)風(fēng)化巖等。尤其需要穿越的長達(dá)148.48 m的卵石段，穿越長度和卵石粒徑都是國內(nèi)之最，對工藝提出了更高的要求。 </p><p>　?。?）在氣候上，安徽南部是多風(fēng)多雨地區(qū)，有可能給穿越施工帶來不可預(yù)測的影響。 </p><p>　?。?）在施工協(xié)調(diào)上，工程施工

7、地點(diǎn)接近揚(yáng)子鱷自然保護(hù)區(qū)和居民區(qū)，協(xié)調(diào)難度也大大超出以往工程。 </p><p>　　1.2 技術(shù)難點(diǎn) </p><p>　　工程要求與地質(zhì)條件的苛刻，對控向、鉆桿、擴(kuò)孔、回拖和泥漿技術(shù)都提出了新的挑戰(zhàn)。 </p><p><b>　?。?）控向難度大 </b></p><p>　　鉆孔軌跡的實(shí)時測量是進(jìn)行管道穿越施工

8、的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于水陽江管道穿越施工條件惡劣、地質(zhì)地理?xiàng)l件復(fù)雜，且穿越距離長、穿越卵石粒徑大距離長，準(zhǔn)確控向難度很大。 </p><p><b>　?。?）預(yù)頂套管難 </b></p><p>　　由于水陽江管道需要兩次穿越卵石層。為了防止卵石層塌孔，解決鉆頭出土階段控向難度，保證鉆導(dǎo)向孔、擴(kuò)孔和回拖的順利進(jìn)行。出入土點(diǎn)采取頂進(jìn)直徑為1440mm鋼套管開挖置換卵石的

9、方法穿過卵石層。入土點(diǎn)需頂入73.52m，出土點(diǎn)需頂入74.76m，預(yù)頂套管難度極大。 </p><p><b>　?。?）鉆桿問題 </b></p><p>　　水陽江定向鉆穿越曲線長度達(dá)962.67 m，且在洪積土中進(jìn)行長距離定向鉆施工時,鉆桿會發(fā)生一定程度的變形,當(dāng)推力負(fù)荷增大，孔壁內(nèi)鉆桿的“邊緣荷載”亦相應(yīng)增加。在洪積土內(nèi)鉆進(jìn)時，鉆桿將不受限制的繼續(xù)變形，出現(xiàn)

10、失穩(wěn)，鉆頭失去控制。此外，由鉆進(jìn)輸出的旋轉(zhuǎn)力會使鉆桿折斷。因此，采用傳統(tǒng)的施工方法（即一臺鉆機(jī)鉆孔），無法滿足鉆桿強(qiáng)度與穩(wěn)定性的要求。 </p><p><b>　?。?）擴(kuò)孔難題多 </b></p><p>　?、偎柦虚L度約700 m的巖石段，巖石的最高硬度達(dá)到了70Mpa。該種地層的長距離、多次數(shù)、大口徑擴(kuò)孔較為困難。 </p><p>

11、;　?、?施工過程中，巖石層與洪積土層擴(kuò)孔難易度相差很大，因此易在巖石和洪積土段結(jié)合面產(chǎn)生一定程度的沉降，導(dǎo)致整個孔產(chǎn)生臺階，影響管線回拖。 </p><p>　?、?由于穿越距離較長，管線的管徑大，且穿越路由要通過淤泥層，擴(kuò)孔施工中很可能出現(xiàn)“抱桿”、塌孔等危險(xiǎn)。 </p><p>　?。?）長距離管線回拖的問題 </p><p>　　水陽江管道定向鉆穿越曲線長度

12、達(dá)到962.67 m，如此長距離的管線回拖。主要的問題在于：回拖時，管道長度長，自身的重量較大，管道與孔壁之間的磨阻增大，所需的拖力很大，回拖過程易造成管道損壞。同時，鉆機(jī)基礎(chǔ)可能出現(xiàn)滑移、失穩(wěn)等現(xiàn)象。 </p><p>　?。?）泥漿工藝要求高 </p><p>　　泥漿是水平定向穿越的血液。水陽江管道穿越工程鉆進(jìn)距離長，地質(zhì)條件非常復(fù)雜，穿越地層既有粘土、粉土，又有鵝卵石和風(fēng)化巖石，甚

13、至還有淤泥、砂層。因此，對泥漿有著許多特殊的要求： </p><p>　?、倭己玫牧髯冃?，保證有較強(qiáng)的攜帶鉆屑的能力。 </p><p>　?、谀酀{有較低的摩擦系數(shù)，良好的潤滑性能。 </p><p>　?、塾休^強(qiáng)的護(hù)壁作用，在孔壁形成一定力學(xué)強(qiáng)度的泥皮，維護(hù)孔壁穩(wěn)定，防止泥漿漏失。 </p><p><b>　　2 施工要點(diǎn) &l

14、t;/b></p><p>　　針對水陽江管道水平定向鉆穿越工程上述工程特點(diǎn)及施工難點(diǎn)，主要采取了以下措施。 </p><p>　　2.1頂管施工工藝 </p><p>　　針對水陽江定向鉆穿越卵石層施工距離超長，需兩次穿越卵石層等特點(diǎn)，采取了頂進(jìn)套管穿過出入土點(diǎn)卵石層施工工藝，成功實(shí)施了出土點(diǎn)、入土點(diǎn)兩端開挖置換卵石頂管作業(yè)，成功解決了長距離穿越卵石層導(dǎo)向孔

15、施工中鉆頭漂移和擴(kuò)孔塌孔等難題。 </p><p>　　采用最大頂進(jìn)力為800KN的DG—800型套管鉆機(jī)，分別用1440×20mm鋼套管在入土點(diǎn)頂入73.52m，出土點(diǎn)頂入74.76m。光纜管穿越用529×10mm鋼套管頂進(jìn)，頂進(jìn)方法同主管道。 </p><p>　　水陽江穿越工程套管鉆機(jī)頂管施工工藝設(shè)計(jì)如下： </p><p>　　1）按照出

16、、入土點(diǎn)的位置安裝套管鉆機(jī)的鋼管樁、預(yù)制混凝土基礎(chǔ)和靠背墻等設(shè)施。確保套管鉆機(jī)工作在最大頂推力時基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。 </p><p>　　2）在預(yù)定位置安裝好套管鉆機(jī)，調(diào)整好工作角度，設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)。各項(xiàng)準(zhǔn)備工作就緒后，先在入土段頂入卵石層套管，鉆機(jī)和頂管機(jī)聯(lián)合作業(yè)。 </p><p>　　3）施工時，先由頂管機(jī)將第一節(jié)套管按預(yù)定角度頂入地下，頂進(jìn)一個行程后，油缸縮回，在頂管機(jī)上安裝管節(jié)，接著將套

17、管向地下頂入，依次循環(huán)，直至將第一節(jié)套管全部頂入地下。然后，安裝第二節(jié)套管，第二節(jié)套管與第一節(jié)套管之間采用焊接的方式連接。 </p><p>　　4）隨著套管的頂入，利用鉆機(jī)驅(qū)動 “絞龍”取出套管內(nèi)的粘土、卵石等鉆屑。直至套管達(dá)到設(shè)計(jì)位置。 </p><p>　　2.2 控向糾偏系統(tǒng) </p><p>　　在水陽江穿越工程中，使用強(qiáng)磁場定位傳感導(dǎo)向系統(tǒng)。在進(jìn)行鉆頭對

18、接前，使用強(qiáng)磁場定位系統(tǒng)初步判斷兩鉆頭的相對位置。偏差的測量主要是依據(jù)兩鉆機(jī)的導(dǎo)向傳感器相對測得的，根據(jù)傳感器測量的參數(shù)，計(jì)算出偏差的方位和兩鉆桿的相對距離，逐漸調(diào)整，消除偏差，達(dá)到兩鉆頭對接的目的。較好的解決了水陽江長距離穿越導(dǎo)向孔鉆進(jìn)中的精確控向問題。其優(yōu)點(diǎn)是操作者可以通過計(jì)算機(jī)比較直觀的了解探頭的詳細(xì)情況，并且沒有深度限制，系統(tǒng)配有專業(yè)的定向系統(tǒng)軟件。 </p><p>　　其功能主要有：穿越軌跡計(jì)算機(jī)輔助

19、設(shè)計(jì)（CAD）；軌跡測量自動報(bào)警；實(shí)際鉆孔軌跡實(shí)時測量；抗強(qiáng)磁場干擾軟件；軌跡糾偏參數(shù)計(jì)算；完整的歷史數(shù)據(jù)處理和報(bào)表打印圖形化人機(jī)界面；軌跡測量自動濾波；軌跡測量自動糾錯等。 </p><p>　　2.3 導(dǎo)向孔雙鉆機(jī)同步對接施工工藝 </p><p>　　針對水陽江定向鉆穿越施工距離長，穿越地層復(fù)雜等特點(diǎn)，采取了國際先進(jìn)的導(dǎo)向孔雙鉆機(jī)同步對接施工工藝，成功實(shí)施了出土點(diǎn)、入土點(diǎn)兩端雙鉆機(jī)同

20、步協(xié)調(diào)作業(yè)，解決了長距離穿越導(dǎo)向孔施工中鉆桿失穩(wěn)和強(qiáng)度不足等難題。 </p><p>　　水陽江穿越工程導(dǎo)向孔雙鉆機(jī)同步對接施工工藝設(shè)計(jì)如下： </p><p>　　1）將電磁線圈布置到出土點(diǎn)上，入土點(diǎn)側(cè)輔鉆機(jī)（型號HY—2000）保持低速旋轉(zhuǎn)，利用控向系統(tǒng)將鉆頭向出土點(diǎn)鉆進(jìn)約450米（接近水平段），等待與出土點(diǎn)的主鉆機(jī)（型號HY—3000）向入土點(diǎn)鉆進(jìn)的鉆頭進(jìn)行對接。 </p>

21、;<p>　　2）將專用打撈鉤安裝到出土點(diǎn)一側(cè)的鉆機(jī)上，在控向系統(tǒng)的引導(dǎo)下將打撈鉤鉆入指定位置。 </p><p>　　3）出土點(diǎn)和入土點(diǎn)鉆機(jī)保持旋轉(zhuǎn)，打撈鉤打撈到出土點(diǎn)側(cè)鉆桿后，入土點(diǎn)側(cè)鉆機(jī)停止轉(zhuǎn)動，將鉆頭牽引出地面。偏差的測量主要是依據(jù)兩鉆機(jī)的導(dǎo)向傳感器相對測得的，根據(jù)傳感器測量的參數(shù)，計(jì)算出偏差的方位和兩鉆桿的相對距離，逐漸調(diào)整，消除偏差，達(dá)到兩鉆頭對接打撈。 </p><

22、p>　　4）對接后，輔鉆機(jī)后退，主鉆機(jī)沿輔鉆機(jī)的導(dǎo)向孔鉆進(jìn)。邊鉆邊檢測鉆機(jī)的參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)好的穿越曲線對出土點(diǎn)側(cè)導(dǎo)向孔進(jìn)行調(diào)整即進(jìn)行修孔，保證主鉆機(jī)鉆頭在輔鉆機(jī)的導(dǎo)向孔內(nèi)。輔鉆機(jī)邊退，主鉆機(jī)邊進(jìn)，最終主鉆機(jī)的鉆桿到達(dá)入土點(diǎn)完成整個導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)過程。 </p><p>　　2.4 擴(kuò)孔施工工藝 </p><p>　　為解決水陽江長距離復(fù)雜地層定向鉆穿越擴(kuò)孔施工中存在的諸多難題，主要采取

23、了如下措施： </p><p>　　1）雙鉆進(jìn)協(xié)調(diào)作業(yè)。在出入土點(diǎn)各設(shè)一臺鉆機(jī)，主鉆機(jī)在出土點(diǎn)正轉(zhuǎn)，拉動擴(kuò)孔器前進(jìn)。輔鉆機(jī)在入土點(diǎn)反轉(zhuǎn)，與主鉆機(jī)一同扭動擴(kuò)孔器，同時推動鉆桿前進(jìn)，避免了鉆桿過長造成的對擴(kuò)孔器失控問題，降低了擴(kuò)孔施工的風(fēng)險(xiǎn)，并提高了擴(kuò)孔速度。 </p><p>　　2）多次擴(kuò)孔。在巖石段和粘土段總共進(jìn)行了十次擴(kuò)孔，有效減小了擴(kuò)孔器阻力，縮短了擴(kuò)孔周期。 </p>

24、<p>　　3）洗孔。在每一遍擴(kuò)孔施工結(jié)束以后，都使用絞籠進(jìn)行洗孔，清理出孔內(nèi)的碎石和雜質(zhì)。 </p><p><b>　　2.5 回拖施工 </b></p><p>　　水陽江管道長距離穿越給管線回拖提出了全新的施工要求。為了保證回拖的順利實(shí)施，主要采取了以下措施： </p><p>　　1） 鉆機(jī)基礎(chǔ)的加強(qiáng)、加固。對鉆機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行

25、了驗(yàn)算和設(shè)計(jì)，確?；赝香@機(jī)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和可靠性。 </p><p>　　2） 降低回拖拉力。在工作管線入土點(diǎn)前端按一定比例放坡挖一條發(fā)送溝，將回拖管線置于發(fā)送溝內(nèi)。 </p><p>　　3）管線試?yán)?。為試?yàn)管線回拖的阻力，驗(yàn)證各橫、立輥輪支撐的合理性和可靠性，在管線正式回拖前，對管線進(jìn)行預(yù)拖動。 </p><p>　　2.5 鉆導(dǎo)向孔泥漿工藝 </p>

26、<p>　　不同地層對泥漿的性能有著具體的要求，水陽江管道穿越工程地質(zhì)條件復(fù)雜，泥漿性能要求高，必需在施工中根據(jù)地層配制合乎要求的、優(yōu)質(zhì)高性能的專用泥漿。 </p><p>　　采取的主要措施有： </p><p>　?。?）泥漿以鈉膨潤土為主，在粘土段導(dǎo)向孔鉆進(jìn)中和擴(kuò)孔時添加1%濾餅劑，在孔壁形成質(zhì)地優(yōu)良的泥餅，可防止冒漿。 </p><p>　　（

27、2）擴(kuò)孔完成后進(jìn)行洗孔時，添加5%護(hù)壁劑，提高泥漿粘度，在含礫粘土層中起到護(hù)壁固壁的作用。 </p><p>　?。?）在巖石層，泥漿中添加5%的懸浮攜砂劑，提高泥漿的巖屑攜帶能力。 </p><p><b>　　3 結(jié)論 </b></p><p>　?。?）水陽江管道穿越層地質(zhì)狀況復(fù)雜，施工難度大。針對具體的施工難題，進(jìn)行了深入研究，在長距離

28、復(fù)雜地層頂管開挖置換卵石、導(dǎo)向孔鉆進(jìn)、擴(kuò)孔工藝及泥漿控制等方面實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新突破。 </p><p>　?。?）水陽江穿越工程頂管開挖置換卵石工藝和導(dǎo)向孔雙鉆機(jī)同步對接的順利實(shí)施，創(chuàng)造了國內(nèi)水平定向鉆長距離、大口徑管道穿越卵石和巖石地層史上的新紀(jì)錄，對今后同類情況的穿越積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><

29、p>　　【1】 高俊凱,陳國彬.全國油氣管道穿跨越工程匯編資料[C].石油工業(yè)出版社,1990 </p><p>　　【2】 呂明記,桑學(xué)忍.水平定向鉆施工技術(shù)特點(diǎn)與工程一覽[J],石油工程建設(shè),1995 </p><p>　　【3】 上海市隧道工程公司.海底1856米超長距離頂進(jìn)施工技術(shù)[R],1997 </p><p>　　作者簡介：楊厚源，男，1960年