□薛 波（河南省水利第二工程局）

0 引言

水平定向鉆進技術(shù)以其顯著的環(huán)境、經(jīng)濟效益和日益成熟的施工技術(shù)，成為輸水管道建設(shè)工程中穿越河流必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。文章結(jié)合南水北調(diào)配套周口沙潁河定向鉆穿越工程，探討大口徑（DN1016mm）水平定向鉆穿越工程的設(shè)計方案。

1 工程概況

沙潁河穿越工程位于河南省周口市境內(nèi)，交叉斷面以上流域面積25800 km2,50 a一遇洪峰流量3250m3/s，天然洪水位49.90m。沙潁河穿越管段設(shè)計壓力為1.40MPa，設(shè)計為雙管線布置，兩管外壁間距20.20m，穿越管道為涂塑復合鋼管，規(guī)格為D1016mm×16mm。

2 穿越路線及層位選擇

2.1 設(shè)計原則

穿越路線及層位的選擇，應(yīng)根據(jù)河道詳細勘察資料及沙潁河穿越區(qū)域水文、氣象條件及交通狀況確定。一是穿越處地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬粘砂雙層結(jié)構(gòu)。根據(jù)地層時代、巖性及空間分布特性，場區(qū)地層劃分為7層，分別為：①重粉質(zhì)壤土（alQ24）；②輕粉質(zhì)壤土(alQ24)；③粉質(zhì)粘土(alQ24)；④重粉質(zhì)壤土(alQ14)；⑤重粉質(zhì)壤土（alQ14）；⑥重粉質(zhì)壤土（alQ3）；⑦粉細砂（alQ3）。其中①～⑥層含鈣質(zhì)結(jié)核，粒徑1～3 cm，第⑦層砂質(zhì)不均，局部夾有輕粉質(zhì)壤土、砂壤土薄層。二是選擇河流順直、水流平緩、河床和坡岸穩(wěn)定的河流斷面穿越，以降低施工難度。三是河岸兩側(cè)應(yīng)有足夠的布置鉆機、泥漿池、施工材料堆放和管道組焊的場地；河岸兩側(cè)場地進行交通運輸方便，有效縮短施工周期。四是水域穿越管段的埋深除應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件與沖刷深度確定外，最小埋深應(yīng)大于河床最大沖刷線以下6m，確保河流中不出現(xiàn)冒漿事故及保證堤防安全。五是為保證管道有足夠的強度安全余量，穿越管段曲率半徑宜≥1500（為穿越管段外徑）。

2.2 主要設(shè)計參數(shù)

一是入土點及入土角度。入土點高程47.70m，入土角7°，入土點位于沙潁河北岸，毗鄰周口大道，交通便利。二是出土點及出土角度。出土點高程44.90m，出土角7°。出土點選定于沙潁河南岸，地勢開闊，有利于管線組焊及回拖。三是曲率半徑：為利于管線回拖及保證管線強度，沙潁河穿越曲線段半徑為1800 m（1800D）。四是穿越地層：根據(jù)工程詳細勘察資料，粉質(zhì)壤土或粉質(zhì)粘土層中存在鈣質(zhì)結(jié)核，會給鉆進過程帶來困難。因此，將主要的穿越水平段設(shè)在第⑦層細砂中。穿越水平段管道中心高程為23.30m，滿足管道最小埋深應(yīng)大于河床最大沖刷線以下6 m的要求。

3 鉆機及鉆具優(yōu)選

3.1 理論回拖力計算及定向鉆機選擇

沙潁河穿越的理論回拖力計算采用《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》（GB50424-2007）推薦的回拖力計算公式：

式中：F—穿越管段回拖力（t）；L—穿越管段長度（m），本工程取525.90m；f—摩擦系數(shù)，一般取0.10～0.30，本工程取0.20；D—穿越管段的直徑（m），本工程取1.02；γ粘—泥漿比重，一般為1.15～1.20，本工程取1.17；δ—穿越管段的鋼管壁厚（m），本工程取0.02；k粘—粘滯系數(shù)，取0.01~0.03，本工程取2.50×10-2。

將各參數(shù)代入式（1），得到理論回拖力值為100.20 t，根據(jù)國內(nèi)外施工經(jīng)驗，定向鉆機宜根據(jù)計算回拖力值得1.50～3.00倍進行選擇，本工程選定徐工XZ3000型水平定向鉆機一臺，最大回拖力3000 kN，最大輸出扭矩110kN·m。

3.2 鉆具優(yōu)選

鉆具是水平定向鉆進施工過程中影響施工效率和安全的直接因素，考慮地質(zhì)條件、鉆機能力和工程規(guī)模等方面，進行了鉆具的優(yōu)選。一是導向鉆：考慮到該穿越地層含有較多的鈣質(zhì)結(jié)核，本工程采用破碎能力更強的三牙輪導向鉆頭，并用泥漿馬達驅(qū)動牙輪鉆頭。二是擴孔器：考慮到本次穿越的主要地層為粉細砂層，鉆孔穩(wěn)定性差，決定采用具有穩(wěn)定孔壁功能的擠擴式擴孔器。三是鉆桿：鉆桿質(zhì)量直接影響工程施工的順利與否，本工程選用高性能的Φ140S-135級鉆桿。

4 施工方案設(shè)計

4.1 鉆導向孔

為保證導向精度，防止干擾源影響導向信號，沙潁河穿越采用聯(lián)合控向技術(shù)，即采用兩套控向系統(tǒng)，一套精度高、受干擾小的CDY-2型有線地磁控向系統(tǒng)和一套GL600無線控向系統(tǒng)。這樣使鉆導向孔施工具有雙保險，如遇地磁控向系統(tǒng)無信號或受干擾時，即可用無線控向系統(tǒng)完成接下來的控向工作。在導向孔鉆進過程中，嚴格按設(shè)計給出的軌跡曲率半徑進行。在鉆進過程中，還應(yīng)注意每根鉆桿的折角，折角不宜過大，以免造成鉆孔不夠平滑，影響回拖。糾偏應(yīng)遵循小幅、多次的原則，不能操之過急而矯枉過正。鉆導向孔的鉆具組合為：9-5/8三牙輪鉆頭+Φ172造斜短節(jié)+無線探頭倉+無磁鉆鋌+有線探頭倉+無磁鉆鋌+Φ140鉆桿。

4.2 擴孔及洗孔

水平定向鉆管道穿越工程的終孔直徑一般為管道外徑的1.20～1.50倍，考慮到地層性質(zhì)，沙潁河終孔直徑確定為1400 mm。為解決擴孔時扭矩大的問題，可采用較多的擴孔級數(shù)以減少每一級擴孔的扭矩。沙潁河穿越工程共分七級擴孔，每級擴孔的直徑分別為：500mm，650 mm，800 mm，950 mm，1100 mm，1250mm和1400mm。擴孔結(jié)束后，根據(jù)擴孔扭矩、拉力和返漿情況進行1～2次Φ1400洗孔。擴孔的鉆具組合為：Φ140鉆桿+擠擴式擴孔器。

4.3 回拖

管道回拖前，應(yīng)對鉆機地錨進行加固，確保回拖過程中不出現(xiàn)地錨松動；對分動器、U型環(huán)等進行檢查，確保工作可靠；對已連接完成的管線長度、焊縫、防腐進行檢查；進行泥漿試噴，確保泥漿通暢。為減小回拖阻力和保護管道防腐層，應(yīng)沿穿越中心線開挖發(fā)送溝，在出土口處平順連接。發(fā)送溝開挖寬度為3.00m，底寬1.50m，深度0.80m。發(fā)送溝完成后，檢查溝內(nèi)無石塊、樹根等硬物，然后將管道吊入溝內(nèi)，再從河里抽水將管溝充滿，使管道近似處于漂浮狀態(tài)，減小管道回拖時摩擦阻力。管線回拖時，需采用適宜的措施控制管段的浮力以減少摩擦阻力?；赝线^程應(yīng)連續(xù)施工，停止回拖時間過長可能造成泥漿對管段形成握裹力，增大回拖力；回拖速度均勻，避免造成孔內(nèi)壓力激動?；赝系你@具組合為：Φ140鉆桿+Φ1250擠擴式擴孔器+分動器+Φ1016管線。

5 泥漿工藝

5.1 確定泥漿性能要求

根據(jù)沙潁河穿越工程地質(zhì)條件，定向鉆入、出點兩側(cè)主要為含鈣質(zhì)結(jié)核的粘土層，主要水平穿越段為密實細砂層，對泥漿的攜帶能力和護壁能力要求很高。因此，要求嚴格控制泥漿粘度和濾失量，避免孔內(nèi)殘留鉆屑過多，堵塞鉆孔或孔壁坍塌等復雜情況發(fā)生。沙潁河穿越泥漿體系性能指標：馬氏漏斗粘度55 s，濾失量<12m l。

5.2 泥漿配比方案

一是鉆導向孔階段要求盡量將孔內(nèi)的鉆屑攜帶出孔外，同時維持孔壁穩(wěn)定，基本配方為：水+5%鈉基膨潤土+0.06%HV-CMC+0.04%燒堿。二是擴孔階段要求泥漿具有很好的護壁效果，防止地層坍塌，提高泥漿的攜帶能力，基本配方為：水+6%～8%鈉基膨潤土+0.06%HV-CMC+0.05%燒堿。三是回拖階段要求泥漿具有很好的護壁和攜帶能力，同時具有很好的潤滑降阻能力，因此粘度不能太大，基本配方為：水+5%鈉基膨潤土+0.06%HV-CMC+0.04%燒堿。

5.3 泥漿配制

現(xiàn)場配漿設(shè)備只有兩個自攪拌漿罐，一個容量20m3，另一個容量40m3。選取20m3漿罐為配漿罐，40m3漿罐為儲漿罐。配加料漏斗和射流泵，增加其攪拌能力。泥漿配制過程中應(yīng)注意以下事項：一是嚴格按照泥漿體系配方計算泥漿材料加量，按照水—膨潤土—處理劑順序依次添加泥漿材料；二是配制新漿過程中，至少保證20min的循環(huán)水化時間，采用馬氏漏斗粘度計和中壓濾失儀等實驗設(shè)備測定泥漿性能指標，達到要求后方可倒入儲漿罐；三是穿越施工過程中，應(yīng)注意監(jiān)測返漿情況，地層突變等情況及時上報，以便調(diào)整泥漿方案。

6 結(jié)語

水平定向鉆進技術(shù)在穿越河流時具有不破壞大堤、不擾動河床、對環(huán)境影響較小、施工周期較短、管道運營安全、綜合造價較低等優(yōu)點。應(yīng)用這一技術(shù)的關(guān)鍵是根據(jù)地質(zhì)條件制定施工工藝方案，保證管道成功穿越。