复杂地层下水平定向钻施工技术

复杂地层下水平定向钻施工技术董智杰渊河北省水利工程局袁石家庄050000冤

摘要院以水平定向钻穿越南水北调中线总干渠工程为例袁分析了施工技术尧方案尧工艺流程袁制订了切实可行的施工方法袁顺利完成了定向钻穿越工程袁为类似工程提供了宝贵经验遥关键词院水平定向钻曰施工方案曰导向扩孔曰安全监测中图分类号院TV5文献标识码院B文章编号院1672-9900渊2019冤01-0080-04DOI院10.19733/j.cnki.1672-9900.2019.01.26

Briefdiscussiononhorizontaldirectionaldrillingconstructiontechnologyundercomplicatedstratum渊HebeiHydraulicEngineeringBureau袁Shijiazhuang050000袁China冤

DONGZhi-jie

Abstract院Atpresent袁thetheoreticalresearchofhorizontaldirectionaldrillingtechnologyiscontinuouslydevelopedthroughengineeringpractice.ThearticleanalyzestheengineeringdifficultiesthroughthepracticalengineeringexamplesofhorizontaldirectionaldrillingthroughthemainchanneloftheHebeiShuibeiRegulation.Themainconstructiontechniques袁schemesandprocessflowareanalyzed.Apracticalandfeasibleconstructionmethodwasdeveloped袁andthedirectionaldrillingcrossingprojectwassuccessfullycompleted袁whichprovidedvaluableexperienceforsimilarprojectsinthefutureandwasavailableforpeerreference.

Keywords院horizontaldirectionaldrilling曰constructionplan曰guidingreaming曰safetymonitoring

1工程概况

磁县和谐大道污水管道穿越南水北调中线工程

术理论主要基于成熟的盾构施工袁在工程应用方面袁不同的工程地质条件对水平定向钻施工工艺方法不同袁穿越工程路径较长袁在不同地质层下穿越目前没有合适水平定钻施工技术方法能够解决袁尤其在本工程地质条件下施工非常困难袁工程所处场地有一定局限性袁存在一定风险遥穿越设备比较昂贵遥目前水平定向钻技术施工只是基于其他类非开挖施工技术的市政规范进行袁没有合适的施工设计标准袁单纯凭借施工经验去验证完善理论尧标准及规范遥

位于和谐大桥北侧袁与南水北调中线总干渠渊桩号管顶距渠底最小距离13m遥穿越管道采用外套钢塑复合管内穿PE管袁钢塑复合管管径DN700mm袁钢筒外径720mm袁壁厚14mm遥

该管线穿越区域地层复杂袁参杂一定厚度的卵石地层遥该工程区地层岩性主要为院上第三系中新统下段冰碛渊glQ12冤泥砾尧细砂袁其中上第三系中新统与上覆地层呈不整合接触遥

湖积渊N1冤黏土岩尧砂岩尧砾岩尧细砂袁第四系中更新统

18+790.89冤相交袁穿越管道的水平投影长347.62m袁

3

3.1

施工方案

施工工艺流程

采用水平定向钻施工技术需要提供安放设备场

2施工难点

水平定向钻施工技术目前存在许多问题袁其技

地和放置管线的足够空间场地袁提供给机械设备较大的放置面积袁通常钻进设备周边预留面积要满足一根钻杆长度的操作袁检查钻进设备有无杂物袁保证

咱收稿日期暂2018-11-15

咱作者简介暂董智杰渊1978-冤袁男渊汉族冤袁河北隆尧人袁高级工程师袁主要从事水利水电施工技术工作遥E-mail院1929977151@qq.com

圆园19年第1期董智杰院复杂地层下水平定向钻施工技术水科学与工程技术81能正常起吊遥设备也可分开摆放袁留出较小的面积放置可分离的设备遥应提供足够长的空间便于铺设管道的连接遥穿越工程的设计袁应尽量设法将欲铺设的全长度管线一次性拉入袁并尽可能地避免水平方向的弯曲袁多次回拉连接管线会增加施工风险遥但多数工程由于穿越路径太长袁均需要采用野二接一冶的工艺遥钻机进出口基坑的开挖及注入泥浆的使用池也要布置遥水平定向穿越进场前后必须进行地下管线及地下障碍物的仔细探查袁并做详细记录曰进行现场信号干扰探测袁明确干扰源或干扰区域遥

水平定向钻穿越施工流程主要包括施工准备尧精确导向尧钻导向孔尧逐级扩孔尧钢管焊接尧焊口检测尧水压试验尧管道发送尧管道回拖及竣工验收等遥定向钻穿越施工工艺流程如图1遥

测量放线业尧场地平整

施工作带清理

定向钻机入场运管尧分两段布管泥浆准备清管袁组对袁焊口预热尧焊接

钻机安转尧调试无损检测钻导向孔防腐尧补伤袁水压试验预扩孔

挖发送沟尧放水尧下管

接拉管接头管线回拖钢管二接一焊接管线继续回拖设备拆除尧退场尧地貌恢复

竣工验收

图1定向钻穿越施工工艺流程

3.2钻机选择

众多工程实践表明钻机的选择要依据回拖力的

大小袁根据地层条件尧工程参数来准确计算回拖力遥回拖力不仅可作为钻机的选择因素袁并关系着定向钻工程后期管道安装设计尧泵送泥浆压力等工程参数的设计遥本工程采用柔性管道模型袁净浮力法计算回拖力袁钻机选型HY-3000型钻机遥3.3

泥浆压力的确定

施工过程中泥浆压力的控制非常关键袁压力太大超过土体的最大允许压力值袁则可能造成土体塑性区贯通到地面袁产生冒浆袁使土体遭到破坏袁严重影响工程施工袁冒出到地表的浆液也会对环境造成

影响曰压力太小袁则达不到平衡地应力尧便于钻头切削土层的目的袁对维持孔壁土体稳定及钻头钻井不利遥以往通过经验公式计算得到的泥浆压力袁因经验公式无法充分考虑实际现场的地质情况袁而地层特性又是影响最大允许泥浆压力的重要因素袁所以本工程采用有限差分计算软件FLAC3D建立孔洞开挖模型袁对水平定向钻的扩孔过程进行数值仿真模拟袁通过模拟开挖过程中孔洞周围土体在不同泥浆压力作用下的塑性区扩展情况来确定施工时的泥浆压力袁如图2袁图3遥

图2开挖模型

图3孔洞内施加环向泥浆压力

在孔壁上施加逐渐增加的泥浆压力袁当泥浆压力超过0.3MPa后袁x拟结果得出孔壁的上下部塑性破坏发展十分剧烈遥当泥浆压力继续增大袁产生水压劈裂袁泥浆沿裂隙溢出地表袁对工程安全造成极大影响曰反之袁压力太小袁泥浆携带土屑的能力不足袁开挖掉的土沉积在孔洞之中袁另外泥浆也失去了护壁的效果遥根据计算机模拟袁当泥浆压力在0.2耀0.3MPa这个范围时袁土体的塑形破坏范围在1倍孔径内袁不会对工程的安全造成损害遥根据试钻结果袁最后泥浆的压力设定为0.3MPa遥3.4

钻导向孔

本次工程选择七分螺形状的钻头以射流的方式掘进遥钻进过程中高压泥浆的冲摄作用形成钻孔袁通过一定的倾斜角钻头掌握钻导向孔遥初始钻进时袁钻头通过动力设备的驱动下开始转动袁不断掘进土层曰在钻进过程中袁边使钻头回转边给进则钻进的方向会呈直线变化袁而钻头给进的同时袁回转停止则会使

82董智杰院复杂地层下水平定向钻施工技术水科学与工程技术圆园19年第1期钻进方向倾斜遥钻头的位置和方向是通过其内部的精确仪器来确定和追踪的遥每当钻杆钻进结束后袁都要对钻头进行检查袁对下一根钻杆进行钻进导向的参数调整袁以确保钻进过程形成钻孔姿态达到预期目标要求遥导向孔施工路线如图4遥

钻导向孔控向仪器导向钻头导向钻杆钻孔曲线图4导向孔施工

控向系统采用世界上最先进的paratrack2系统和人工辅助磁场相结合的方法袁确保穿越的精度遥为防止钻孔时导向孔与设计穿越曲线偏移袁本工程采取了以下技术措施遥3.4.1

精确放线工作

采用先进的全站仪对钻进导向标出精确路径袁给定向钻设备划定场地袁保证钻机钻头入土点尧出土点及钻机中线在相同轴线上遥每隔9.6m布设桩号袁并测出标高遥按照设计坡度计算出各桩点的管底标高袁再计算钻孔轨迹线上的桩点轨迹高程袁最后计算出钻孔在该点深度及钻孔斜度袁将偏差减小到最小遥3.4.2

桩点位置测量

将测得的数据与设计导向曲线对照袁有无偏差袁并及时调整遥对于弯曲段钻进要满足管线的曲率半径袁按照每3耀5根钻杆一组袁时刻观察导向轨迹袁确保铺设管线的方位准确无误遥3.4.3

导向孔严格按设计曲线钻进

钻进过程中袁钻杆角度变化要满足曲率半径及规范的要求误差之内遥以相邻3根钻杆为1组袁钻出1条圆滑曲线遥在整个钻进过程中必须保证定向手尧司钻手及施工关键技术人员的交流畅通遥以便对异常情况进行汇报袁及时沟通处理突发状况袁完成定向钻孔工程遥3.5

扩孔

当钻头在预计出土点出土后袁进行拆卸钻具换装钻杆袁安装扩孔器遥扩孔器入洞前喷射泥浆袁以便检查水嘴是否畅通袁在确定一切正常的情况下袁开始进行定向钻的扩孔作业遥扩孔施工如图5遥

本次水平定向钻穿越工程采用5级扩孔+6级洗孔袁选用51/2义S-135钻杆袁如表1遥

预扩孔钻杆扩孔器钻杆图5扩孔施工

表15级扩孔

层级

直径/mm设备124603600镶镶齿扩孔器4800镶齿51100930

镶齿扩扩孔孔器镶齿齿扩器扩孔孔器器当5级扩孔结束后袁扩孔效果是否满足要求袁如不满足要求袁需再次扩孔修整遥本工程钢管回拖扩孔直径为准720mm遥

扩孔作业按照高转速尧小进尺的要求尽量减少破碎岩石碎屑的产生遥将形成的细碎岩屑通过泥浆作用运输至地面或就近流入地层裂缝袁保证孔洞的干净遥若钻孔过程中洗孔数据发生异常袁则应立即停止扩孔袁待排除隐患后再进行作业遥

在完成每一级扩孔后进行洗孔袁根据地质条件及上一级的扩孔情况确定下一级的扩孔参数遥

设置带泥浆喷嘴长锥桶式扶正器袁这样可以保证整体组合所受浮力正常袁使导向扩孔更加精确袁能防止卡钻尧损坏钻进等设备的损害遥3.6

管线回拖

整个水平定向钻穿越工程最后要进行的是管道回拖步骤袁为方便以后管道的检修和更换袁该工程采用先回拖直径720mm尧壁厚14m的套管袁再在套管中回拉排污管线遥在钢管回拖前已经全部焊接完毕袁并按设计要求进行了水压试验曰托管接头与钢管受拉端焊接完毕袁并经超声波无损探伤检验合格遥用钩机配合安装扩孔器尧万向旋转接头尧野U冶型环袁并将扩孔器与钢管用分动器连接牢固袁检查合格后袁在吊车与钻机旋转牵引的配合下袁将焊接完成的管道拖入已成形的轨迹孔洞遥

本次管道回拖采用管沟发送遥在钻孔出口处袁发送沟挖成斜坡袁放坡角度与管线出土点的角度一致袁避免管道回拖时与钻孔形成较大的夹角袁减小回拖初期在出口处的绞盘效应遥

穿越管段钢管焊接完毕后袁沿穿越中心线开挖发送沟袁沟内无石块尧树根等硬物袁然后将管道第一

圆园19年第1期水科学与工程技术

83污水工程顶管施工技术应用方案董智杰渊河北省水利工程局袁石家庄050000冤

摘

要院以北京市大兴区的污水管道施工为例袁阐述了应用该施工技术袁并对施工中遇到的问题产生原因袁提出防治

措施袁保障了顶管工程的顺利进行遥关键词院顶管施工曰质量监控曰防治措施中图分类号院TV5

DOI院10.19733/j.cnki.1672-9900.2019.01.27

文献标识码院B

文章编号院1672-9900渊2019冤01-0083-03

Applicationofpipejackingconstructiontechnologyinsewageengineering渊HebeiHydraulicEngineeringBureau袁Shijiazhuang050000袁China冤

DONGZhi-jie

Abstract院Pipejackingtechnologyhasplayedahugeroleinsmallwaterconservancyprojectsandmunicipalprojectsasoneofthethreenon-excavationconstructiontechnologiesintheworld.TakingthesewagepipelineconstructioninDaxingDistrictofBeijingasanexample袁thearticleelaboratesonhowtoapplytheconstructiontechnologyindetail袁analyzesthecausesoftheconstructionproblemsencountered袁andproposespreventionandcontrolmeasurestoensurethesmoothprogressofthepipejackingproject.

Keywords院pipejackingconstruction曰qualitycontrol曰preventionmeasures

顶管施工技术作为一种非开挖工程技术手段在市政管道铺设尧城市轨道基建尧水利引水隧洞掘进等

工程上应用广泛袁该技术能够有效减少对地上建筑物及交通的影响袁并且在稳定土层和保护环境等方

咱收稿日期暂2018-11-15

咱作者简介暂董智杰渊1978-冤袁男渊汉族冤袁河北隆尧人袁高级工程师袁主要从事水利水电施工技术工作遥E-mail院1929977151@qq.com

段吊入沟内遥挖沟时袁表层土放置在下层袁深层土放置在上层遥用水泵将管沟中的泥浆水抽出袁确保管沟的断面尺寸施工要求遥3.7

管道连接

因为施工现场管道入土点附近空间较小袁不能放置全部管线遥所以本次以平行方式布置袁将管道两节并一节进行管道回拖作业遥当第一节管道即将完全回拖入孔时袁使用吊车将第二节管道吊入发送沟袁利用机械对两节管道进行对口袁临时加固遥3.8

渠道两侧渗压监测

由于施工时需要对孔洞内注浆袁浆液会从孔壁渗入到周围土体袁这种情况下会导致地下水位发生变化遥如果水位波动太大袁则会造成渠底应力发生变化袁对渠道稳定带来影响遥本次在渠道两侧预先打孔袁使

用吊锤对水位变化进行监测遥通过定期监测袁整个施工过程中地下水波动很小袁东侧水深稳定在7.91m袁西侧水深稳定在7.66m袁基本不会对渠道基底产生应力遥

4结语

本工程针对卵砾石地层定向钻施工工艺进行了分析袁制定了合理的施工方案袁平稳穿越了正在运行的南水北调总干渠袁为卵砾石地层的水平定向穿越项目的施工提供了宝贵经验袁具有很好的借鉴作用遥

参考文献院

咱1暂GB50424要2015袁油气输送管道穿越工程施工及验收规范咱S暂.咱2暂GB50251要2003袁输气管道工程设计规范咱S暂.

咱3暂SY/T4079要95袁石油天然气管道穿越工程施工及验收规范咱S暂.咱5暂GB50497要2009袁建筑基坑工程监测技术规范咱S暂.咱4暂GB50268要2008袁给水排水管道工程施工及验收规范咱S暂.

渊责任编辑院王艳肖冤