摘要：结合杭州市天然气利用工程所前门站-滨江调压站高压管线穿越沪混铁路、03省道定向穿越工程，介绍了水平定向钻（HDD）工艺在淤泥质土层向中风化熔结凝灰岩变化过程中采用单向夯钢套管、单向穿越的施工技术原理、施工流程方法。
关键词：淤泥质土层；熔结凝灰岩；HDD水平定向钻工艺；单向夯管；单向穿越
前言
在采用水平定向钻铺设长距离管线中，由于受地形、构筑物及特殊地质条件的影响，水平定向钻在穿越特殊地段施工中会存在一些技术难题，特别是穿越复杂地层就是一大难题，本工程由于地质情况复杂，水平定向钻穿越多层地质土，地质土强度软硬不均的突变，易引起孔位偏移，进而危及构筑物的安全，为解决此难题和节约施工成本，决定采用单向夯管、单向穿越的施工方法，下面以此工程为例，浅析一下单向夯管、单向穿越的工艺技术。
一、工程概况
杭州市天然气利用工程所前门站-滨江调压站高压管线穿越沪混铁路、03省道定向穿越工程，施工地点位于杭州市萧山区蜀山街道立新村，管道沿杭州绕城高速南线敷设，自东向西采用水平定向钻方式穿越沪昆铁路及03省道，管材为D610×11.9 L360直缝双面埋弧焊钢管，穿越水平长度468.6米，穿越最深处埋深约20m，管道设计压力4.0MPa。入土端软土层至岩石硬土层段采用φ1016钢套管隔离，钢套管水平长度63.8m，入土点位于03省道西测，出土点位于沪昆铁路东侧，入、出土点处现场地势较为平坦开阔，周围地貌主要为耕地和村间道路。
本工程需穿越电气化铁路区段，定向钻施工中同时要解决导向钻孔电气化铁路电磁场对定向钻导向信号源的干扰、扩孔后对铁路路基沉降影响接触网。
二、水文地质情况
本工程定向钻穿越的地层较复杂，出土端造斜段由上至下需穿越素填土、粉质粘土、砂质粉土、淤泥质粉质粘土，至水平段淤泥质粉质粘土；入土端造斜段由上至下需穿越素填土、粉质粘土、砂质粉土、全风化熔结凝灰岩、中风化熔结凝灰岩、淤泥质粉质粘土，至水平段淤泥质粉质粘土；入土端造斜段穿越03省道和沪昆铁路段时，需穿越105m的中风化熔结凝灰岩硬土层，由于03省道和沪昆铁路段两侧均为软土，定向钻穿越软硬不均强度突变的土层时，容易引起孔位偏移，不但给施工带来一定的难度，还会对现有铁路运行带来安全隐患。
本工程地下水主要为孔隙潜水与基岩裂隙水，因粉质粘土、砂质粉土、淤泥质粉质粘土层渗透系数较小以及基岩裂隙水含水量小，埋藏较深，对本工程影响意义很小。
三、方案比选
目前国内、外水平定向钻穿越的主要常用方法有如下几种：
穿越方法（一）：单向穿越→
示意图：
适用范围：普通地层；
优点：成本较低，施工简便，技术难度小；
缺点：受施工地层地质条件的局限；
国内、外应用情况：国内、外最常采用；
穿越方法（二）：单向夯管→ 单向穿越→
示意图：
适用范围：出土端具备开挖条件；
优点：成本相对较低，施工难度较高；
缺点：施工地层地质的局限性；
国内、外应用情况：国内、外普遍采用；
穿越方法（三）：双面夯管→← 单向穿越→
示意图：
适用范围：在出土端不具备开挖或大型设备无法进场的特定条件下；
优点：成本相对对穿工艺小，对应土层厚，高含水量的地层，在一端大型设备无法进出场的情况下，具有建设性的借鉴作用；
缺点：施工成本相对较高，施工难度大；
国内、外应用情况：国内、外应用此技术很少；
穿越方法（四）：双面夯管→← 双向穿越→←
示意图：
适用范围：在大型设备具备进场条件的情况下；
优点：相对成熟且应用较多的工艺；
缺点：施工成本高，场地条件受限；
国内、外应用情况：国内、外常采用；
结合本工程的实际情况，考虑到穿越03省道和沪昆铁路段时，定向钻需穿越中风化熔结凝灰岩，为降低施工难度和确保铁路安全及减少施工成本，经过多次的对比分析和方案论证后，决定采用单向夯管、单向穿越的施工工艺，入土端造斜段穿越软土层采用夯钢套措施进行隔离。
四、水平定向钻单向夯管、单向穿越工艺技术
1、定向钻单向夯管、单向穿越施工工艺流程
场地平整→入土端夯管平台修筑及导轨安装→正向夯管→钻机进场安装调试→导向孔钻进→分级扩孔→回拖管线→管道割接→完工清理退场。
2、钻孔轨迹计算及回拖力计算
2.1、钻孔轨迹计算
本工程采用美国产的DISSTMGS有线导向仪进行导向作业，根据工程实际勘测结果，结合设计图纸，综合确定管道导向孔的设计参数（入土角度、长度、曲率半径、埋深、造斜长度、出土角度），从而绘出导向孔轨迹图，如下图所示，确定其施工现场位置。
1）管线入土角α1=9°
2）管线出土角α2=7°（牵引管施工出土角控制在6°-8°之间）
3）管线入土曲线及直线长度L1=208.04m
4）管线出土曲线及直线长度L2=225.46m
钻孔轨迹的曲线半径应满足管道的曲率半径，管道的曲率半径按R≥1200×0.61=732m，故入、出土端曲线曲率半径R=915米（1500D）满足规范要求。
2.2、定向钻回拖力计算
本工程根据穿越的长度、入土角、出土、曲率半径、以及管材的管径、壁厚，采用中国非开挖协会经验公式计算定向钻回拖力，计算公式如下：
F=[πD2Lγ1/4-π（D2-ds2）/4×L×γs]×K
F：计算回拖力
L：穿越长度，468.6m
D：管道外径0.610
ds：管道内径0.586m
γs：管道容重7.85×103N/m3
γ1：泥浆重度1.2×103N/m3回拖力
K：管壁与孔壁之间摩擦系数，一般在0.2~0.8之间，取0.5 经计算回拖力F=41.4吨，考虑2的安全系数，最大回拖力为83吨。
以上是根据理论计算公式计算得出的回拖力，但实际回拖力的大小与施工选用的发送方式、水力漂浮状态、泥浆性能和管道在洞中位置有关，结合设计说明，我们选择GD1100-L钻机回拖（最大回拖力为110吨），能满足施工要求。
3、泥浆制配
泥浆制配的好坏对定向钻工程的成功与否起着决定性的作用，根据本工程需穿越淤泥质粉质粘土地层及岩石层，泥浆配比采用水：纯碱：膨润土（高含量）：降失水剂：增黏剂 =1：0.005：0.05：0.004：0.005的泥浆配比，并在施工中采用马氏漏斗每小时测一次，以确保泥浆满足穿越特殊地层的施工要求。
4、定向控制测量
目前在长距离定向钻穿越施工时，为了保证导向孔曲线符合设计要求，在进行导向孔钻进时，导向控制人员需要严格控制曲线的走向，随时掌握导向孔轨迹情况，并实时发出指令指导司钻操作人员进行导向孔钻进调整，本工程测量控制分二个阶段：
（1）、导向孔钻进过程中的测量控制：在钻进导向孔时，钻进工作人员利用跟踪仪，确定钻具位置，利用导向仪获取的数据与预先设计的基准线和实际轨迹进行比较，每钻进2～3m时进行一次测量计算，随时调整钻进轨迹，钻头出口处露出地面，测量实际出口是否在误差范围内，如果钻孔的一部分超出误差范围，应回拉钻杆，重新钻进钻杆的偏斜部分。
（2）、扩孔过程中的测量控制：在回扩操作时，应采用与地层相匹配的回扩器和适当的钻进液流量。准确记录每一根钻杆的扭矩及拉力，当回扩至D500以上时，前后增加扶正器，以确保管线施工过程中的轴线偏差在规定范围内。
施工准备阶段：RD4000管线探测仪、全站仪、J3水准仪。
导向孔及扩孔施工阶段：美国DISSTMGS 导向系统。
通过以上二个阶段的定向控制测量，精确的控制了出土位置。
5、电气化区段电磁场对定向钻导向信号源的干扰，采取布置人工磁场方式解决
人工磁场就是在穿越的中心线上加一个人工、可计量的磁场，来消除不稳定因素造成磁场变化对控向仪器的影响。因为该磁场是稳定可控的，所以能最大限度的提高导向精度。人工磁场在穿越中心线两侧布设闭合导线圈，通电后形成外加磁场，用以对控向参数的复核。人工磁场可不受任何外部磁场的干扰，准确反映钻头所在的具体位置、左右偏移量和穿越点高程情况，通过人工磁场的布设大大提高了控向精度，保证该工程导向一次成功。
6、入土端造斜段夯套管
气动夯管铺管技术就是以压缩空气为动力，驱动夯管锤产生巨大的冲击力，此冲击力通过调节锥套、出土器和夯管头作用于钢管一端，再通过钢管传递到另一端的管靴上，切割土体，并克服地层对管体的摩擦力使钢管不断进入土层，被切割的土芯进入钢管内，待钢管抵达目的地后，将管中的土芯排出，即完成铺管，适用于短钢管的非开挖铺设。主要工序为：测量放线—工作坑开挖—导轨安装—钢套管安装—夯锤安装—钢套管夯击—接口连接—掏碴及碴土外运。
本工程套管设置在入土端造斜段至岩石端用于对软土层的隔离，套管采用φ1016钢套管，在导向孔施工前，沿入土角度夯入中风化溶结凝灰岩中，为使夯击的钢套管进入岩石层时，其平面位置和轴线符合设计要求，需在套管前端设置一个1％～2%的下沉角度，用以抵消因钢套管前端周围的土层被夯锤动力振落于钢套管下部形成一个的抬头趋势量，这个抬头量一般为钢套管长度的1％～1.5％，钢套管长度越长时上升量越大。每夯入一节钢套管，复测一次位置，确认符合要求后，再夯击下一节，如此反复进行，直至进入岩石层。
7、分级扩孔
夯钢套管完成后，根据定向穿越管道外径为φ610mm，且大部分穿越在淤泥质粉质粘土中通过，部分为岩石中通过，为保证管道回拖顺利进行，本工程分级扩孔采用Φ350~Φ950的7级回扩孔，每级扩孔增加10cm；导向孔完成后，先对岩石段进行正扩孔工艺扩孔，待岩石段扩孔完成后，钻机及其机器设备全部倒场到出土点作业场地，再进行软土层扩孔，岩石段采用岩石扩孔器，软土段采用土质扩孔器，清孔采用桶式清孔器。
8、管道回拖
管道回拖作为水平定向钻工艺的最后一步，也是最关键的一步，回拖时必须做好充分的准备工作，需检查钻具的连接可靠性、有效性和泥浆喷嘴、回拖旋转接头是否正常工作，并准备好必要的减阻物质和助力机械；还需检查钻杆、麻花钻杆、切割刀、扩孔器、旋转接头、U形环到管道的连接情况。回拖过程中，还要认真观察浆泥运行情况，管道回拖施工需连续进行，严禁在施工中无故停拖，避免因停工造成阻力增大。
9、扩孔后对铁路路路基沉降影响接触网；
本工程定向钻均位于软土地层，为避免定向钻顶进及扩孔对既有铁路路基沉降产生不利影响，分级扩孔过程中，泥浆护壁形成均衡压强的孔洞、洞壁不坍塌，孔洞内压与土体压强相对平衡，扩孔完成后在回拖布管过程中增设1-φ100×8mmMPP注浆管，与主管一并拖入，待回拖就位后进行压密注浆，对软土地基及管道空隙进行压密注浆。
五、铁路线路防护及监测：
根据铁路营业线、邻近营业线施工管理相关规定，本工程中的穿越铁路定向钻施工属于邻近营业线施工，按要求要与铁路设备管理单位签订安全协议、行车组织单位签订安全协议，并审报邻近营业线施工计划。
本工程线路防护工作委托设备管理单位实施。
1.监测依据
1.1《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009）
1.2《建筑变形测量规范》（JGJ8-2016）
1.3《铁路线路修理规则》（铁运[2006]146号）
2.监测内容
为了确保铁路路基的稳定，在施工过程中必须采取周密的二十四小时监测措施。
2.1 铁路路基的水平变形和沉降。
2.2 铁路轨道的几何状态。
2.3 建筑物位移、沉降监测。
3.监测指标
3.1 穿越处的铁路路基应每间隔5m至少布置一组沉降和位移监测点。
3.2 建筑物的沉降和位移观测根据实际调查情况进行设置。轨道几何状态检查主要对穿越处施工点范围内的线路进行监测。
结束语：
本工程的顺利完成，说明水平定向钻单向夯管、单向穿越施工技术对砂卵石等特殊地层的是先进、可行、可靠的，完全达到水平定向钻施工的质量要求。
本工程为水平定向钻单向夯套管、单向穿越施工技术运用的成功经验，同时也为以后同类水平定向钻施工提供了很好的先例。
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论文作者:庞祖康
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
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