非開挖技術論文(2)
非開挖技術論文
非開挖技術論文篇二
非開挖穿越施工技術
摘 要：定向鉆作為非開挖穿越技術具有工期短、造價低、節約工程材料和保護環境等優點在油氣管線施工中被越來越多的單位重視和采用。本文結合川氣東送管道黃湓河支流定向鉆穿越工程，對定向鉆穿越施工工法進行詳細說明，并就定向鉆施工中如何避免冒漿和產生"S"曲線提出防范措施。
關鍵詞：定向鉆 黃湓河支流 非開挖穿越 冒漿
一、前言
對石油和天然氣來說，管道運輸具有低成本、安全、節能、環保等多方面的優勢，目前能源輸送按照一程運輸大型化、二程運輸管道化的方向發展。因長輸管線輸送距離長，其管線敷設不可避免要穿越人工或天然障礙地段，如：河流、湖泊、鐵路、公路、地上和低下建(構)筑物等。一般穿越的施工方法分五類：定向鉆、頂管、盾構、隧道和大開挖穿越施工。本文以黃湓河支流定向鉆穿越施工為例，僅就定向鉆施工情況進行說明。
黃湓河支流定向鉆穿越位于川氣東送管道工程主干線安徽東至段，設計穿越水平長度717.35米，入土角9°，出土角6°，鋼管材質為X70，規格為Φ1016×21mm 直縫埋弧焊鋼管。根據鉆孔30.2m深度鉆探表明，穿越段地巖土層結構均為粉質粘土，呈褐黃色、褐灰色，干強度中等，韌性中等，切面光滑，質較純。
二、定向鉆穿越施工
1.定向鉆施工的特點
1.1定向鉆穿越施工具有不阻礙交通，不破壞綠地、植被等優點，解決了傳統開挖施工對交通，環境，周邊建筑物基礎的破壞和不良影響。
1.2現代化穿越設備的穿越精度高，易于調整敷設方向和埋深，穿越段弧形管線敷設完全可以滿足設計要求埋深，并且可以使管線繞過地下的障礙物。
1.3采用水平定向鉆機穿越施工時，沒有水上、水下作業，不影響江河通航，不損壞江河兩側堤壩及河床結構。
1.4施工不受季節限制，與其他施工方法比較，進出場地速度快，施工場地調整靈活，并且施工占地少、工程造價低、 施工速度快。
1.5大型河流穿越時，管線埋在地層以下 9m～18m，地層內部的氧及其他腐蝕性物質很少，可以起到自然防腐和保溫的功用，保證管線運行時間更長。
2.水平定向鉆穿越施工工藝
使用水平定向鉆機進行管線穿越施工，一般可分三個階段，結合黃湓河支流定向鉆穿越施工對定向鉆穿越施工的三個階段工法進行分析。
2.1鉆導向孔。鉆機安裝在入土點一側，從入土點開始沿設計好的線路鉆一條從入土點到出土點的曲線，作為預擴孔和回拖管線的引導曲線;根據黃湓河支流的地質情況，選擇S135級5″鉆桿、無磁鉆鋌、鉆頭;穿越前根據設計軌跡圖繪制控向穿越圖，確定實際入土點及入土角度，然后開動泥漿泵對準入土點進行鉆進，鉆頭在鉆機的推力作用下旋轉切削地層，不斷前進，每鉆完一根鉆桿要測量一次鉆頭的實際位置，并與設計軌跡圖進行比較，以便及時調整鉆頭的鉆進方向，保證所完成的導向孔曲線符合設計要求，直到鉆頭在預定位置出土，完成整個導向孔的鉆孔作業。
2.2回擴孔。擴孔直徑應根據不同的管徑、穿越長度、地質條件和鉆機能力來確定。當管徑<219mm時，最小擴孔直徑>管徑100mm，當管徑在219mm～610mm之間時，最小擴孔直徑約為管徑的1.5倍，當管徑>610mm時，最小擴孔直徑>管徑300mm。黃湓河支流定向鉆穿越管道直徑為1016mm，需擴孔直徑為1300mm，根據地質情況采用分級、多次擴孔的方式進行。
2.2.1導向鉆孔完成后，鉆頭在出土點出土，裝上Φ300擴孔器，試泥漿，確定擴孔器沒有堵塞水眼后開始擴孔。鉆頭和鉆桿必須確保連接到位、牢固才可回擴，以防止回擴過程中發生脫扣事故。
2.2.2根據各段不同土質配制不同濃度的泥漿，使其每次擴孔時回拖力的數值和扭距值控制在鉆機正常工作參數之內。
2.2.3回擴過程必須根據不同地層地質情況以及現場出漿狀況來確定回擴速度、泥漿濃度及壓力，以此來確保成孔質量。
2.3管道回拖。回拖預制管線時先將擴孔工具和管線連接好，然后開始回拖作業，并由鉆機轉盤帶動鉆桿旋轉后退進行擴孔回拖。因為擴好的孔中充滿泥漿，所以產品管線在擴好的孔中是處于懸浮狀態的，這樣既減少了回拖阻力，又保護了管線防腐層。
2.3.1回托力計算：根據穿越管段長度、直徑和壁厚以及摩擦系數等計算回托力，經計算穿越管道回拖力為132.27t。回拖設備按照大于計算值的1.5倍選擇，現場選用 PD-250/90RP履帶式水平定向鉆機，回拖力為250噸。
2.3.2發送溝開挖：發送溝開挖斷面尺寸為2m×1.5m，開挖時應根據管道穿越6°出土角的大小，在縱向上將溝底開挖成一定弧度，以保證管道回拖時管道順利進入孔洞內。發送溝內應注水，管溝內最小注水深度大于穿越管徑的1/3。
2.3.3洗孔：通過前面的幾次預擴孔，基本形成了穩定的孔壁。洗孔主要工作就是保證孔眼清潔和保持孔壁穩定以減少管線的回拖阻力。
2.3.4管道回拖：回拖前需檢查擴孔器內各通道及各泥漿噴嘴是否通暢，孔內是否干凈，再將鉆桿、擴孔器、回拖活節和被安裝管線依次連接好，然后慢慢轉動鉆桿并注入泥漿，確定旋轉接頭工作良好，擴孔器泥漿孔沒有堵塞后開始回拖管道。回拖的過程中根據鉆機參數，并注入適量的泥漿，減少管道與孔壁的摩擦以確保管壁防腐層不被破壞，并能使管道與孔壁的縫隙充分添滿，通過膨潤土的膨化作用完成孔壁與原土的完全結合。
管道回拖完畢后進行穿越管道的通球、測徑、試壓檢查穿越管道的質量，合格后進行兩端連通并及時恢復地貌，至此穿越施工結束。
三、定向鉆施工中的問題分析及處理
1.定向鉆孔冒漿問題。冒漿即定向鉆在鉆孔和擴孔時孔洞中泥漿壓力大于其上水、土壤的自重之和或鉆孔處在地質薄弱的地段時泥漿沿土層顆粒間的縫隙竄到地面的情況。一般造成冒漿的原因及處理措施有以下幾種： 1.1擴孔器選擇不當，造成孔內憋壓。常見的擴孔器有刀式、桶式和巖石擴孔器①，其中刀式擴孔器適用于黏土、粉質黏土和一些塑性較好的土層，桶式擴孔器適用于淤泥質黏土和塑性差的土層，巖石擴孔器適用于硬度達到30Mpa以上的硬質巖層。如粉質黏土層使用了桶式擴孔器，因桶式擴孔器本身是完全封閉的錘狀，擴孔時與孔壁完全接觸，沒有泥漿循環的通道，且孔壁周圍為塑性較好的密實黏土，會造成泥漿循環不暢通，局部升壓，在一些土層不密實的地方就會形成冒漿。預防措施：其一是施工前根據建設單位提供的地質報告到現場實際踏勘，若有不足，可根據現場情況向建設單位提出補勘申請，收集并分析地勘資料;其二是隨時觀察泥漿的輸入壓力，如泥漿壓力急劇上升，應立即停止鉆桿的推進，改為往鉆機方向拉鉆桿，使鉆頭迅速離開切削面，降低泥漿的壓差，然后用更慢的推力和推進速度鉆進。
1.2出入鉆點淺土層的施工過程中，會因為地層疏松而出現孔漏現象。預防措施：其一是施工中采用“兩高一適當”的泥漿方案(即高粘切、高土含、適當濃度的封堵材料)，在滿足定向鉆施工要求的前提下，增加泥漿的稠度，稠度增加，泥漿顆粒間自由水減少，此時的泥漿為可塑和流動狀的混合體，泥漿通過孔上縫隙時失水增稠，慢慢形成穩定致密隔離層，阻礙冒漿發生對比較薄弱部位通過;其二是采取預壓、強夯、換填等方式進行地基的處理，也能有效防止冒漿。
1.3輸送泥漿壓力大，造成冒漿。因泥漿的壓力越大，在鉆進時鉆頭所需的扭矩越小、鉆進速度也會加快，從而加快進度、縮短工期。對此施工時承包商應認識到不能為了追求施工進度而忽視了冒漿帶來的環境破壞、經濟損失和潛在隱患，應將泥漿壓力、鉆具扭矩、推進速度綜合調整到最佳狀態。
2.防止定向鉆在鉆孔時呈“S”型的措施
在定向鉆穿越的施工過程中，導向孔的平滑與否、能否與設計曲線一致，避免導向孔“S”型的出現是順利完成穿越施工的先決條件。據此現場可采取以下措施防止“S”型鉆孔：一是在測量放線過程中，為保證其準確性，用全站儀對出、入土點進行多次確認;二是在穿越中心線上，結合地形和地貌建立人工磁場來控制穿越曲線的精度。即在穿越中心線兩側布設閉合線圈，接通直流電源產生磁場，當探頭到達次閉合線圈區域，通過人工磁場可以測得穿越曲線的標高和左右偏差。人工磁場不受外部磁場的干擾，可以準確無誤地將鉆孔數據反映出來;三是施工前進行地質條件的分析，根據設計曲線在坐標紙上以每根鉆桿連接的方式畫出穿越曲線圖，給每根鉆桿標號注明相應的地質情況。在鉆進過程中，根據鉆進位置的地層情況對泥漿粘度進行控制，隨時根據地質條件調整泥漿壓力、泥漿配比等參數，防止地下的塌陷等到因素影響鉆進方位角的變化。
四、結語
隨著人們環保意識的逐漸加強，非開挖穿越技術憑借其施工速度快、成本低、對周邊環境影響小等優點，越來越多地受到人們的關注。定向鉆作為非開挖穿越的典型施工方法，只要在施工前對工程內容進行具體詳盡的分析、研究，針對不同的工程情況采取可靠的措施，進行不同的處理，穿越施工的成功率將大大提高。
參考文獻
[1]孫宏全.石油工程建設.2007.定向鉆穿越的冒漿分析及對策41-42.
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