长距离非开挖穿越技术在岩石层_砂层的施工实践

０前言非开挖施工技术具有不需要大面积开挖，在城市管道施工中对交通干扰小，对环境的破坏和影响小，施工周期短等优点，在管道铺设经过大片的地面构筑物和地下管线及公路、铁路、河流等的施工中得到了广泛的应用，随着钻机能力的不断提高及钻具的不断完善，非开挖穿越施工长度也不断增加，施工地层也更加复杂。

下面结合我公司施工的广东立沙油品储运项目，输油管道穿越东江实例，具体介绍一下非开挖施工技术在穿越岩石层、砂层地层的应用。

１工程概况立沙油品储运项目输油管道穿越东江工程，为中海油惠州１２００万ｔ炼油厂配套项目，穿越水平长度１０８５ｍ，其中穿越岩石地层６８０ｍ，穿越管道规格为Φ４５７×７．９ｍｍＸ６０直缝埋弧焊钢质输油管及Φ１０８×６ｍｍ钢质光缆套管，输油管道采用三层ＰＥ加强级防腐，设计压力８．０ＭＰａ，穿越管道最大深度４１ｍ，曲率半径为１５００Ｄ（Ｄ为管道直径）。

该穿越场地属冲积平原型河谷微地貌，工程地质变化很大，穿越段两岸最大高差约８ｍ，北岸为荔枝园，南岸为砂石料场和民用建筑。

经地质勘察东江穿越管线主要穿越层为素填土、粉细砂、中砂、含卵砾砂、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩，局部穿越微风化花岗岩。

中风化花岗岩和微风化花岗岩属于较硬岩，最大单轴饱和抗压强度达到３６．７ＭＰａ。

２施工过程我公司采用ＦＫＷ－２００钻机施工，钻机最大拉力２２０ｔ，钻杆采用Φ１６８ｍｍ钻杆，导向及扩孔钻具均采用优质材料制成，导向孔先入花岗岩层后入砂层，扩孔及管道回拖先到砂层后经花岗岩层出土，施工周期三个月。

２．１测量放线及确定方位角由于本工程施工距离较长，出土平面允许偏差为１ｍ，因此测量放线及穿越方位角确定成为控制穿越轨迹平面及高程偏差的关键，测量放线主要是用全站仪、经纬仪等测量仪器将出土点和入土点确定在一条直线上，测算出入土点水平距离及出入土点的高程，并在入土点施工区域沿出入土点连线以２０￣２５ｍ标定５－６个控制点，以便于钻机摆放过程中的控位测量，并为导向方位角的确定提供基准线。

方位角的确定是以出入土点连线为基准，采用穿越导向系统在地面确定穿越线的方位角，具体做法是将探棒放入无磁导向钻艇内，并将无磁导向钻艇放在出入土点连线、延长线或平行线上，将钻铤与控向设备连接测出方位角、工具面向角及地磁强度，并反复取３－５组数据，然后取几组数据的平均数，作为导向中使用的方位角。

在测量方位角时无磁钻艇要远离高压电线，并应与钻机、发电机等施工设备保持一定距离以减少磁场干扰，确保采集数据的准确性。

２．２钻导向孔本次穿越导向设备采用美国ｓｈａｒｅｗｅｌｌ公司生产的ＭＧＳ有线控向系统，可在整个穿越过程中采用作者简介：陈勇（１９７９—），男，汉，辽宁台安人，毕业于安徽理工大学土木工程专业，工学学士，安徽煤田地质局两淮上海公司工程部经理。

收稿日期：２００８－０４－２６责任编辑：樊小舟长距离非开挖穿越技术在岩石层、砂层的施工实践陈勇（安徽煤田地质局两淮上海公司，上海２００１３５）摘要：立沙油品储运项目输油管道东江穿越工程，管道穿越水平距离为１０８５ｍ，穿越地层主要为不同风化程度的花岗岩及砂层等复杂地层，其中穿越最硬岩石单轴饱和抗压强度达到３６．７ＭＰａ，采用大型非开挖水平定向钻机进行施工。

简述了施工测量及确定方位角、钻导向孔、扩孔及管道回拖等主要施工过程。

通过采用加设直径３００ｍｍ导向套管、布置人工磁场等施工措施，有效地保证了穿越轨迹与设计曲线重合；在泥浆中添加堵漏剂等外加剂，防止泥浆从岩石裂隙中流失；在施工至砂层时增加泥浆粘度及添加润滑剂等措施防止塌孔，同时减小扩孔及回拖阻力；采用开挖发送沟并在沟内灌水，使管道在孔内保持悬浮状态等措施以减少管道的摩擦阻力，确保管道顺利回拖。

关键词：定向穿越；偏移；导向；扩孔；拖管中图分类号：Ｐ６３４．７文献标识码：Ａ文章编号：１６７４－１８０３（２００８）０８－００７４－０３中国煤炭地质ＣＯＡＬＧＥＯＬＯＧＹＯＦＣＨＩＮＡＶｏｌ．２０Ｎｏ．８Ａｕｇ．２００８第２０卷８期２００８年８月８期地面线圈系统配合ＭＧＳ系统进行准确跟踪定位。

由于本工程穿越距离较长，穿越地层主要为风化花岗岩，最大强度为３６ＭＰａ，为防止导向走偏，提高钻杆的推进力，在导向孔打到花岗岩时，从入土点到基岩界面加设长９０ｍ直径３００ｍｍ导向套管。

２．３扩孔本次穿越扩孔分五级进行：第一级采用４００ｍｍ牙轮扩孔钻头，进行第一次预扩孔，第二级采用５５０ｍｍ牙轮扩孔钻头，第三级采用７００ｍｍ牙轮扩孔钻头，第四级采用８５０ｍｍ牙轮扩孔钻头，第五级采用８００ｍｍ桶式钻头清孔。

由于穿越地层岩石强度高、难破碎，在扩孔过程中，回扩速度不宜过快，并认真监控钻机扭矩及拉力，遇到扭矩及拉力突然变化应停钻，尽快查明原因。

针对本段穿越岩石地层裂隙发育的特点，当扩至裂隙地带时，我们在泥浆中掺加适量堵漏剂以避免泥浆沿裂隙流失。

在扩孔至砂层时，采用ＣＭＣ和纯碱等添加剂增加泥浆粘度，防止塌孔。

２．３．１管道回拖管道拖管时，为减少钢管对地面的摩擦阻力并保护钢管的防腐层，采用开挖截面为１×１ｍ２，长度略长于穿越管道的发送沟，并在沟内注水使管道浮在沟内，同时用３￣５台挖掘机在地势起伏处用吊带将管道吊起，发送沟应确保与穿越线保持在一条直线上，避免因管道与钻杆夹角过大造成回拖过程中拉力过大。

３施工注意事项及措施３．１钻导向孔导向孔是定向钻穿越施工过程中重点控制的关键工序，导向孔质量的好坏直接影响钻机回拖时回拖扭矩与拉力的大小。

因此，导向孔与设计穿越曲线是否重合是关系到管道最后回拖成功的关键。

导向孔在钻进过程中偏离设计穿越曲线的原因可以归纳为四类：第一，钻机就位方位与管线设计穿越方位有偏差，造成在导向孔钻进的过程中其轨迹逐渐偏离设计穿越曲线；第二，受外部磁场的影响，控向方位角非管线走向的真实方位角，从而控向软件计算钻头方位的参数发生变化，导致从计算机采集的数据非钻头的真实位置；第三，受地质结构的影响，导向孔在钻进过程中要穿越不同的地层，由于各地层地质特征差异很大，即使是同一地层其硬度分布也会软硬不均，因此，钻头在钻进的过程中比较容易偏向相对较软的地层，造成与设计曲线发生偏移。

针对以上造成曲线偏移的原因，我们采取了如下应对措施：①保证钻机就位方位与设计管线中心线重合，钻机就位前，根据在入土点处已放出的控制点即管线穿越中心线点，根据穿越入土角、钻机尺寸算出钻机就位的精确位置，并用白灰或用线绳予以标记。

在钻机就位过程中，除了利用白灰或线绳标记作为就位的标准外，就位后还要用测量仪器测量钻机就位偏差，经计算钻机就位方位相对于管线中心线的角度偏差如果超过０．１°时，需要根据偏差情况重新调整钻机，经多次就位－测量－调整－再测量，直到偏差控制在０．１°范围内。

钻机就位后，计算出精确的偏差数值，在开始钻导向孔时及时调整此偏差为零。

②外部磁场对方位角的影响及控制，外部磁场主要由地下管道、地下光缆、刚性建筑物、大型船只、地上高压线等产生，这些外部磁场将影响地磁场强度和地磁角度，从而影响控向方位角，控向方位角的不确定最终导致钻孔时方向失控。

本段在穿越河流时，由于河流通航船只较多，并有高压线等外部磁场干扰较大，在导向施工过程中电脑显示方位角经常大幅度变化。

针对以上情况，我们在钻导向孔时，探测器到达外部磁场前，钻孔方向不能出现过大的左右偏移量，保持实际方位角与控向方位角的偏差在允许的范围内，在进入外部磁场时，实际方位角发生变化，此时的方位角与控向方位角不同，钻进时暂不考虑干扰后的方位角而直接按直线钻进，在进行数据测量时，根据控向工具面的位置输入与控向方位角接近的方位角。

钻头穿越过磁场干扰区后，计算机控向数据恢复正常，此时导向孔轨迹与设计穿越曲线偏差应当在许可范围内，万一两者偏差较大，首先计算出实际偏差量，然后将经过磁场干扰区的钻杆抽出后重新钻进，进行偏差调整。

③采用人工磁场与地磁场相互结合的方法，消除钻孔控向偏移钻机控向系统是依靠地磁场进行方位控制，通过钻头后面的探棒将导向孔参数传输到计算机。

地磁场容易受到地下管线、地下电缆、地面高压线等干扰，从而造成控向参数不准确。

人工磁场是在穿越中心线两侧布设的闭合线圈，布设简单方便，在施工中既经济又有效，其优点是它不受外部磁场的干扰，可以准确无误的将钻孔数据反映出来，当探棒到达此闭合的线圈区域内，接通直流电源产生磁场，通过人工磁场可以测得穿越轴线的左右偏移和穿越标高。

通过人工磁场与地磁场左右偏差的比较，可以确定目前钻头方位角，从而确定下一根钻杆的行进方位。

人工磁场在地磁场受干扰的情况下可陈勇：长距离非开挖穿越技术在岩石层、砂层的施工实践７５第２０卷中国煤炭地质以提供准确的管线穿越方位角，在地磁场不受干扰的情况下可以校正控向方位角的正确性。

④在穿越不同地层时预防偏移的措施在穿越过程中，不同的地层其岩性也不同，即使同一地层也会不同程度的存在软硬不一的情况，这必然会影响钻孔倾角与方位角角度的调整。

遇到这种情况时，每次调整的角度不应过大，调整范围控制在每次０．１°左右，每根钻杆多次调整以获得需要的倾斜角与方位角，同时在导向孔打到基岩的时候，加设直径３００ｍｍ导向套管，防止在软硬界面处造成导向走偏。

３．２扩孔扩孔能否顺利进行对管道回拖成功的至关重要。

由于本次穿越主要地层为岩石及砂层，岩石层裂隙发育，针对以上情况我们采取了以下措施：①在扩孔施工前，检修所有的施工设备，确保在扩孔回拖时不出现机械故障，在回拖开始后，严禁无故停工；②认真检查钻机锚固箱是否发生位移，如果发生了位移应立即采取措施进行加固处理，然后才能继续进行回拖扩孔作业；③在导向孔钻进时，严格按设计曲线施工，采用曲率半径为６８６ｍ（１５００Ｄ）保证钻孔的平滑；④在扩孔时严格控制泥浆压力、粘度及排量，根据地质条件，当扩至裂隙地带时，在泥浆中掺加适量堵漏剂以避免泥浆沿裂隙流失，减少河水倒灌，保证孔内泥浆粘度，提高泥浆的携渣能力及护壁作用。

在经过砂层时，在易产生塌孔地段，应确保泥浆粘度达到５５～６０ｓ，减少塌孔的可能性。

并在最后一次扩孔作业时，向泥浆中添加适当的润滑剂，以便在管线回拖过程中减小回拖阻力。

３．３管道回拖管道回拖是整个工程的重心，在回拖过程中，具体采取以下几点措施：①计算管线在泥浆中的浮力与管线自身的重力，如果浮力大于重力，说明在回拖的过程中，管线在充满泥浆的孔洞中挤压孔洞上壁前行，这势必造成管道回拖时摩擦力增大。

为此我们采取在回拖管道中注入适当体积的干净水，以平衡管道的浮力，确保管道在孔洞泥浆中处于完全悬浮状态，减小管道回拖过程中的摩擦阻力；②回拖时将管道放在发送沟内，发送沟里灌水。

发送沟中心线应与管道穿越中心线相重合，便于管道顺利进行回拖。