非开挖穿越施工
摘要：定向钻作为非开挖穿越技术具有工期短、造价相对较低、有利于环境保护、节约工程材料等优点在长输管线施工中被越来越多的施工单位重视和采用。本文结合川气东送管道黄湓河支流定向钻穿越工程一方面就定向钻穿越施工的工法进行详细说明，另一方面就定向钻施工中如何避免产生冒浆和穿越时产生“S ”曲线提出防范措施。
关键词：定向钻 黄湓河支流 非开挖穿越 冒浆
一、前言
对石油和天然气来说，管道运输具有低成本、安全、节能、环保等多方面的优势。目前能源输送按照一程运输大型化、二程运输管道化的方向发展，从无到有，中国石化已形成总长1万多公里的原油、成品油、天然气管道。
因长输管线输送距离长，其管线敷设于各种地质状况不同的地段，不可避免的穿越人工或天然障碍地段，例如：河流、湖泊、水库、铁路、公路、地上和低下建（构）筑物等，一般穿越的施工方法分为五类：定向钻穿越施工、顶管穿越施工、盾构穿越施工、大开挖穿越施工、隧道穿越施工。本根据黄湓河支流定向钻穿越的施工经验为例，仅就定向钻施工情况进行说明。
黄湓河支流定向钻穿越位于川气东送管道工程主干线安徽东至段，设计穿越水平长度717.35米，入土角9°，出土角6°, 钢管材质为X70，规格为Φ1016×21mm 直缝埋弧焊钢管。根据钻孔30.2m 深度钻探揭露，穿越段地岩土层结构单一，均为粉质粘土，呈褐黄色、褐灰色，干强度中等，韧性中等，切面光滑，质较纯。
二、定向钻穿越施工
1、定向钻施工的特点
(1)定向钻穿越施工具有不阻碍交通，不破坏绿地、植被等优点，解决了传统开挖施工对交通，环境，周边建筑物基础的破坏和不良影响。
(2)现代化穿越设备的穿越精度高，易于调整敷设方向和埋深，穿越段弧形管线敷设完全可以满足设计要求埋深，并且可以使管线绕过地下的障碍物。
(3)采用水平定向钻机穿越施工时，没有水上、水下作业，不影响江河通航，不损坏江河两侧堤坝及河床结构。
(4)施工不受季节限制，与其他施工方法比较，进出场地速度快，施工场地调
整灵活，并且施工占地少、工程造价低、 施工速度快。
(5)大型河流穿越时，管线埋在地层以下 9m～18m ，地层内部的氧及其他腐蚀性物质很少，可以起到自然防腐和保温的功用，保证管线运行时间更长。
2、水平定向钻穿越施工工艺
使用水平定向钻机进行管线穿越施工，一般可分为三个阶段：第一阶段是按照设计曲线钻一个导向孔；第二阶段是将导向孔进行扩孔，具体孔径根据穿越管径确定；第三阶段是将管线沿着发送沟回拖到导向孔中，完成管线穿越工作。下面结合黄湓河支流定向钻穿越施工对定向钻穿越施工工法进行分析。
(1)钻导向孔。钻机被安装在入土点一侧，从入土点开始沿着设计好的线路钻一条从入土点到出土点的曲线，作为预扩孔和回拖管线的引导曲线。根据黄湓河支流穿越的地质情况，选择S135级5″钻杆、无磁钻铤、钻头，穿越前根据设计轨迹图绘制控向穿越图。确定实际入土点及实际入土角的角度，然后开动泥浆泵对准入土点进行钻进，钻头在钻机的推力作用下由钻机驱动旋转切削地层，不断前进，每钻完一根钻杆要测量一次钻头的实际位臵，并与设计轨迹图进行比较，以便及时调整钻头的钻进方向，保证所完成的导向孔曲线符合设计要求，如此反复，直到钻头在预定位臵出土，完成整个导向孔的钻孔作业。
黄湓河定向钻穿越轨迹图
穿越水平距离717.1（米）
入钻点9度穿越深度为22.2（米）出钻点6度
(2)回扩孔。扩孔直径应根据不同的管径、穿越长度、地质条件和钻机能力来确定。最小扩孔直径与穿越管径的关系见下表：
最小扩孔直径与穿越管径关系表
黄湓河支流定向钻穿越管道直径为1016mm ，需扩孔直径为1300mm ，根据地质情况采用分级、多次扩孔的方式进行。分别采用 Φ300mm 、Φ400mm 、Φ500mm 、Φ600mm 、Φ700 mm 、Φ800mm 、Φ900mm Φ1000 mm 、Φ1100mm 、Φ1200mm 、Φ1300mm 钻头分级扩孔。
①导向钻孔完成后，钻头在出土点出土，按上Φ300扩孔器，试泥浆，确定扩孔器没有堵塞的水眼后开始扩孔。钻头和钻杆必须确保连接到位、牢固才可回扩，以防止回扩过程中发生脱扣事故。
②根据各段不同土质配制不同浓度的泥浆，使其每次扩孔时回拖力的数值和扭距值控制在钻机正常工作参数之内。
③回扩过程必须根据不同地层地质情况以及现场出浆状况来确定回扩速度、泥浆浓度及压力，以此来确保成孔质量。
回扩孔示意图
钻机回扩孔操作图
(3)管道回拖。回拖预制管线时先将扩孔工具和管线连接好，然后开始回拖作业，并由钻机转盘带动钻杆旋转后退进行扩孔回拖。产品管线在回拖过程中是不旋转的，因为扩好的孔中充满泥浆，所以产品管线在扩好的孔中是处于悬浮状态的，管壁四周与孔洞之间由泥浆润滑，这样即减少了回拖阻力，又保护了管线防腐层，经过钻机多次预扩孔，最终成孔直径比管子直径大300mm ，所以不会损伤防腐层。
①回托力计算
水平定向钻回拖时的拉力计算公式如下：
D 2
F 拉＝πLf ［4-（D-δ）δ×7.85］+kπDL
式中：F 拉--计算的拉力：132.27t
L —穿越管段的长度：717.35m
f —摩擦系数：0.1～0.3（核定取值为0.3）
D —管子的直径：1.016m
δ—管子的壁厚：0.021m
k —粘滞系数:0.01～0.03（核定取值为0.03）
经计算穿越管道回拖力F 拉为132.27t 。回拖设备按照大于计算值的1.5倍选择，现场选用 PD-250/90RP履带式水平定向钻机，回拖力为250吨。 ②发送沟开挖
发送沟开挖断面尺寸为2m ×1.5m ，发送沟在开挖时应根据管道穿越6°出土角的大小，在纵向上应将发送沟沟底开挖成一定弧度，
以保证管道回拖时管道内
顺利进入孔洞内。发送沟内应注水。管沟内最小注水深度超过穿越管径的1/3。发送沟开挖断面图如下： 钻孔发送沟底为弧线管道发送沟
③洗孔
通过前面的几次预扩孔，基本形成了稳定的孔壁。洗孔主要工作就是保证孔眼清洁和保持孔壁稳定以减少管线的回拖阻力。
④管道回拖
管道回拖前必须检查扩孔器内各通道及各泥浆喷嘴是否通畅，孔内是否干净，检查好后将钻杆、扩孔器、回拖活节和被安装管线依次连接好然后慢慢转动钻杆并注入泥浆，确定旋转接头工作良好，扩孔器泥浆孔没有堵塞后开始回拖管道。回拖的过程中根据钻机参数，并注入适量的泥浆，减少管道与孔壁的摩擦以确保管壁防腐层不被破坏，并能使管道与孔壁的缝隙充分添满，通过膨润土的膨化作用完成孔壁与原土的完全结合。
管道回拖完毕后进行穿越管道的通球、测径、试压检查穿越管道的质量，合格后进行两端连通并及时恢复地面原貌，至此穿越施工结束。
管道回拖示意图
管道回拖发送沟图片 管道回拖用拖头图片
三、定向钻施工中的问题分析及处理
1、定向钻孔冒浆问题
冒浆即定向钻在钻孔和扩孔时孔洞中泥浆压力大于其上水、土壤的自重之和或钻孔处在地质薄弱的地段时泥浆沿土层颗粒间的缝隙窜到地面的情况。一般造成冒浆的原因有以下几种：
（1） 扩孔器选择不当，造成孔内憋压。
常见的扩孔器有刀式扩孔器、桶式扩孔器、岩石扩孔器①，其中刀式扩孔器适用于黏土、粉质黏土和一些塑性较好的土层，桶式扩孔器适用于淤泥质黏土和塑性差的土层，岩石扩孔器适用于硬度达到30Mpa 以上的硬质岩层。如粉质黏土层使用了桶式扩孔器，因桶式扩孔器本身为圆锥状，自身是完全封闭的锤状，扩孔时与孔壁完全接触，没有泥浆循环的通道，并且孔壁周围为塑性较好的密实黏土，会造成泥浆循环不畅通，局部升压，在一些土层不密实的地方就会形成冒浆。预防措施如下：
①收集地质勘探资料。施工前根据建设单位提供的地质报告到现场实际踏勘，若有不足部分，可根据现场情况向建设单位提出补勘申请。
②随时观察泥浆的输入压力。如泥浆压力急剧上升，可采取立即停止钻杆的推进，改为往钻机方向拉钻杆，使钻头迅速离开切削面，降低泥浆的压差，然后用更慢的推力和推进速度钻进。
（2）出入钻点浅土层的施工过程中，会因为地层疏松而出现孔漏现象。预防措施如下：
①施工中采用“两高一适当”泥浆方案（即高粘切、高土含、适当浓度的封堵材料）
，在满足定向钻施工要求的前提下，增加泥浆的稠度，稠度增加，泥浆
颗粒间自由水减少，此时的泥浆为可塑和流动状的混合体，泥浆通过孔上缝隙时失水增稠，慢慢形成稳定致密隔离层，阻碍冒浆发生。
②对比较薄弱部位通过预压、强夯、换填等方式进行地基的处理，也能有效防止冒浆。
（3）输送泥浆压力大，造成冒浆。
因泥浆的压力越大，在钻进时钻头所需的扭矩越小、钻进速度也会加快，从而加快进度、缩短工期。对此施工时承包商应认识到不能为了追求施工进度而忽视了冒浆带来的环境破坏、经济损失和潜在隐患，应将泥浆压力、钻具扭矩、推进速度综合调整到最佳状态。
2、防止定向钻在钻孔时呈“S ”型的措施
在定向钻穿越的施工过程中，导向孔的平滑与否、能否与设计曲线一致，避免导向孔“S ”型的出现是顺利完成穿越施工的先决条件。
钻机的控向系统由探测器、计算机、打印机和钻机控制台组成。探测器检测到地磁场和重力信号，通过导线传到接口单元，经过A/D转换、微控制电路、调制器，转换为一系列信息数据，经过检波输入计算机，通过计算机控向程序处理，显示出定向信息，然后将这些参数传送到钻机控制台。控向人员从计算机显示的数据就可以知道钻头离地面的深度、实际钻进距离、左右偏差等情况，通过和设计曲线进行核对，确定下一根钻杆走向，由司钻人员进行钻头行进方向的调整。据此现场可采取以下措施防止“S ”型钻孔：
① 在测量放线过程中，为保证其准确性，用全站仪对出、入土点进行多次确认；
②在穿越中心线上，结合地形和地貌建立人工磁场来控制穿越曲线的精度。即在穿越中心线两侧布设闭合线圈，接通直流电源产生磁场，当探头到达次闭合线圈区域，通过人工磁场可以测得穿越曲线的标高和左右偏差。人工磁场不受外部磁场的干扰，可以准确无误地将钻孔数据反映出来；
③施工前进行地质条件的分析，根据设计曲线在坐标纸上以每根钻杆连接的方式画出穿越曲线图，给每根钻杆标号注明相应的地质情况。在钻进过程中，根据钻进位臵的地层情况对泥浆粘度进行控制，随时根据地质条件调整泥浆压力、泥浆配比等参数，防止地下的塌陷等到因素影响钻进方位角的变化。
结语：
随着现代文明意识和环保意识的逐渐加强，非开挖穿越技术凭借其施工速度快、成本低、对周边环境影响小等优点，越来越多地受到人们的关注。定向钻作为非开挖穿越的典型施工方法，只要在施工前对工程内容进行具体详尽的分析、研究，针对不同的工程情况采取可靠的措施，进行不同的处理，穿越施工的成功率将大大提高。
参考文献：
①孙宏全. 石油工程建设.2007. 定向钻穿越的冒浆分析及对策41-42
非开挖穿越施工
摘要：定向钻作为非开挖穿越技术具有工期短、造价相对较低、有利于环境保护、节约工程材料等优点在长输管线施工中被越来越多的施工单位重视和采用。本文结合川气东送管道黄湓河支流定向钻穿越工程一方面就定向钻穿越施工的工法进行详细说明，另一方面就定向钻施工中如何避免产生冒浆和穿越时产生“S ”曲线提出防范措施。
关键词：定向钻 黄湓河支流 非开挖穿越 冒浆
一、前言
对石油和天然气来说，管道运输具有低成本、安全、节能、环保等多方面的优势。目前能源输送按照一程运输大型化、二程运输管道化的方向发展，从无到有，中国石化已形成总长1万多公里的原油、成品油、天然气管道。
因长输管线输送距离长，其管线敷设于各种地质状况不同的地段，不可避免的穿越人工或天然障碍地段，例如：河流、湖泊、水库、铁路、公路、地上和低下建（构）筑物等，一般穿越的施工方法分为五类：定向钻穿越施工、顶管穿越施工、盾构穿越施工、大开挖穿越施工、隧道穿越施工。本根据黄湓河支流定向钻穿越的施工经验为例，仅就定向钻施工情况进行说明。
黄湓河支流定向钻穿越位于川气东送管道工程主干线安徽东至段，设计穿越水平长度717.35米，入土角9°，出土角6°, 钢管材质为X70，规格为Φ1016×21mm 直缝埋弧焊钢管。根据钻孔30.2m 深度钻探揭露，穿越段地岩土层结构单一，均为粉质粘土，呈褐黄色、褐灰色，干强度中等，韧性中等，切面光滑，质较纯。
二、定向钻穿越施工
1、定向钻施工的特点
(1)定向钻穿越施工具有不阻碍交通，不破坏绿地、植被等优点，解决了传统开挖施工对交通，环境，周边建筑物基础的破坏和不良影响。
(2)现代化穿越设备的穿越精度高，易于调整敷设方向和埋深，穿越段弧形管线敷设完全可以满足设计要求埋深，并且可以使管线绕过地下的障碍物。
(3)采用水平定向钻机穿越施工时，没有水上、水下作业，不影响江河通航，不损坏江河两侧堤坝及河床结构。
(4)施工不受季节限制，与其他施工方法比较，进出场地速度快，施工场地调
整灵活，并且施工占地少、工程造价低、 施工速度快。
(5)大型河流穿越时，管线埋在地层以下 9m～18m ，地层内部的氧及其他腐蚀性物质很少，可以起到自然防腐和保温的功用，保证管线运行时间更长。
2、水平定向钻穿越施工工艺
使用水平定向钻机进行管线穿越施工，一般可分为三个阶段：第一阶段是按照设计曲线钻一个导向孔；第二阶段是将导向孔进行扩孔，具体孔径根据穿越管径确定；第三阶段是将管线沿着发送沟回拖到导向孔中，完成管线穿越工作。下面结合黄湓河支流定向钻穿越施工对定向钻穿越施工工法进行分析。
(1)钻导向孔。钻机被安装在入土点一侧，从入土点开始沿着设计好的线路钻一条从入土点到出土点的曲线，作为预扩孔和回拖管线的引导曲线。根据黄湓河支流穿越的地质情况，选择S135级5″钻杆、无磁钻铤、钻头，穿越前根据设计轨迹图绘制控向穿越图。确定实际入土点及实际入土角的角度，然后开动泥浆泵对准入土点进行钻进，钻头在钻机的推力作用下由钻机驱动旋转切削地层，不断前进，每钻完一根钻杆要测量一次钻头的实际位臵，并与设计轨迹图进行比较，以便及时调整钻头的钻进方向，保证所完成的导向孔曲线符合设计要求，如此反复，直到钻头在预定位臵出土，完成整个导向孔的钻孔作业。
黄湓河定向钻穿越轨迹图
穿越水平距离717.1（米）
入钻点9度穿越深度为22.2（米）出钻点6度
(2)回扩孔。扩孔直径应根据不同的管径、穿越长度、地质条件和钻机能力来确定。最小扩孔直径与穿越管径的关系见下表：
最小扩孔直径与穿越管径关系表
黄湓河支流定向钻穿越管道直径为1016mm ，需扩孔直径为1300mm ，根据地质情况采用分级、多次扩孔的方式进行。分别采用 Φ300mm 、Φ400mm 、Φ500mm 、Φ600mm 、Φ700 mm 、Φ800mm 、Φ900mm Φ1000 mm 、Φ1100mm 、Φ1200mm 、Φ1300mm 钻头分级扩孔。
①导向钻孔完成后，钻头在出土点出土，按上Φ300扩孔器，试泥浆，确定扩孔器没有堵塞的水眼后开始扩孔。钻头和钻杆必须确保连接到位、牢固才可回扩，以防止回扩过程中发生脱扣事故。
②根据各段不同土质配制不同浓度的泥浆，使其每次扩孔时回拖力的数值和扭距值控制在钻机正常工作参数之内。
③回扩过程必须根据不同地层地质情况以及现场出浆状况来确定回扩速度、泥浆浓度及压力，以此来确保成孔质量。
回扩孔示意图
钻机回扩孔操作图
(3)管道回拖。回拖预制管线时先将扩孔工具和管线连接好，然后开始回拖作业，并由钻机转盘带动钻杆旋转后退进行扩孔回拖。产品管线在回拖过程中是不旋转的，因为扩好的孔中充满泥浆，所以产品管线在扩好的孔中是处于悬浮状态的，管壁四周与孔洞之间由泥浆润滑，这样即减少了回拖阻力，又保护了管线防腐层，经过钻机多次预扩孔，最终成孔直径比管子直径大300mm ，所以不会损伤防腐层。
①回托力计算
水平定向钻回拖时的拉力计算公式如下：
D 2
F 拉＝πLf ［4-（D-δ）δ×7.85］+kπDL
式中：F 拉--计算的拉力：132.27t
L —穿越管段的长度：717.35m
f —摩擦系数：0.1～0.3（核定取值为0.3）
D —管子的直径：1.016m
δ—管子的壁厚：0.021m
k —粘滞系数:0.01～0.03（核定取值为0.03）
经计算穿越管道回拖力F 拉为132.27t 。回拖设备按照大于计算值的1.5倍选择，现场选用 PD-250/90RP履带式水平定向钻机，回拖力为250吨。 ②发送沟开挖
发送沟开挖断面尺寸为2m ×1.5m ，发送沟在开挖时应根据管道穿越6°出土角的大小，在纵向上应将发送沟沟底开挖成一定弧度，
以保证管道回拖时管道内
顺利进入孔洞内。发送沟内应注水。管沟内最小注水深度超过穿越管径的1/3。发送沟开挖断面图如下： 钻孔发送沟底为弧线管道发送沟
③洗孔
通过前面的几次预扩孔，基本形成了稳定的孔壁。洗孔主要工作就是保证孔眼清洁和保持孔壁稳定以减少管线的回拖阻力。
④管道回拖
管道回拖前必须检查扩孔器内各通道及各泥浆喷嘴是否通畅，孔内是否干净，检查好后将钻杆、扩孔器、回拖活节和被安装管线依次连接好然后慢慢转动钻杆并注入泥浆，确定旋转接头工作良好，扩孔器泥浆孔没有堵塞后开始回拖管道。回拖的过程中根据钻机参数，并注入适量的泥浆，减少管道与孔壁的摩擦以确保管壁防腐层不被破坏，并能使管道与孔壁的缝隙充分添满，通过膨润土的膨化作用完成孔壁与原土的完全结合。
管道回拖完毕后进行穿越管道的通球、测径、试压检查穿越管道的质量，合格后进行两端连通并及时恢复地面原貌，至此穿越施工结束。
管道回拖示意图
管道回拖发送沟图片 管道回拖用拖头图片
三、定向钻施工中的问题分析及处理
1、定向钻孔冒浆问题
冒浆即定向钻在钻孔和扩孔时孔洞中泥浆压力大于其上水、土壤的自重之和或钻孔处在地质薄弱的地段时泥浆沿土层颗粒间的缝隙窜到地面的情况。一般造成冒浆的原因有以下几种：
（1） 扩孔器选择不当，造成孔内憋压。
常见的扩孔器有刀式扩孔器、桶式扩孔器、岩石扩孔器①，其中刀式扩孔器适用于黏土、粉质黏土和一些塑性较好的土层，桶式扩孔器适用于淤泥质黏土和塑性差的土层，岩石扩孔器适用于硬度达到30Mpa 以上的硬质岩层。如粉质黏土层使用了桶式扩孔器，因桶式扩孔器本身为圆锥状，自身是完全封闭的锤状，扩孔时与孔壁完全接触，没有泥浆循环的通道，并且孔壁周围为塑性较好的密实黏土，会造成泥浆循环不畅通，局部升压，在一些土层不密实的地方就会形成冒浆。预防措施如下：
①收集地质勘探资料。施工前根据建设单位提供的地质报告到现场实际踏勘，若有不足部分，可根据现场情况向建设单位提出补勘申请。
②随时观察泥浆的输入压力。如泥浆压力急剧上升，可采取立即停止钻杆的推进，改为往钻机方向拉钻杆，使钻头迅速离开切削面，降低泥浆的压差，然后用更慢的推力和推进速度钻进。
（2）出入钻点浅土层的施工过程中，会因为地层疏松而出现孔漏现象。预防措施如下：
①施工中采用“两高一适当”泥浆方案（即高粘切、高土含、适当浓度的封堵材料）
，在满足定向钻施工要求的前提下，增加泥浆的稠度，稠度增加，泥浆
颗粒间自由水减少，此时的泥浆为可塑和流动状的混合体，泥浆通过孔上缝隙时失水增稠，慢慢形成稳定致密隔离层，阻碍冒浆发生。
②对比较薄弱部位通过预压、强夯、换填等方式进行地基的处理，也能有效防止冒浆。
（3）输送泥浆压力大，造成冒浆。
因泥浆的压力越大，在钻进时钻头所需的扭矩越小、钻进速度也会加快，从而加快进度、缩短工期。对此施工时承包商应认识到不能为了追求施工进度而忽视了冒浆带来的环境破坏、经济损失和潜在隐患，应将泥浆压力、钻具扭矩、推进速度综合调整到最佳状态。
2、防止定向钻在钻孔时呈“S ”型的措施
在定向钻穿越的施工过程中，导向孔的平滑与否、能否与设计曲线一致，避免导向孔“S ”型的出现是顺利完成穿越施工的先决条件。
钻机的控向系统由探测器、计算机、打印机和钻机控制台组成。探测器检测到地磁场和重力信号，通过导线传到接口单元，经过A/D转换、微控制电路、调制器，转换为一系列信息数据，经过检波输入计算机，通过计算机控向程序处理，显示出定向信息，然后将这些参数传送到钻机控制台。控向人员从计算机显示的数据就可以知道钻头离地面的深度、实际钻进距离、左右偏差等情况，通过和设计曲线进行核对，确定下一根钻杆走向，由司钻人员进行钻头行进方向的调整。据此现场可采取以下措施防止“S ”型钻孔：
① 在测量放线过程中，为保证其准确性，用全站仪对出、入土点进行多次确认；
②在穿越中心线上，结合地形和地貌建立人工磁场来控制穿越曲线的精度。即在穿越中心线两侧布设闭合线圈，接通直流电源产生磁场，当探头到达次闭合线圈区域，通过人工磁场可以测得穿越曲线的标高和左右偏差。人工磁场不受外部磁场的干扰，可以准确无误地将钻孔数据反映出来；
③施工前进行地质条件的分析，根据设计曲线在坐标纸上以每根钻杆连接的方式画出穿越曲线图，给每根钻杆标号注明相应的地质情况。在钻进过程中，根据钻进位臵的地层情况对泥浆粘度进行控制，随时根据地质条件调整泥浆压力、泥浆配比等参数，防止地下的塌陷等到因素影响钻进方位角的变化。
结语：
随着现代文明意识和环保意识的逐渐加强，非开挖穿越技术凭借其施工速度快、成本低、对周边环境影响小等优点，越来越多地受到人们的关注。定向钻作为非开挖穿越的典型施工方法，只要在施工前对工程内容进行具体详尽的分析、研究，针对不同的工程情况采取可靠的措施，进行不同的处理，穿越施工的成功率将大大提高。
参考文献：
①孙宏全. 石油工程建设.2007. 定向钻穿越的冒浆分析及对策41-42