定向钻施工中的地质岩土学应用

2011-04-01冯涛

地下水 2011年6期

冯涛

(安徽两淮建设第四工程处，安徽宿州234000)

目前，市政工程建设中，在城市繁华区和地下、水文地质情况复杂或者临近邻街建筑的情况下，排水管道或者其他管线的施工，不能明开挖施工时，需要采取非开挖技术解决问题。定向水平钻在非开挖技术行业中，具有不开挖路面、不阻断交通，不影响环境等优点，具有明显的经济效益和环境效益，应用前景十分广阔。

1 定向钻穿越工程

水平定向钻穿越设计是一个全面的系统设计，它涉及的设计面非常广，其中包含了管道安装、地质、力学、材料等学科知识。定向钻穿越工程设计，结合了施工现场的实际情况、城市燃气管道设计规范以及水平定向钻施工规范的要求。该方法的主要特征是利用高压泥浆配合整个施工顶进过程，具有适应土质范围广、施工速度快、对周围环境影响小、安全系数高等特点，与其他施工方法相比，更具有环保效果好、工程造价低、施工质量好等优势。

每项非开挖工艺都具备一定的风险，但如能做好地勘，详细了解所穿越地段地质风险，认真研究和结合地勘，采取相应措施，便能规避风险。物探方法按定位原理有:电磁法、直流电法、地震波法和红外辐射法等。通过采集所需数据，进行管道设计轨迹优化，提高管道轨迹的科学性。

2 定向钻施工

2.1 穿越导向孔设计与施工中的工程地质学和岩土力学

1)对岩层水平钻进铺管施工工艺进行了全面、系统的研究。对岩层水平定向钻进铺管施工中各个阶段的关键技术进行了较为深入的理论研究，并成功有效地指导实际施工，形成一整套基本成熟的岩层水平定向钻进铺管施工工艺。如为了解决距离超过1 800 m以上的定向钻施工中钻杆因(Sinasoidal)变形出现失稳现象，造成控向困难的问题，通过对钻杆在长距离软粘土层变形失稳的理论分析，在吸取多方面专家意见和现场经验的基础上，研究控向纠偏技术理论，在实际施工中加以应用，提高施工的精度。

2)在充分分析和研究施工区域的工程地质结构和水文地质分布，采用多重减震措施和实时注水降温技术确保孔底导向仪器的正常工作。针对空气潜孔锤导向孔施工时孔底恶劣的工作环境，采用多重减震措施使仪器在孔底强烈的震动中仍能正常工作;同时采用不停钻、实时注水降温技术在钻进过程中向钻具内部注入冷却水，使孔底仪器的环境温度保持在许可的范围内。

3)高硬度岩石扩孔工艺

岩层水平定向钻进空气潜孔锤导向孔施工工艺。在实际导向孔施工中，提高钻进时效，高出孔底螺杆马达和双层钻具系统的钻进时效，对提高岩层水平定向钻进铺管的施工效率、降低施工成本有着非常重要的意义。高强度岩石扩孔极易出现岩屑卡钻和钻具损坏，从而导致定向钻失败的现象。在实际工程中，定向铺管钻进系统和清渣措施的有效结合，会使实际施工取得非常理想的效果。，大幅度地提高施工效率，降低施工成本，它的解决在定向钻进铺管施工领域具有划时代的意义。

4)管道定向钻穿越工程所要穿越的岩石段，岩石的最高硬度可以达到140 Mpa，穿越岩石硬度做为现在施工的主要课题。通过对现场地质构造的模型的建立和分析研究，编制相应的扩孔孔径设置、扩孔器改造、扩孔泥浆工艺改进等方面的方案，并在实际中加以试验应用，制定出有效的高强度岩石扩孔工艺，才能取得良好的效果。

3 泥浆配比与控制

3.1 孔的成功与否关键在于成孔

如何保证形成弧顶，防止塌方的问题，解决孔内清土除渣，故此在钻导向孔时，按照地质构造的不同详细制定出合理的泥浆配比方案，在不同的地质情况下选用不同的泥浆配方，再考虑到穿越距离长为防止融土包裹钻具，所以在化学聚合物中，按比例配制专用的防糊钻液，可进一步降低孔道中的阻力。虽然表面地质通常为杂填土、黏土，但在下部有风化流纹斑岩、微风化碎裂状石英岩、强风化岩，沙下风化岩。为此现场还应预备高效膨润土以及配合使用其它辅助添加剂为土质变化准备应急措施。

还要尽可能的考虑到施工区域的地层承载力和含水率，对于状态不同的地质岩土结构，在其出现变层或者断层的时候，根据结构力学和地质力学的理论，施工机具受力的不均，造成标高或者轴线的位移，在管道的实际安装中由于拐点容易出现事故。含水率和地下水的流动性的不同容易对泥浆的粘度造成很大影响，而且在施工过后的运营中，给管道的气密性、使用年限形成影响，最主要的是造成周边环境的的地质改变，如果不在施工方案中加以考虑，必然形成重大的安全隐患。

3.2 泥浆控制

按照事先确定好的泥浆配比用一级钠基膨润土加上泥浆添加剂，配出符合要求的泥浆。使用的泥浆添加有:降失水剂、固壁剂、黏土分散剂等。为确保泥浆的性能，保证膨润土有足够的水化时间，一般采取两套加料配浆系统，延长泥浆循环周期。水源的采用一般是自来水，抽入水罐内加碱软化，降低Ca、Mg离子含量，改善水质，同时提高水的pH值，水的pH值为9～10时最适合膨润土的水化。根椐穿越段地层情况，在钻导向孔阶段，泥浆黏度控制在45 s～50 s;在预扩孔和回拖阶段泥浆粘度提高5 s～10 s即达到50 s～55 s。

4 复杂地层管道穿越施工

管道定向钻穿越的地层地质结构，地质变化，包括中风化流纹斑岩、微风化碎裂状石英岩、强风化岩等。并且由于地处环境和地区不同，各种配套设施也可能够不完善，施工场地的局限，气候的影响，因此其整体穿越工艺的科学性变得极为重要。

针对具体的施工难题，在穿越各地层所采用的设备选用、不同地层导向孔穿越以及扩孔施工工艺、地面管线预制方案、回拖实施方案等进行整体的研究，在导向孔钻进、扩孔工艺及泥浆控制等方面实现突破，解决复杂地层特别是复杂地质条件下的定向钻穿越问题。

4.1 复杂地层管道穿越工程力学分析

基于定向钻施工中的材料力学、弹性力学、可靠性理论及有限元方法，分别研究穿越管道施工过程现场得岩土载荷与施工穿越(包括管道试压、钻孔和扩孔以及管道回拖等关键施工过程钻杆与管线的应力及强度校核)、管道运行过程的应力状态、沉降规律、稳定性、管土相互作用以及管道局部减薄的可靠性分析。对于施工环境的影响和治理有很大的意义。

4.2 穿越管道工程安全风险综合评价

4.2.1 穿越管道施工引起的稳定性改变

基于管土间动力相互作用，穿越管道的地质地层载荷稳定性能的改变与抗震可靠性进行数值模拟分析，对于道路和建筑作用下穿越管道施工后地层应力以及土和管道参数对穿越管道抗震性能及其地面构筑物的影响，确定穿越管道在地震作用下的强度安全。由于施工工艺的原因造成施工区域的地质地层载荷稳定性能的改变，形成极大的安全隐患。(包括辅助施工措施降水、注浆、桩基)

4.2.2 边坡稳定性分析

在边坡范围内工程地质、水文地质调查研究的基础上，通过试验与理论相结合的方法确定出边坡的典型岩石和弱面的物理力学参数，并选取合理的计算参数，针对具体的岩体赋存条件，采用弹塑性极限平衡法和有限元法对研究范围内的边坡稳定性进行分析。尤其是河堤区域的施工。

4.2.3 穿越管道施工过程中的地质岩土应用

针对管道穿越工程地质条件复杂、穿越距离超长，施工难度前所未有，施工过程的风险更是不可预测，在同类工程中结合地质岩土理论应用于管道施工过程，能在很大程度上降低施工风险。而且在施工设计时尽可能的减少和降低重复施工和多次施工。

4.2.4 穿越管道运行中的地质岩土研究

结合地质和岩土学理论，在施工结束后的运营过程中，对穿越管道失效因素进行理论分析，评价穿越管道的失效可能性，通过模糊数学理论，评估穿越管道在设计寿命内的运行风险，以及由此引发的地质稳定性改变。建立后期的检修和运营成本理念，全面细致的做好施工建设工作。