杨杰

（中国石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000）

引言

水平定向钻(HorizontalDirectionalDrilling，简称HDD)埋管技术是20 世纪70 年代从石油和天然气工业引入的非开挖(钻孔)敷设管线技术，具有不占用土地、不影响交通和景观等明显优点，已为全球管线、管网基础设施建设做出了重要的贡献。目前水平定向钻埋管技术已成为天燃气管道铺设工程中的首选，且该工艺可在－15°～45°环境下正常工作，不需要大开挖施工，使得该技术的应用发展更为迅速。尤其随着城镇化建设发展，涉及管线穿越河道、堤防的建设项目亦与日俱增，并呈现出快速增长的势头。研究发现，水平定向钻钻孔深度可达60m、长度可达几千米、埋管直径可达1.2m，泥浆压力可达兆帕级，扩孔直径一般为埋管直径的1.5倍。现行的国内外相关的规范和研究成果主要集中在埋管线路设计(包括曲率半径、入钻(出管)角度、出钻(入管)角度、埋深等)，埋管施工设计(包括泥浆性能、泥浆压力、管线牵引拉力等)，以及管道的受力分析(包括管道外壁上的土压力、管道的弯曲应力和变形、轴向应力和变形、以及压屈稳定性等)。但其施工过程中扩孔埋管对地基及建(构)筑物应力、变形和稳定性所造成的影响，却鲜见有研究报道，可资借鉴的相关研究成果并不多见，仅见有关于水平定向钻施工引起地表隆起和塌陷方面的机理研究。现有的国内外有关水平定向钻穿越敷设管线的设计规范并未考虑水平定向钻施工过程中泥浆护壁钻孔对地基应力变形和上覆建筑物安全稳定性的影响，比如，美国ASTMF1962－11 规范第1.4 条中就特别申明，该规范并不涉及水平定向钻的应用安全，应用安全由用户负责。再如，我国《油气输送管道穿越工程设计规范》(GB50423—2013)第3.3.9款规定：“当采用水平定向钻或隧道穿越河流堤坝时，应根据不同的地质条件采取措施控制堤坝和地面的沉降，防止穿越管道处发生管涌，不应危及堤坝的安全”。但是很多水平定向钻穿越河流堤坝时并没有采取控制沉降的措施，即便一些工程采取了相应措施，但对这些措施的效果还缺乏必要的分析评价。在我国，已见报道的和未见报道的因水平定向钻埋管穿越堤防施工引起的工程事故已经引起了水利管理部门的高度重视，对于事故后分析和处理方面的研究已取得了一定的经验。《堤防工程设计规范》(GB50286—2013)第10.2.1 款规定“压力管道、热力管道，输送易燃、易爆流体的各类管道，宜跨堤布设，并采取相应的安全防护措施。确需穿过堤防时，应进行专门论证”。但是，目前仍缺乏在事前进行系统分析和评估水平定向钻埋管对堤防运行安全影响的科学有效的技术方法，并亟待有预防和管控施工风险、保障工后长期运行安全的技术标准。

一、定向钻穿越技术

定向钻系统内部包括钻机系统、控向与造斜系统、钻具、泥浆系统、扩孔与回拖系统、动力辅助系统。定向钻一般在穿越河流、湖泊、公路和山体或（构）筑物等障碍物施工中比较常见，用于大口径、长距离石油天然气管道的敷设。定向钻施工的过程中以设计钻孔轨迹为依据，使用定向钻进技术先开一个导向孔，随后在钻杆端部换接大直径的扩孔钻头进行扩孔，或换接直径小于扩孔钻头的待敷设管线进行管道回拖，从而完成铺设作业。

二、水平定向钻施工工艺对堤防稳定的影响分析

（一）扩孔过程稳定分析

根据水平定向钻扩孔施工步骤，分别选取水平定向钻穿越至堤顶前10.0m(1 号位置)、堤顶中心(2 号位置)、堤顶后5.0m(3 号位置)、堤顶后10.0m(4 号位置)、堤脚前10.0m(5 号位置)、堤脚(6 号位置)和堤脚后10.0m(7 号位置)7 个计算分析位置，8 号位置为全线扩孔完成状态。模拟计算孔径为：400、550、700、850、1000、1150、1300 的7 次扩孔施工顺序，得施工工况下水平定向钻扩孔穿越到不同位置时堤防边坡的安全系数如图1-2 所示。由图1 可知:当水平定向钻穿越管线逐渐接近堤顶中心(2 号位置)时，堤防背水坡安全系数有明显下降。水平定向钻穿越管线对堤防背水坡安全稳定的影响在到达堤顶后5.0m(3 号位置)时逐渐减小，之后水平定向钻穿越管线对堤防背水坡安全稳定影响可忽略不计。由图2 可知：当水平定向钻穿越管线逐渐接近堤顶后10.0m(4 号位置)时，堤防迎水坡安全稳定明显受到影响，相应安全系数在堤脚前10.0m(5 号位置)时有明显下降。水平定向钻穿越管线对堤防迎水坡安全稳定的影响范围大致在堤顶后10.0m(4 号位置)与堤脚(6 号位置)之间。该范围之外，水平定向钻穿越管线对堤防迎水坡安全稳定影响可忽略不计。

（二）导向孔钻进

该工程选择GD5000-L 型定向钻机，额定功率为2×294KW，生产能力为350T，因为工程地质涉及到砂层，所以导向孔钻进使用φ140mm×9.6m钻杆。以免钻孔过程中导向孔和设计穿越曲线出现偏移的现象，现场地面设置人工磁场，以此保证控向系统准确性。开始钻导向孔与安装钻杆之前，需要合理设置参数，具体如下：初始曲率半径与收尾曲率半径以1560m 为宜，入土角和出土角分别设置为8°、6°，出土点高差调整为1.25m，间隔角度是0.38°。按照设计曲线对现场所有钻杆控向理论的参数进行优化，探头实际参数、理论参数展开对比，使实际钻孔曲线和理论曲线的误差降到最低。钻导向孔期间，要清理孔内杂质，并且保证孔壁稳定性与孔内泥浆面，降低阻力的同时钻进浆液。浆液调配需要用到5%～7%的膨润土、+0.20%～0.40%的增添剂、+0.30%的降滤失剂、+0.20%的固体润滑剂，砂层中需要掺加0.20%的CMC 纤维素。正常在实施导向孔钻进的过程中，施工人员需要运用马氏漏斗，间隔2h 对泥浆粘度进行测量。导向孔施工期间使用的钻头喷嘴的泥浆压力不能超过1MPa，否则会因为压力超过限制导致冒浆现象。

为了提高导向的精准性，按照钻杆长度、曲率要求，曲线段所有钻杆角度统一调整为0.38°，控向人员做好控向工作，以施工规范要求与设计曲线展开钻进作业，使所有钻杆操作与设计阶段设定的曲率半径相符。钻进施工期间要对钻进方向进行测定，按照显示设备呈现的数据明确钻头所处位置。控向人员实时监控穿越曲线，控向作业不能一蹴而就，以免期间出现卡钻的问题。造斜段钻进0.5～3m 需要进行一次量测，水平直线段则要间隔3～5m 实施一次量测，最终得到的量测参数、设计曲线理论参数展开对比，4 根钻杆得到的累计折角误差小于0.50°，轨迹偏离误差小于钻杆直径1.50 倍，如果超出这一数值需要重新纠偏。

（三）钻杆轨迹设计

钻孔轨迹设计合不合理是管道施工能否成功的关键。钻孔轨迹设计主要是依据设计要求、地质情况、地形特点、地下障碍物、钻杆进出土角度、钻杆转弯半径、钻头转向能力、导向监控能力和被敷设管线性能等综合确定。钻孔轨迹按以下要求设计。①最小覆土深度不得小于设计管径大小的5～6 倍；②管道敷设在现有建筑基础上部时，与基础水平净间距要大于1.5 米；③管道敷设在现有建筑基础下部时，须在持力层扩散角之外。

（四）合理控制泥浆压力和尽量减少水玻璃用量

防止造成土体变形和遗留渗流通道水平定向钻在钻导向孔、预扩孔和回拖敷设穿越管线过程中，需要借助于专门配制的水基泥浆来维持孔洞的稳定。水基泥浆是以水为基础，添加一定比例的膨润土、水玻璃和高分子聚合物等，然后通过搅拌、融合、水化后打入孔洞。由于驱动地下钻具和维持孔洞稳定的需要，要根据管道穿越的地质和地层条件来确定泥浆压力。泥浆压力过小，不利于孔洞的稳定和定向钻的施工；但泥浆压力过大，往往会造成冒浆、失浆、地面隆起、塌陷等土体变形现象，影响堤防安全稳定。因此，应根据地质和地层等条件，合理控制泥浆压力，最大限度减小泥浆压力，以防止因泥浆压力过大而造成土体变形。另外，应尽量减少水基泥浆中水玻璃的用量。水玻璃俗称泡花碱，化学名硅酸钠，是一种水溶性硅酸盐，其耐碱性和耐水性差，遇水即溶，由于土壤中水分的存在造成含水玻璃泥浆难以成形，长期遗留渗流通道对防渗不利。

结语

通过水平定向钻施工工艺，提出采用二分法优化后的Bishop 修正计算方法，近似采用二维平面应力模型，并通过均匀分配管线实际三维所受摩擦力的方法来考虑施工的三维效应。该方法大大减少了建模计算的工作量，并简化了计算步骤。水平定向钻穿越堤防扩孔过程中，第一次钻孔施工对堤防迎、背水坡的影响最大，在后期6 次扩孔结束后，堤防背水坡安全系数总体减少28.02%，堤防迎水坡安全系数总体减少30.04%。钻孔穿越后，堤防迎、背水坡安全系数均约减少至施工前堤防安全系数的1/3，且对迎水坡影响较背水坡稍大一些。建议水平定向钻穿越层附近存在软弱夹层时，原堤防施工期安全系数计算值不宜小于1.6。基于水平定向钻施工对堤防影响因素的敏感性分析，各因素影响程度由高到低分别为埋深、管径、堤防坡比、出土角及入土角。在水平定向钻穿越的影响下，堤防的安全系数减小，其稳定性下降，相应的潜在滑弧有略微下移，潜在滑弧半径增大，显示出深层滑动倾向。