1 引言

银川都市圈供水工程是推进银川都市圈建设的重大建设与民生工程，对实现城乡供水一体化、促进乡村振兴与生态文明建设有重大意义[1]。 根据广泛的调研，长距离管道穿越河流的施工难度较大，所涉及定向钻穿越黄河、长距离拉管、长距离电缆穿管敷设等关键技术方案，是此工程施工的难点所在。本穿越工程线路全长11.922 km，定向钻穿越长度为1 140 m，拉管规格为D704 mm×12 mm。根据定向钻直径范围与穿越距离划分，本工程属于大口径长距离水平定向钻穿越项目[2]。 导向孔钻进是整个定向钻施工的关键。 由于穿越距离较长，导向施工难度增大，本项目使用泥浆马达穿越砂岩层，出入土点相差23 m， 穿越深度41.6 m， 穿越采用螺旋钢管作为套管的方案；在导向施工时采用人工磁场精确定位，设计专业信号线；回拖时开挖发送沟，沟内注水漂管进行整体回拖；光电缆敷设利用人工、机械牵引。采用本方案，成功实现1 140 m 的定向钻穿越，且回拖了同孔DN720 直缝钢管，为类似定向钻穿越积累了一定的宝贵经验。

2 地形地貌与地质条件

沿线地形平坦、稳定性较好。 黄河河床之下的砂岩，呈不胶结状态，下部砂质泥岩层、泥质粉砂岩层具有一定强度，天然抗压强度0.72~1.75 MPa。 通过对拟建场地地质的勘察，确定场地岩性属于第四系全新统粉土、粉质黏土及粉细砂，新近系中新统砂岩、砂质泥岩及泥质砂岩。

综合分析，岩土整体一般，砂岩层承载力较好，不易坍塌，故穿越层选择砂岩层，钻孔的位置于河床下11.5~15.6 m。

3 管道设计

拉管套管选用L360 级DN720 mm 壁厚12 mm 的直缝钢管。 本段电缆线路保护管采用7 根PE 管，其中1 回PE 管内穿2 根24 芯ADSS 光缆， 预留1 根保护管 （提前穿入牵引绳预留），5 回内穿电缆， 其中3 根由45#接至黄沙古渡泵站35 kV配电室内高压进线柜，其余2 根电缆于两端电缆井内预留，管道断面详图如图1 所示。

图1 管道断面详图

4 设计方案

4.1 穿越曲线设计

根据穿越处地形等特点， 定向钻穿越的入钻点位于黄河西侧约240 m， 入土角为5.5°出土点位于黄河东侧约387 m，出土角6°。 水平定向钻穿越水平长度为1 140 m，拉管与黄河主河道夹角约82°，根据套管的屈服强度、挠度以及非开挖水平定向钻曲线要求大于或等于1 500D（D 为管径），现场调查出入钻点场地坐标、高程及平面位置。

4.2 管道回拖力计算

根据GB 50423—2013 《油气输送管道穿越工程设计规范》，钻机最大回拖力可按式（1）计算值的1.5~3.0 倍选取。

回拖力计算：

式中，F拉为计算的拉力，kN；L 为穿越管段的长度，m；f 为摩擦系数， 取0.3；D 为钢管的外径，m；δ 为钢管的壁厚，m；γs为钢管重度，kN/m3，取78.5；γm为 泥浆重度，kN/m3，取10.5~12.0；Wf为回拖管道单位长度配重，kN/m；K 为黏滞系数，取0.18。

本工程中L=1 140 m，D=0.72，δ=0.012，K 取值0.18，γm取值11.5，Wf取1.76 kN/m， 计算可得回拖力F=1 112.58 kN，安全系数取3，回拖力大于或等于3 337.74 kN 即可。故本工程采用回拖力为360 t 的3 600 型主钻机。

5 定向钻穿越施工

5.1 穿越施工流程

本工程参照一般定向钻穿越施工过程， 文中主要介绍钻机就位调试、泥浆配置、导向孔钻进、扩孔、洗孔、管道回拖及试通、光电缆敷设施工过程。

总穿越施工流程图见图2。

图2 穿越施工流程图

5.2 穿越施工

5.2.1 钻机就位与调试

将钻机锚固在穿越中心线位置上， 黄河西岸作为出土点，泵站电缆井位置作为引钻点，经一路东约130 m 处作为入钻点。 其中关键要点为：（1）钻机导轨与水平面的夹角由原来的5.5°调整为6.5°。 因在钻孔过程中，钻杆来回抽动致使其出现下沉，故在施工前预留1°的余量。 （2）钻机锚固平稳后进行检验、试运转，调整拖拉力；保证控向技术参数，至少测3 次并采用平均值作为有效值。 （3）准确校核控向系统至完全准确。

各种装置准备完成后，开始系统连接、试运转，保证设备可以正常工作。

5.2.2 泥浆配置

水平定向钻施工中最重要的辅助之一为泥浆。 扩孔、回拖时减小摩擦阻力、增加润滑效果都离不开泥浆[3]。

施工场地地下水等水质未达到配置要求， 本次施工所用水源采用外运经检验合格的淡水；为了保持泥浆性能，另外配备2 台泥浆泵，2 个24 m3的泥浆储存罐； 因地质原因及穿越距离过长，钻杆在钻进过程中的扭矩与推力很有可能会增大，故添加水平定向钻提携剂SDX（加量0.03%~0.1%）和水平定向钻增黏降失水剂（加量为0.05%~0.3%）增加泥浆的润滑性与长距离流动性与携带性[4]。

5.2.3 导向孔钻进

导向孔的钻进是整个定向钻进施工的关键。 本次采取单穿方式进行导向孔的钻进，由于穿越距离较长，为保证导向定位精确，选择ABS 地磁有线控向仪并建立人工磁场；为保证数据信号的传输且防止其短路， 专门设计特殊加厚双层绝缘信号线，并在导向施工中钻杆内增加线卡子，防止信号线被泥浆冲刷缠绕。

工程使用的钻进钻具组合为：9-5/8″牙轮钻头、8″泥浆马达、直径140 mm 的5-1/2″钻杆。 钻进过程应注意控制钻进钻杆的扭矩；在导向孔施工时加1~2 个补浆短节，保证泥浆处于流动状态携带渣屑，润滑钻杆，使钻具扭矩减小。

5.2.4 扩孔、洗孔施工

本工程扩孔分为4 级（φ24 mm、φ32 mm、φ38 mm、φ43 mm）逐级扩孔， 当φ32 mm 扩孔结束后， 按照φ32 mm+φ38 mm、φ38 mm+φ43 mm 扩孔方式继续扩孔。 在扩孔施工中，认真观察扩孔情况并把扭矩控制在适宜的范围内， 保证扩孔回扩时的顺利进行；若扩孔不顺畅，立即采用φ30 mm 挤扩式回孔器洗孔；若返浆不正常时及时洗孔[5]。

5.2.5 管道回拖

1）管道熔接与钢套管焊接

考虑到穿越距离较长且对管道材质及接口强度要求过高， 选用长16 m 工厂定制SDR11 De200 壁厚22.4 mm 的PE管材，拉管套管选用L360 级DN720 壁厚12 mm 的直缝钢管；PE 管的连接方式为热熔技术； 质量遵循自检数量100%，接口合格率100%；采用电弧焊焊接，焊缝接口为U 形，坡口角度10°。

2）管道回拖及试通

扩孔、洗孔结束后进行回拖，但在钢套管回拖前，为减少钢套管上浮与孔洞之间的摩擦力， 向钢套管内注入一定重量的水，保障钢套管上浮可控。

采用开挖发送沟与沟内漂管的方式进行回拖， 设置合理发送沟角度，使穿越孔洞圆滑平缓。 管材回拖前，先将管口封堵，避免杂物进入管道、检查所有的施工设备；连接前用泥浆冲洗钻杆， 向钢套管内注入一定重量的水以减少钢套管上浮与孔洞之间的摩擦力、在PE 管外侧涂抹润滑剂，以降低管道摩擦力；旋转接头万向节内注满油，使旋转良好；回拖作业时，增加高润滑泥浆，减小回拖阻力。

5.2.6 光、电缆敷设

管道回拖及试通结束后进行光电缆敷设， 本工程电缆型号采用YJV72-26/35-1×300 单芯交联聚氯乙烯非磁性铠装铜芯电缆（特制海缆）。 电缆敷设通常有直接牵引法与间接牵引法（移动电缆抱箍固定电缆然后进行牵引[6]），本工程采用直接牵引法。 电缆牵引前，利用人工、机械牵引的方法将电缆摆放到位，两端均固定好牵引绳。

电缆敷设前，进行绝缘测试与耐压等测试；电缆敷设采用10 t 绞磨机牵引，每次牵引1 根；电缆敷设牵引完成后，进行光缆牵引；光、电缆敷设完成后，再进行电缆井施工。

6 解决问题措施

6.1 防冒浆措施

根据地质材料勘察各个穿越点的岩土性质及计算其临界破坏力，确定合适的泥浆压力与钻机钻进速度，防止冒浆[7]；在地面薄弱部位堆载均匀的重物，增加土壤应力，提高抗冒浆能力[8]；对施工中扭矩较大的地方、返浆不畅的部位进行洗孔，保证孔内的通畅，避免冒浆。

6.2 卡钻、钻具断裂应急措施

在扩孔及回拖阶段，由于穿越距离较长，孔洞状态不好时容易出现卡钻、抱钻现象。 在扩孔时若发现卡钻，抱钻时，及时安装动滑轮组，将其连在回拖管道尾部往外拽，避免管道存留在孔洞内时间过长而导致更大的解卡阻力[9]；在施工中钻具疲劳断裂时导致钻具卡在孔内，带来重大损失，为此通过科技创新专门研究了钻具打捞装置，将掉落的钻具及时打捞，避免经济损失与孔洞报废[10]。

7 结论

本文介绍了银川都市圈供水工程电缆钻越黄河项目管道设计、穿越曲线设计方案和回拖力计算、定向钻穿越施工等关键技术并给出了项目中所遇到问题的解决措施。 主要结论如下。

1）在长距离定向钻穿越河流工程中前期地质勘察等在整个工程中至关重要，其对施工过程中遇到卡钻、钻具断裂、漏浆等问题的解决，确保定向钻成功穿越起到决定性作用。

2）在长距离穿越导向施工过程中，可采用ABS 地磁有线控向仪进行导向施工，建立人工磁场对其精确定位，选择特殊加厚双层绝缘信号线进行信号传输。