【论文精选】燃气管道定向钻施工质量控制措施

大眼儿瞪小眼 2017-06-25

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作者：刘建辉，王浩

第一作者单位：深圳市燃气集团股份有限公司宝安管道气分公司

摘自《煤气与热力》2015年8月刊

1 概述

目前，城市既有的许多设施不能满足发展的需要，污水、自来水、燃气、电力和通信管线的敷设和维修都是在需要的时候对街道路面“开膛剖肚”，从而导致交通堵塞、破坏已有基础设施、环境污染等一系列问题。定向钻施工技术就是在不开挖（或者少开挖）地表的情况下进行敷设、探测、维修和更新各种地下管道，解决城市管道施工中的难题^［¹^］。

城市地下管道的敷设方式是工程建设技术水平的体现，是城市现代化的标志之一，也是社会文明进程的重要体现。地下管道敷设方式主要有两大类，一类是开槽埋管，另一类是非开挖如定向钻敷管。当开槽埋管施工的技术经济性较差，或者影响周围建（构）筑物、穿越铁路、高速公路及河流时，则应该考虑选择定向钻敷管的施工方法。作为一种极为重要的敷设管道的工程手段，定向钻技术在国外已广泛使用，在国内也逐渐普及。无论在理论上，还是在施工工艺方面，定向钻技术都有了突飞猛进的发展^［^2-3^］。本文主要针对中、低压燃气管道施工中采用PE管道为材料的定向钻施工技术中的相关问题进行探讨。

2 定向钻技术的优势

①对地面干扰小。施工时不影响交通, 不破坏环境（绿地、树木）, 不干扰工厂、商店、医院、学校和居民的正常生活与工作秩序。

②施工速度快。由于辅助工程（如支护、回填等）少, 施工速度大大提高。

③碳排放量少。由于施工时地面交通拥堵少, 施工时间短, 而且减少了渣土和回填土的运输量, 使碳排放量大大减少。加拿大滑铁卢大学的研究表明: 定向钻施工的碳排放量仅为开挖施工的2%~10% 。

3 定向钻施工质量管理及控制措施

3.1 市政管道的前期勘探

3.2 特殊地形做前期地质勘探

深圳属于多种地质形态地区，山体、河流较多，燃气管道定向钻施工时往往要穿越河流、道路，甚至山体。一般遇到这种情况，现阶段都是先试钻，以钻头的触感来大概判断地下土层土质。若遇到风化岩层，往往要变换地点，花费很大的人力物力进行试钻，才能寻找出理想的穿越路径。在遇到山体、河流等地形时，先做地质勘探，根据勘探报告进行穿越轨迹的设计施工。

3.3 施工准备阶段质量保证措施

认真做好勘测、复测工作，掌握地层地质情况。在未查明地下管道前，不得开工。如有不明管道，需联系管道所有方到场指明确认后方可开工。做好钻机设备机具的检查工作，保证设备和机具良好的工作性能。严格按照设计要求施工，准确测出钻机导向孔的入土点和出土点的位置，碰到钻机放置机位不足或其他管道位置影响等客观因素时，需征得设计方同意后才能进行变更。认真细致地做好导向孔路线及深度设计工作，把握好关键环节的质量安全性。做好泥浆的配制与使用工作，严格按比例调配泥浆。

3.4 导向孔钻进的质量保证措施

钻机安装在入土点一侧，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，作为扩孔和回拖管道的引导曲线。导向孔是施工的关键工序，直接影响穿越的曲线及回拖成功与否。遇到软地层时不得加快钻进速度，遇到硬地质时不得强制钻进，否则容易造成钻杆弯曲和钻头损坏。定向钻导向系统的作用是测量导向钻头在导向孔中所处的位置，把测量结果通过无线信号传输到地面仪器，以三维坐标值显示出来，操作人员根据数据判断钻头所处位置及深度，从而进行下一步操作。在穿越过程中，应密切关注钻头倾斜角度、钻头深度，保证与设计轨迹偏差不超标。考虑到不均匀介质中钻进所引起的钻头偏离轨道、钻杆变形等因素，严格控制钻进方向，钻进过程中应根据导向系统及时修正钻进方向，避免产生较大误差，水平方向偏差不能大于0.3 m，垂直倾斜角度随钻进深度调整。要根据穿越的地质情况，选择合适的钻头和导向板，待钻头中流出水后，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置，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。为保证施工过程的资料真实有效，导向数据要在第一时间（钻一根钻杆标记一次）完成，不要等到竣工时才整理数据资料，要在地面上的导向标记还未清除时，在对应的位置埋设标志桩^［^4-5^］。

3.5 扩孔和回拖管道质量保证措施

①扩孔阶段

②回拖管道

导向孔经过扩孔，达到了回拖要求之后，将钻杆、扩孔器、回拖活节和被安装管道依次连接好，从出土点开始，将管道回拖至入土点为止。

由于扩好的孔中充满泥浆，因此管道在扩好的孔中处于悬浮状态，管壁四周与孔洞之间由泥浆润滑，这样既减小了回拖阻力，又保护了管壁。

在回拖时进行连续作业，避免因停工造成阻力增大。管道回拖前要仔细检查各连接部位的牢固性。

管道回拖采用工作坑的方式进行。在挖工作坑时，计算好管道进入孔洞的这一段工作坑的坡度，确保工作坑与穿越孔洞的圆滑平缓。在回拖作业时，增加高润滑泥浆，使高润滑泥浆像薄膜一样附着于管壁。回拖前后，焊接好的管材下方应垫上管架，减少与地面的摩擦阻力，避免与地面接触而划伤管壁。

3.6 导向钻头的选择

在选择导向钻头前，必须先了解周边地层的地质情况，很多单位在小型定向钻施工敷管前都不进行地质钻探，只能参考长期在这一地区积累的资料。当了解这一地段是以软地层为主，那么就采用导向板面积较大的导向钻头，以利于控制导向方向；当了解施工段以砂、卵石及硬质地层为主，应采用导向板面积较小的导向钻头，使其顺利通过硬质地层、砂、卵石层。

3.7 开机操作的技巧

当导向钻头穿越砂、卵石层及硬质地层，需改变轨迹方向时，如果强制顶进，就会产生钻杆弯曲、导向钻头出水口堵塞等情况。根据工作经验，应采用边顶进带回转的操作方法，例如想将方向朝上，那么操作人员就应将给进顶力控制在钻杆将要弯曲时，另一手控制回转手把，使导向钻头方位在左右30°之间，使导向钻头在这区间左右转动，使其缓慢钻进，效果很好。这种方法一定要注意泥浆的配制，特别是砂、卵石难成孔，应配置较大密度泥浆以保护孔壁。硬质土层孔壁与导向钻头外径间隙较小，需及时把岩屑排出孔外，防止导向钻头、钻杆抱死^［⁶^］。

3.8 管道的定位和标志桩的埋设

3.9 扩孔中问题及措施

①缩径

软土层扩孔容易产生缩径现象，导致孔内泥浆压力过大，卸钻杆时孔内泥浆通过钻杆喷出。此时，扩孔钻头回拉艰难，机械负荷变大，操作不当时可能产生抱钻事故。此时司钻手操作时应轻拉慢转，紧盯仪器表盘，根据情况操作。泥浆员选用固相泥浆护壁，使孔内压力平衡，保持成孔。

既要防止欠压造成孔内压力不足而缩径，又要防止失水造成的地层软化缩径，泥屑无法正常排出。孔内泥浆的压力应该控制在与孔深处的地应力相对平衡的值。客观上讲，这是很难做到的。但是通过合理设计和严谨的施工操作，尽量使不平衡程度减小。泥浆的静压力主要是通过调整泥浆密度来控制。一般应略小于平衡地压力所需的密度，以备再叠加循环动压力，工作坑是维持压力平衡所必需的，用来保持孔内泥浆具有一定的基本静水头^［⁷^］。

②坍孔

沙质粘土层、沙层、松散回填土层扩孔易坍孔、抱钻、卡钻，严重时可能出现路面裂缝下陷。选用固相泥浆、重胶质固相泥浆护壁，可有效地防止坍孔。如果在块石堆积处坍孔，只有将块石清除后方可继续扩孔。此时司钻手操作方法是：轻拉慢转，密切关注仪器表盘，待扩孔通过坍孔处时，扩孔钻头向后拉，直至钻机达到正常扭矩，如发现石头在钻头后部，可将钻头拉向尾部工作坑取出石头。

采用强降失水泥浆体系是控制坍孔、缩径的关键。首先选用优质配浆粘土，可交换的阳离子数目多，水分子易进入晶胞之间，粘土易水化膨胀，分散性好，故“活性大”，包被的水化膜多，是优质的降失水造浆粘土。此外，还可以加适量的降失水剂，如纳甲基纤维素、水解聚丙烯腈（HPAN）、植物胶等。

③泥浆漏失和不返浆

在松散的回填土层、地下水位较低、沙质粘土层、沙层、河床底的软土层扩孔，泥浆不从孔口返出，而是从孔内漏失至土壤。此时司钻手要适当控制泥浆泵的压力，泥浆员就要增大泥浆浓度和粘度，在孔壁上形成泥皮阻漏，有效地防止泥浆漏失。在穿越河流时，泥浆漏失严重时可在泥浆中加水泥或粉煤灰来控制漏失。

在扩孔或回拖敷管时，常见泥浆从孔内渗出地面。泥浆渗出的原因，一是扩孔、敷管中残留泥浆过多，阻塞钻孔，泥浆无法从孔口返出，泥浆在孔内形成高压而从地面渗出；二是地层松散，给泥浆留出通道，泥浆顺其通道渗出地面。此时，立刻开挖引沟将泥浆引出，然后组织泥浆车抽走。

一般情况下，泥浆从地面渗出对敷设管道影响不大，但是在一些特定的环境下要控制泥浆渗出。如：泥浆不可从居民房中渗出，不可从闹市区渗出，不可从养鱼、虾池中渗出。防止渗出泥浆的措施，一是增加钻孔深度；二是改变扩孔钻头结构，采用叶片式、溜槽式钻头, 尽可能将泥屑搅成泥浆；三是司钻手、泥浆员要根据地层情况，控制好泥浆的浓度、粘度、流量，以便增加泥浆的护壁性，使钻孔形成完整通道，泥浆畅通无阻地从孔口返出。

3.10 对抱管的防范措施

提高泥浆润滑性，作为降低抱管引起的拉管摩擦阻力增大的辅助措施。提高泥浆的润滑性是定向钻敷管的重要技术，当抱管应力一定时，要减小管道与孔壁之间的摩擦阻力，主要是降低二者接触面的摩擦系数。可在泥浆中加适量聚丙烯胺，既可提粘、降失水，又具润滑性。工地现场也用洗衣粉当润滑剂，还可分解岩泥屑颗粒。总之，完整、干净、润滑的孔壁是成功拉管的关键。

3.11 操作程序及管理措施

3.12 拖管时防止随管导线断裂

近几年燃气管道定向钻拖管都按规定随管拖入电缆线，电缆线主要为以后确定管道位置提供信号。在土层条件好、施工距离短的情况下，电缆线可以随管拖出。但是在遇到土层条件差（如砂层、回填层、岩石层）的情况时，电缆线一般会断裂在孔洞中，这样不仅造成了浪费，更重要的是导致以后燃气管道无法探测。遇到特殊地质情况时，应采用套管保护电缆线的方式进行拖管。

4 对定向钻施工管道的定位

针对地下管道的探测问题，可以在施工时采取埋设金属示踪线的措施解决。通过在地下管道位置进行埋设，或者最好在所使用的塑料管材制造过程中，直接在管道上固化附加金属线，这样也能避免这些金属示踪线轻易扯断。这样，就可以将非金属材质的地下管道映射为具有金属材质性质（导电、导磁等）的线路。探测时，在线路两端建立信号源，对线路进行通电，利用这些金属材质的导电性及导磁性差异作为主要物性，以电磁感应理论为指导，对其电磁场变化规律进行观测和研究，据此寻找地下非金属管道。也可以利用地下管道与周围环境的不同物理性质对其进行检测。