川气东送管道工程青弋江定向钻穿越工程施工技术浅析

中石化管道储运公司华东管道设计研究院 胡登辉

0 工程概况

青弋江是安徽省较大的长江支流，属雨性河流，水位、流量随降雨量变化而变化。川气东送管道主干线在芜湖市弋江镇和宣城市文昌镇境内原计划定向钻穿越青弋江。施工期间青弋江水面宽约210~340 m，水深一般2.0~9.0 m，河床质为卵石。根据地质报告，穿越地层自上而下为冲积粉质粘土(厚0~1.6 m)、砂土(厚1.9~6.7 m)、砂夹20%~25%卵石(厚2.0~5.0 m，粒径2~6 cm)、卵石(厚2.0~9.6 m，粒径3~15 cm)、残积土(厚0.6~1.4 m)、白垩系泥质粉砂岩(厚度6.9~15.4 m)。

青弋江定向钻穿越长度830 m，入土角为10°、出土角为8°、最小曲率半径R=1 500DN(DN为管道外径)，穿越深度均为河床下4~9 m。西岸入土端地形较开阔，施工条件较好；东岸出土端民房密集，出土点距最近的民房只有十几米，环境保护的责任重大。

定向钻机采用 2008年国内生产的土行孙DDW-3500型钻机和美国2005年生产的D200型钻机，DDW-3500水平定向钻机拖拉力3 500 kN用于管道回拖；D200型钻机额定功率135 kW用于钻孔和扩孔。

穿越段主干线管径1 016 mm，管壁厚21 mm，材质为X70，设计工作压力10 MPa，高温型三层PE加强级防腐，双组分液体环氧内减阻涂层。光缆管穿越长度同主管线相同，管径D114×6.3 mm，壁厚6.3 mm，材质为X20。光缆线路敷设于输气管线介质流向的右侧，与主管线定向钻净距离20 m。

该工程于2008年12月25日正式开工，先后经历了3次穿越，3次变更施工方案和施工单位，于2009年9月12日贯通，历时260天。

1 定向钻穿越施工

1.1 施工工艺

定向钻穿越施工工艺流程详见图1。

图1 定向钻穿越施工工艺流程

1.2 施工方法

1.2.1 钻机组装调试

钻机锚固采用D178的6根6 m长钢管组成。根据测量点线及入土点位置确定锚固点位置，用打桩机打入地层，确定导向轨迹后，将钻机前端固定在地锚桩上。

组装完毕并经检验合格后，调整校正系统并进行设备试运转。钻机调校正常后，按照设计曲线钻进，由泥浆马达带动钻头旋转钻导向孔。钻进1~2根钻杆后检测各部分运转情况，在穿越曲线上每隔10 m左右设数据控制点，以此控制导向孔不偏离设计曲线。

1.2.2 卵石层加固措施

根据施工现场地表约7 m以下覆盖2.0~14.4 m厚的卵石层，考虑卵石层的受力后的不稳定性，钻孔或扩孔时易坍塌。为保证钻机钻进中的地层稳定和成孔，在入土段106 m，出土段130 m范围内的卵石层进行压密注浆加固，使加固范围内的复合地层成为一个完整的整体，加固后预计复合地层承载力达到100 kPa。

压密注浆步骤：

(1)按照设计定位放孔，以入、出土点为中心圆形布孔，布孔位置与入、出土点中心距2.0 m，孔间距0.5 m，布孔14只。

(2)在钻孔作业区内开挖作业坑长、宽、高分别为2.5 m×2.5 m×2.0 m，便于施工和保护农田。

(3)先用D200钻机钻孔，其中入土点沿10°成孔，出土点沿8°成孔，搅松土层。

(4)利用ZT25钻机沿原孔钻进，到位后再开始注浆依次后退直至注满为止；采用跳注法，间隔作业，注浆长度为入土段106 m，出土段130 m。

(5)注浆时加大泵量进行加固，终压力＜1.5 MPa，预计渗透凝固距离为距注浆点3 m范围。

1.2.3 泥浆质量控制

泥浆主要用于钻导向孔的固壁，防止孔壁塌落，同时对钻头起到润滑作用，是决定定向钻穿越施工成败的重要重要因素之一。泥浆的主要成分是一级膨润土加泥浆添加剂和水。泥浆添加剂有：改性淀粉(降滤失)、聚丙烯酰氨、NH2—PAN、改性聚丙烯酰氨(PHPA)(提粘)、防塌降滤失剂(KH—931)等，以保证泥浆具有高粘度、高携砂性、固孔和润滑等作用。

为了增大环形空间的有效尺寸，减小回拖拉力，确保回拖成功，采用D500~D1 500扩孔器11级扩孔(每级直径增加100 mm)，采用D1 500筒式扩孔器洗孔，完成洗孔后采用D1 500板式扩孔器带工作管线进行回拖，最终使管线回拖的环型空间达到D1 500。针对不同的导向和扩孔及地质情况，泥浆的配制方案也随之改变：

(1)钻导向孔阶段要求尽可能将孔内的物质携带出孔外，同时维持孔壁的稳定，其基本配方是：7%~8%预水化膨润土加0.2%~0.4%增添剂和0.3%降滤失剂。

(2)预扩孔阶段要求泥浆具有很好的护壁效果，防止地层坍塌，提高泥浆携带能力，其基本配方为：7%~8%预水化钠基膨润土加0.3%~0.5%提粘剂和0.4%降滤失剂。

(3)扩孔回拖阶段要求泥浆具有很好的护壁、携带能力；同时还有很好的润滑能力，减少摩阻和力矩；其基本配方如下：7%~8%预水化钠基膨润土加0.3%~0.5%提粘剂、0.4%降滤失剂和 2%~3%的润滑剂(RT—988)。

1.2.4 泥浆处理

由于本工程为大管径、长距离穿越工程，泥浆的需求量非常大，对泥浆处理要求较高。根据HSE管理目标必须设置泥浆净化回收装置，实现泥浆的循环使用。

泥浆处理流程：用注砂泵将废泥浆经钻杆输送到泥浆池，再将泥浆池中的泥浆泵送到振动筛，除去大颗粒钻屑；然后经除砂器除砂；最后由除泥器除泥。经上述3级处理后泥浆便可循环使用。泥浆回收利用可减少环境污染、降低泥浆材料消耗、保证泥浆供给量。

1.2.5 钻孔施工

钻导向孔选用241.3 mm钻头、127 mm加强钻杆钻导向孔。调整校正后组装地下仪表单元，连接钻头、钻杆、泥浆马达与无磁钻铤，试喷泥浆检查钻头泥浆喷射孔，同时检查控向信号。一切正常后，按设计曲线采用射流法钻导向孔，详见图2。

由于穿越地层自上而下主要经过粉质粘土层、砂土层、砂夹卵石层、卵石层层、中风化层，其中施工难度主要在于入土和出土的造斜阶段，要穿越砂夹卵石层、卵石层。其中砂夹卵石层卵石挤压中密，卵石含量为20%~25%，而卵石层卵石挤压紧密，卵石含量为80%，入土点侧卵石层深为12 m，出土点侧卵石层深为14.4 m。定向钻穿越过程中卵石不稳定，地层不易成孔，导向孔钻进入土卵石层后发生钻头漂移而失败。

图2 导向孔钻进示意

为稳定出入土段的卵石层，采用自上而下压密注浆加固卵石层后实施导向孔钻进；在钻进到出土段穿越中心线民房区时，由于地下卵石层的振动，致使个别民房墙体造成不同程度的开裂，导致穿越施工被迫中断。江的位置在原定向钻穿越断面附近，通过局部调整管道路由避开民房作为穿越路径。开挖施工采用挖泥船水下开挖管沟、岸边挖掘机配合方式进行，管道由轨道车发送，牵引过河、浮筒漂浮和沉管下沟的工艺来进行。

青弋江爬堤开挖穿越长度530 m，穿越断面处主汛期平均水深约6.5 m，最大水深约9 m，水面约340 m宽，两岸防洪堤之间的宽度约500 m。川气东送管道工程主干线自爬堤越过芜湖市南陵县弋江镇境内的沿河圩后，开挖穿越青弋江河道进入宣城市宣州区文昌镇爬越新滩圩。

通过运用改善思路、寻觅方法、灵活机动、全力以赴的工作策略，在短短的14 d完成了青弋江两市一区一县和两镇的地方报建工作，为川气东送管道主干线在主汛期穿越青弋江提供了合法性和安全性，在不到两个月完成了青弋江爬堤开挖穿越贯通，为投产目标的实现争取了一个半月的宝贵时间。爬堤开挖穿越施工完成后，经过仪器检测穿越深度，满足设计和规范要求，可保证管道安全运行。

为穿越卵石层，采用顶管处理出、入土段的卵石层，即在出、入土段挖去粘土层和砂土层，在穿越中心线上通过顶入混凝土套管，挖去套管内的卵石，使定向钻穿越卵石层可在套管内的进行。在实施中由于卵石层的反作用力太大，导致顶管基础开裂和后移，经对顶管基础进行打桩及地锚加固处理后仍无法控制顶管基础的开裂和后移。为减少顶管施工阻力，将原混凝土套管改为钢套管后实施顶管作业，因顶管阻力随着顶入的深度而增加，在分别顶入入土和出土段卵石层的五分之二时因顶管阻力太大而被迫中止。同时实施导向孔作业，当导向孔作业进入卵石层后其钻进角度很难控制，先后多次发生钻杆上漂的现象，使钻进再次中止。

1.2.6 爬堤开挖穿越施工

由于原采用的定向钻穿越卵石层方案，在实施导向孔作业中，发生钻杆上漂现象，难以按照设计曲线钻进，导致定向钻穿越实施无果。青弋江穿越已成为制约川气东送管道工程按期投产的“瓶颈”工程之一。为保证国家投产目标的实现，经研究启动青弋江爬堤开挖穿越设计方案。即爬堤穿越青弋

2 青弋江穿越过程中的经验和教训

在对青弋江定向钻穿越入、出土段的卵石层进行压密注浆加固过程中，由于采用的是以入、出土点为中心圆形布孔中心距2.0 m，孔间距0.5 m，布孔14只的压密注浆加固方案。在入土段106 m和出土段 130 m范围内的卵石层实施钻进注浆过程中，难以确保 14个注浆孔按照管道设计曲线中心轨迹周边成孔。一旦钻孔偏移或注浆参数失控，卵石层的压密注浆加固效果将受到严重影响。这也是导向孔钻进失败的重要因素。

在采用顶管处理出入土段的卵石层中，由于入、出土段卵石层已进行过压密注浆加固，虽然加固效果对钻进卵石层的整体稳定要求不够，重新形成卵石和卵石加固体不规则分布的地质结构体。采用顶管顶进分离注浆加固过的卵石层，实施中由于卵石加固体顶进分离阻力远大于原卵石层，按照原卵石层顶管方案修筑顶管基础，势必导致顶管基础开裂和后移，使顶管作业失败。

针对青弋江穿越中出现的一些问题体会如下：

(1)能否成功进行定向钻穿越工程取决于地质条件。目前，进口和国产定向钻机主要适用于粘土层、砂层、强风化岩石和卵石(砾石)粒径、含量较小的地质条件。遇到弱风化砂岩，钻具磨损太大难以通过；如果卵石(砾石)粒径、含量超过一定值后并采用压密注浆加固效果不理想也难以成孔。

青弋江采用定向钻穿越大粒径、大含量和大厚度卵石层实施无果后，采用爬堤开挖河道穿越方案获得成功，这是解决穿越大粒径、大含量和大厚度、大跨度卵石层中型河流最佳选择，具有一定的借鉴经验。

(2)工程施工前应对设计图纸进行现场实地校核，对校核结果进行分析、比对、研究。此次穿越施工前就已经知道穿越段卵石层是大粒径、大含量和大厚度、大跨度，但没有采取科学的方法和手段，是造成穿越失败的重要原因。

在充分吸取定向钻穿越教训的基础上，开工前应经详细地质调查，确定科学的穿越方案。采用爬堤开挖河道穿越方案，从开挖管沟到沉管下沟回填连头贯通，历时仅48 d，充分展示了爬堤开挖河道穿越技术所具有的安全、环保、高效的优势。

3 结语

长距离管道输送作为现代社会第五大运输行业，在我国已经有近 40年的发展历史，主要用于输送各种液体和气体等流动介质。在其建设过程中，不可避免地要穿过高山、公路、铁路以及各种构筑物。定向钻穿越方式与传统大开挖、隧道方式比较具有不影响河流、公路、铁路及构筑物正常运行、安全、可靠的优势。鉴于青弋江定向钻穿越在大粒径、大含量、大厚度、大跨度卵石层失败的教训，采用爬堤开挖河道穿越方案的成功，充分体现了对穿越大粒径、大含量、大厚度、大跨度卵石层河流，采用爬堤开挖河道穿越技术具备快速、安全、环保的特点，为类似工程积累了宝贵的经验。