南水北调东线一期济宁市续建配套工程定向钻穿越G327国道设计施工浅析

王亚峰，安月兰，黄雪芬

（1.济宁市水利工程施工公司，山东 济宁 272000；2.济宁市黄淮水利勘测设计院，山东 济宁 272000）

1 施工概况

南水北调东线一期济宁市续建配套工程（第二期）施工中，曲阜支线需穿越国道G327。原设计中，使用定向钻穿越327国道，管径为630，管材为钢管，设计桩号14+100～14+258，设计长度158 m。根据《油气输送管道穿越工程设计规范》（GB 50423-2007），穿越铁路或二级及二级以上公路时，应采用在套管或涵洞之内敷设穿越管段，经计算，需在道路下部增加800的钢管作为套管，套管长度60 m，增加套管后部分定向钻穿越管径变更为800，穿越段长度延长为238 m。

2 套管及定向钻长度计算

根据施工现场测量，定向钻斜穿过国道G327，国道正下方直线长度为52.7 m，考虑到定向钻弯曲通过及安全延伸长度，800的套管长度定为60 m。

根据中国非开挖技术协会编制的《水平定向钻进管线铺设工程技术规范》第4.1.2.2轨迹设计参数：“铺设钢管的最小允许弯曲半径可用下列公式计算。但是，为了利于铺管，最小弯曲半径应尽可能大。”

式中：Rmin为最小弯曲半径，m；206 为常数（Nm/mm）2；D 为管子的外径，mm；S为安全系数，S=1～2；K2为管子的屈服极限（N/mm2）。

因入土端有高压线及高压线杆，高压线埋深约1.0 m，高压线杆深度1.5～2 m，800钢管最终扩孔孔径1.1 m，故此该处应达到3.3 m。以入土点为基准点高程为0.0 m，穿越最低点高程为-9.0 m。因327国道与入土点高差为1.5 m，故此327国道与管道高差为10.5 m。变更后800穿越长度计算如下：

入土端直线段水平长度a1=b1÷tgθ入=3.3÷tg10°=18.8 m

入土端曲线水平长度a2=Rmin×sinθ入=785×sin10°=136.3 m

入土端曲线水平长度c1=Rmin×sinθ出=785×sin7°=95.7 m

入土端直线水平长度c1=d1÷tgθ出=3.1÷tg7°=25.2 m

穿越段施工总长度L1=a1+a2+c1+c2=276 m

管道连接返平段：（管道在深度约2.2 m处返平焊接连头）

入土段返平长度s1=h÷tg入=2.2÷tg10°=12.5 m

出土段返平长度s2=h÷tg出=2.2÷tg7°=17.9 m

实际铺设管道长度L=L1-s1-s2=276-12.5-17.9=245.6 m

图1 定向钻穿越剖面示意图

3 钢管焊接及防腐

在φ600钢管进行防腐处理后，将φ600钢管放入φ800钢管中，在接口处进行斜向30°焊接，焊接完成后对斜向接口及60 m长的φ800钢管进行防腐，保证穿越段无裸露钢管，见图2。

图2 钢管焊接及防腐示意（单位：cm）

4 定向钻施工

4.1 施工准备

根据工程施工前进行的工程地质勘察报告，穿越段地质情况为原土层，地下管线分布均已取得相关部门确认，影响穿越施工的管线已进行避让，地面无影响施工建筑物。

4.2 施工工艺流程

地质勘察→高程测量→穿越轨迹设计→钻机就位→钻导向孔→扩孔→回拖→设备离场→地貌恢复。

4.3 施工步骤

（1）测量、放线、挖工作坑：按照建设方指定的设计穿越位置，用水准仪对所要穿越的公路及施工现场（进钻点、出钻点）进行详细的高差测量。根据现场测量及计算，准确放线并开挖进钻点、出钻点工作坑。停钻机一侧5 m需开挖一个3 m（宽）×4 m（长）×2 m(深)的斜坡工作坑；钻机停放在工作坑5 m之外；拖管工作坑开挖一个2 m（宽）×60 m（长）×2 m(深)的斜坡工作坑。

（2）绘制“导向钻进施工轨迹图”：根据现场测量结果，计算出每根钻杆的钻进深度及角度并绘制出导向钻进施工轨迹图，为下一步安全准确导向钻进做好准备。

（3）停放、固定钻机及摆放螺旋钢管：工作坑挖好后将钻机停在入钻工作坑处，将焊接及防腐做好的钢管呈直线摆放在出钻斜坡工作坑内。

（4）导向钻孔 ：参照“导向钻进施工轨迹图”的数据，采用射流辅助钻进方式，由导向员、司钻员等相互配合，按设计轨迹钻进直到出钻点工作坑。为保证预扩孔及回拖工作的顺利进行，钻导向孔时要求造斜段应严格按设计曲线钻进。经过对轴线及钻机就位情况进行校准，检查无误后方能开始钻进施工。控向设备采用无线控向系统，以提高钻进的准确性，导向孔完成后经检查合格后方可进行预扩孔。

（5）配制泥浆：切实保证泥浆的性能是穿越工程顺利进行的前提及保证公路基础设施安全的前提。泥浆作为钻进冲洗液，使用优质的膨润土和添加剂，严格按照比例经搅拌系统搅拌成泥浆注入洞内，具有润滑钻具、稳定孔壁、降低回转扭矩和回拉力，降低拖管时管道和洞壁的摩擦系数、冷却钻头和发射器、携带土屑、减少腐蚀、固孔护管等作用。

长距离穿越，泥浆的作用尤其重要，孔内缺少泥浆往往是钻孔失败的重要原因。保持整个过程中有反浆，对工程顺利进行至关重要，为改善泥浆性能，需加入适量添加剂来配制成不同性能的泥浆。

（6）扩孔 ：钻孔结束后，卸下导向钻头，将钻杆、扩孔器、回拖活节依次连接好，然后由钻机转盘带动钻杆旋转后退，逐级扩孔，为确保顺利及安全，通常的将成孔孔径设计为回拖管径的 1.2～1.5倍，结合本次拉管施工的实际情况，安全系数暂定1.4，本工程设计孔径为Φ630 mm，最终扩孔直径确定882 mm，采用锥型桶式扩孔钻头分级扩孔，直到扩孔孔径符合托管要求为止。然后根据地层地质情况确定顺孔次数，经技术人员根据钻机在顺孔时反应的各种参数数据的判定，确定拉管时间。顺孔结束后，将钻杆、扩孔器、回拖活节和被安装管线依次连接好，一次性将管线回拖至入土点为止。由于使用了专用工具和钻好的孔中充满泥浆，所以管线在回拖过程中是不旋转的，管线在扩好的孔中是处于悬浮状态，管壁四周与孔洞之间由泥浆润滑，这样即减少了回拖阻力，又保护了管道防腐层。

（7）拖拉管：将提前焊接好的带有拉头钢管摆放好。检查扩孔器内各通道及各泥浆喷嘴是否畅通，确认合格后才能连接，连接顺序为管线+连结头+旋转接头+扩孔器+钻杆；扩孔器直径为穿越管道直径的1.2～1.5倍，目的是减小拖拉力，保护防腐层；全部连接完后应送泥浆冲洗，检查各泥浆喷嘴是否正常，合格后进行回拖施工；管道回拖施工应连续进行，除发生不可抗拒的原因（如设备故障、卡钻等）外，严禁在施工中无故停拖。在回拖时进行连续作业，避免因停工造成阻力增大；回拖过程中，要认真观察浆泥运行情况，动用泥浆制浆系统、泥浆循环处理系统和利用泥浆回收坑和泥浆处理坑尽力分离、除砂泥浆、回收泥浆残物，尽量减少环境污染；管道回拖出土，用大钳与单斗、人工配合卸下钻杆、扩孔器、回拖万向节和“U”型环等机具，割掉回拖头，用事先准备好的材料回拖管管口封堵。

4.4 设备撤场

所有作业完成，经现场施工验收后，系统拆除连接，设备撤场。按照钻机、泥浆系统、动力系统、机具钢板排等顺序依此撤离施工现场。

4.5 地貌恢复、泥浆处理

施工完毕待设备全部撤离后，将泥浆池中的剩余泥浆用专用的泥浆罐车拉运到当地环境保护部门指定的弃泥场。泥浆中的残余极少量泥土混合物就地深埋。

5 结论与建议

5.1 结论

南水北调东线一期济宁市续建配套工程（第二期）曲阜支线定向钻穿越G327工程涉路工程设计文件及施工方案主要评价结论如下：

（1）曲阜支线穿越G327采用定向钻施工方式，未侵入公路建筑界限。穿越交叉角度为74.8°，满足规范要求。

（2）曲阜支线穿越G327时管道埋深为8.0～10.2 m，满足规范要求，在此埋深下路面沉降值为20 mm，满足《给水排水工程顶管技术规程》（CEC246:2008）规定“穿越施工造成的公路路面沉降量应小于或等于20 mm”的要求。

（3）曲阜支线定向钻穿越G327时，采用DN800螺旋钢管作为套管，满足《公路工程技术标准》中“管道与各级公路相交叉且采用下穿方式时，应设置地下通道（涵）或套管”的规定。

5.2 建议

（1）无地下管线、障碍物的相关详细调查资料，施工前对沿线路段地下管线、障碍物进行详细调查，保证与其它管线的安全距离。

（2）完善施工方案关于场地恢复、应急预案等方面的内容。

（3）施工企业核查定线钻穿越局部增加套管的可行性。