燃气管道水平定向钻技术施工时风险因素的影响

上海煤气第一管线工程有限公司 吴玮祥

近年来，随着城镇燃气需求量不断增加，诸如西气东输、川气东送等大型管道的施工工程越来越多，在管道施工中也应运而生了许多先进的创新技术。城镇燃气管道非开挖水平定向钻技术便是这些创新技术中的一项。这种新技术为工程带来了更大的优势，保证了工程的质量，提高了施工的效率，降低了工程的成本。但是新技术运用过程中往往会经历许多波折和失败，在各个发展阶段都会面临各种各样的问题，即工程中面临的许多风险因素。若能及时发现这些风险因素并加以解决，将能促使该新技术变得稳定可靠。

城镇燃气管道非开挖水平定向钻技术在管道穿越河流、湖泊、交通干线、铁路枢纽等障碍和重要区域时具有明显的优越性。深圳高压系统输配工程17标水官高速段定向穿越工程，第一次穿越耗时2年，但是因最后造成高速路塌陷而不得不停工，经专家论证后放弃了这条路线。然后总结失败经验，重新选线，第二次定向穿越用时5个月就顺利的完成了全部穿越。本文通过两次水平定向钻施工的对比，找出其中影响水平定向钻穿越的风险因素，加以分析后找到解决方法。

1 水平定向钻技术

水平定向钻技术作为非开挖技术中最具活力的一项技术，具有精确导向、环保、高效率、不影响交通、施工安全性好、技术综合成本低等特点。

1.1 水平定向钻施工工艺

水平定向钻穿越施工主要包括7大工艺步骤：场地选择、布管→施工前调试检验→钻导向孔→扩孔→管道回拖→施工后复验→场地复原。

1.2 水平定向钻机系统组成

一般规格的水平定向钻机都是由钻机系统、动力系统、控向系统、泥浆系统、钻具及其他机具组成。其中：钻机系统是穿越设备钻进作业及回拖作业的主体，配合动力系统和控向系统完成各种穿越作业；泥浆系统负责提供适合钻进工况的泥浆；然后辅以钻杆、钻头、泥浆马达、扩孔器、切割刀等各种钻具和机具。

1.3 水平定向钻施工优势

(1)水平定向钻穿越施工不会破坏绿地和植被，不会阻碍交通，不影响商店、医院、学校和居民的正常生活和工作秩序，解决了传统开挖施工对居民生活的干扰，对交通、环境和周边建筑物基础的破坏和不良影响。

(2)现代化穿越设备的穿越精度高，易于调整敷设方向和埋深，管线弧形敷设距离长，完全可以满足设计要求，并且可以使管线绕过地下的障碍物。

(3)与其他施工方法比较，进出场地速度快，施工场地可以灵活调整，尤其在城市施工时可以充分显示出其优越性，并且施工占地少、工程造价低、施工速度快。

1.4 水平定向钻施工的劣势

(1)我国对水平定向钻技术尚无统一的技术标准和施工验收规范，因此对于施工质量和工程设计没有官方的评判依据。一旦发生质量事故，对责任方的认定也造成一定难度。

(2)一般在进行水平定向钻作业时，为保证穿越管道防腐层的安全，回扩孔与回拖管材之间会有一定的间隙，不能像开槽敷设施工那样进行回填夯实，因此会有一定的沉降风险。

研究和分析影响水平定向钻施工的风险因素，对把控工程质量和安全、减少因风险因素导致水平定向穿越失败的问题具有积极意义。

2 水平定向钻技术应用实例

2.1 工程概况

深圳高压输配系统17标段水官高速断面穿越水官高速燃气管道工程。第一次穿越按照原图纸设计进行，见图1。定向钻入、出土点0705～0706平面总长度为650 m，其中定向钻水平长度650 m，由于出土侧塌方，开挖了一段塌方段，孔洞曲线长度实长600 m。入土角5°，出土角6°，曲线段曲率半径R=1 500D。

图1 第一次穿越断面

工程实际开始于2013年4月，施工时遭遇各种不利因素，断断续续进行到2015年1月时，因施工断面上方水官高速公路发生路面塌陷而停止。经过施工现场察看，事后展开专家会议论证评估，决定放弃原有的穿越路径并进行泥浆封堵，然后由设计到现场选择其他穿越路径。2015年3月开始了第二次水平定向钻施工。

此次工程将穿越分成了两段，见图2。一段采用了顶管穿越，入、出口井0705-1～0705-2平面总长度为100 m；另一段还是采用水平定向钻施工，入、出土点0705-2～0706平面总长度为542 m，其中定向钻水平长度513 m，曲线实长516 m，入土角6°，出土角6°，曲线段曲率半径R=1 500D。2015年7月顺利穿越回拖完成。

图2 第二次穿越断面

2.2 两次定向穿越对比

(1)第一次水平定向钻穿越耗时时间过长，原施工计划为3个月至半年，实际耗时近2年，而第二次定向穿越仅用时4个月，对比前次用时大为缩短。

(2)第一次定向穿越时，地质勘探不到位，因为地理环境因素和水官高速公路的存在并未按照要求合理地分布勘探点，导致施工时对于地下环境的了解有一定缺失，在遇到地下岩石带或碎石带时没有调整好钻速，而导致钻头或钻杆损坏。在第二次穿越前因为水官高速塌陷的原因，补足了所有的地质勘测点，从而对于穿越路径地下环境有了一个明确的认知，施钻时能够合理地控制钻速，减少了钻具的损耗。

(3)第一次定向穿越时，由于钻头和钻杆的经常性损耗，钻头准备不充分，并且钻头部件断裂在孔洞内需要回收以避免将来回拖管材时造成表面划伤，因此钻机时常处于停摆状态，而第二次定向穿越时准备到位，并未产生太多的停摆时间。

(4)深圳处于南方多雨地区，经常会出现台风暴雨天气，两次定向穿越都经历过暴雨天气雨水淹没整个孔洞的情况，但施工耗时的不同，第二次定向穿越受到雨水影响的次数明显少于第一次定向穿越。

两次穿越对比平面图见图3。

图3 两次穿越对比平面

3 影响水平定向钻施工的风险因素

通过上述两次定向穿越工程的对比，找出影响水平定向钻穿越工程的风险因素，就能提高该施工技术的可靠性。

3.1 时间因素

任何工程对于施工时间即施工工期都有严格的制约性，其中可能涉及到了施工效益或者其他经济因素。定向钻施工的时间限制不单单只是面临到这些问题，还有更重要的一点就是其施工本身对于时间控制是非常严苛的。一般大型定向穿越都会选择距离地面10 m以下的位置进行施工，孔洞上方包括表面以上的构筑物和地下土石层会形成一个非常大的自重，对新形成的孔洞时刻进行着挤压，伴随着可能出现渗水而造成水土流失，会使得孔洞上部区域逐渐形成空洞，时间越长破坏越大，从而导致穿越路径表面构筑物破坏或路面塌陷，造成不可挽回的损失。

3.2 地下环境因素

作为定向钻工程的前期准备工作，地质勘查是最重要的一个环节。根据勘察报告反馈的情况，施工时才能够选择满足功率的钻机、合适的钻头、合理的钻速和泥浆配比。如果发现其中有硬石块或者碎石带也可以及时进行评估，讨论施钻方案或者另选路径。一旦地下环境不明或者勘察不到位，往往会对施工造成很大的阻力因素，小则延误施工进度，耗损钻探工具，大则破坏工程质量，导致穿越失败。所以，正确合理的勘察报告对定向穿越施工产生的助力是巨大的。

3.3 钻机停摆因素

在水平定向穿越施工过程中，钻机停摆是一个经常会发生的状况。有时候是机器故障或维护，有时候是钻具耗损需要更换，有时候是钻头断裂在孔洞内，需要将断裂的零部件清理干净才能再次施钻。但是长时间的钻机停摆状态是非常危险的情况，因孔洞周围的作用力会不停地挤压孔洞边缘，极易让孔洞产生变形，一旦变形巨大形成不规则形状会不利于再次施钻扩孔，增加继续扩孔的难度。因此钻机停摆时间不宜过长，钻机在整个定向钻施工的过程中，需要尽可能保持运转状态。

3.4 孔洞上部扰动因素

水平定向钻穿越一般会选择地面有障碍物的环境下进行施工，这些障碍物可能是高速公路、铁路或者大型公共建筑。这些构筑物带来的车辆、火车和大量人流不可避免地对施工中的孔洞带来扰动，从而加速孔洞上部结构的沉降，使得施工工作越发艰难。

3.5 天气因素

一般工程都会受到天气因素的影响，而对于水平定向钻施工最大的天气影响因素应当是雨水天气。水平定向钻属于非开挖地下作业，对于地下结构的稳定性尤为看重，且雨水渗入地下土层会对地下结构产生一定影响。特别是暴雨天气，大量雨水灌入会对定向穿越形成的孔洞进行一定的冲刷，破坏孔洞结构，并对孔洞的上部结构进行渗透形成水土流失，全都流入到孔洞内，从而对定向钻施工造成一定的影响。

4 风险因素的防范措施

4.1 合理的工期是施工成功的关键

严格控制施工进度，在施工准备期间就做好严格的施工计划，做到各个环节都能够环环相扣，不在不必要的事项上(如资金、设备材料供给、人员调度等因素)浪费时间，可以有效减少因沉降、上部扰动和不利天气因素造成的影响。在合理的工期内完成扩孔回拖工作是对定向钻施工安全质量上的最大保障。

4.2 地质勘查工作是施工顺利完成的前提

施工前需合理正确地布局施工路径上的勘察点位，探坑深度能够有效达到定向钻扩孔深度，查明地下结构以及硬石分布情况的详细信息，最后形成与现场状况正确一致的勘察报告。施工人员若熟知穿越路径的地下分布情况，将会对整个定向钻施工起到巨大的助力作用。

4.3 合理使用泥浆配比有助于扩孔和回拖工作

泥浆的使用是水平定向钻施工最重要的辅助工序之一。在扩孔和回拖管材时往往需要依靠泥浆的润滑效果来达到相应的目的。钻头经过硬石块或碎石带时一般都会留下粗糙的痕迹，而这部分由石块形成的孔洞对于扩孔和管道回拖有着不利的影响，通过加大泥浆的黏稠度可以有效覆盖掉这些石块的表面，从而保护钻具和管材，而在松软土层则要减小泥浆的黏稠度，避免喷出的泥浆又变回泥块，增加麻烦。

4.4 管材表面的防腐层增加紫外线光固化材料

紫外线光固化纤维增强复合材料，需要日光或紫外灯固化。其适用于定向穿越施工时对整条穿越管线的保护，能提供优秀的防机械性损伤、防水和防绝缘损坏保护。在管道穿越前，先对管道外层包覆光固化材料保护层，利用其坚硬的耐划伤保护性能，在管道回拖时使得防腐层可以得到有效保护。

4.5 入、出土点设置排水渠

雨天天气对水平定向钻施工有很大的制约作用。在入出土点合理布局排水渠，在下雨时及时引导雨水流出作业范围，能有效保护定向钻形成的孔洞，减少孔洞上土层渗水作用带给定向钻的影响。

5 结语

近年来，水平定向钻技术作为一项非开挖新技术，在工程实践中得到了较为广泛的应用。本文通过对比同一工程的两次定向穿越，分析了影响水平定向钻穿越工程的风险因素，包括施工时间、天气、地下环境、钻机停摆、孔洞上部扰动等，进而给出了相应的解决措施，包括合理工期、深入地质勘查、合理使用泥浆配比、管材表面增加紫外线光固化材料防腐层、入出土点设置排水渠等，确保水平定向钻技术既实用又可控。