定向钻在高速公路路面积水处治中的应用

王晓光

中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075

高速公路自运营以来，随着沿线地区经济建设的发展，交通量增长迅速，重载大货车和超载车辆所占比重增加。并经过多年运营，局部路段的服务水平明显下降，在中央分隔带、左侧路缘石等多处出现积水的病害，对路基的稳定性、行车安全性、道路服务水平等造成很大的影响。但受到车流量大和环保因素限制，根本不具备大开挖施工的条件。文章依托某高速公路路面积水处治工程，提出了一种新的处治措施。

1 工程概况

某高速公路技术标准为双向四车道，设计速度为120km/h，路基宽度为27.5m，路面宽度为25.5m。在桩号K1512+390 ～K1512+410 段右侧超高段处，超车道与中央分隔带之间出现大面积积水现象，尤其在暴雨时节，超车道路面积水更加严重，导致事故多发。据现场调查，中央分隔带原有排水设施由于严重淤堵，已无法用于排水，致使局部路面出现积水现象。经调查，路基填料为碎石土、卵石土。在桩号K23+065 ～K23+083 段左侧，超车道与中央分隔带之间也出现积水现象。根据管养单位说明，路面曾做过超薄磨耗层处理后导致积水。根据现场情况，该路段处于正常段（非超高段），超车道略微低于行车道，且超车道横坡朝向中央分隔带，因此导致路面水汇集至靠近中央分隔带处，中央分隔带附近并无任何排水设施，形成积水现象。经调查，路基填料为碎石土、卵石土。

2 水平定向钻介绍

水平定向钻进技术最早出现于20 世纪60 年代，到80年代中期国内逐渐开始使用该技术。水平定向钻进技术是工程技术行业的一种管道施工工艺，在不开挖地表面的条件下，铺设多种地下公用设施、管道、电缆等，被广泛应用于供水、天然气、电力、石油、电信、煤气、市政工程等行业的管线铺设中，适用的地质有沙土、黏土、卵石等非硬岩地区，即我国大部分地区均可施工。水平定向钻进技术具有施工精度高、施工速度快、施工成本低等优点，经过十几年的飞速发展，成为发达国家中新兴的产业。目前其发展趋势正朝着大型化和微型化、适应硬岩作业、自备式锚固系统、钻杆自动堆放与提取、钻杆连接自动润滑、防触电系统等自动化作业功能、超深度导向监控、应用范围广等方向发展。

近几十年，我国管道铺设以及市政排水项目的大量使用水平定向钻进技术，积累了许多宝贵的工程实践经验。目前已形成许多相关规范和标准，主要包括《水平定向钻法管道穿越工程技术规程》（CECS 382：2014）、《水平定向钻机》（JB/T 10548—2016）等。

3 处治措施

由于该高速公路车流量大，要求施工期不能阻断交通，且要求对原有结构、设施破坏达到最小，经过多次方案研究后，提出采用水平定向钻进技术。

K1512+390 ～K1512+410 处在原有的排水附近的中央分隔带边缘设集水井，井宽60cm，井长50cm，井深30cm。在集水井处，下设Ф20cm 的PE 排水管，通过定向钻进技术，将水引到路基排水沟中。

K23+065 ～K23+083 处在中央分隔带内设矩形纵向引水沟，沟宽20cm，沟深20cm，沟壁5cm，采用C15 水泥混凝土预制。首先将中央分隔带边缘积水汇集于积水最低点K23+073 处；然后在积水最低点K23+073 处，中央分隔带设集水井，井宽60cm，井长50cm，井深30cm；最后在集水井处，下设Ф20cm 的PE 排水管，通过定向钻进技术，将水引到路基排水沟中。

4 关键施工流程与施工技术

施工流程包括施工准备、泥浆配置、导向钻孔、扩孔、铺设管材（管线回拖）、质量检验与验收等。

4.1 施工准备

调查开钻附近是否埋设管道等其他构造物，封闭右幅超车道，右幅车辆单车道通行，做好限速等交通组织措施。

4.2 泥浆配置

采用膨润土、化学处理剂和水进行配制，其中，黏度为50 ～60s，比重为2.5 ～3.0，pH 值不小于9。钻孔泥浆用量估算公式如下：

式中：V 为钻孔泥浆用量，m3；De为终孔直径，m；L为穿越长度，m；K 为比例系数，取值3 ～5。该项目比例系数取值4，估算得到钻孔泥浆用量约为6.2m3。

由于施工过程中，地质条件等因素的变化，使泥浆性能参数需要实时监控和调整。黏度用马氏漏斗每2h 测一次，若发现黏度不足，需在钻井液中加入增黏剂等大分子物质。钻孔泥浆的pH 值采用试纸进行测试。且施工过程中需保持稳定的泥浆循环，若需较长时间停止，必须向钻孔内定时补充新的泥浆，同时活动钻具，以此补充泥浆漏失和防止卡钻事故发生。

4.3 导向钻孔

导向孔轨迹一般由直线段、曲线段、水平直线段组成。该项目根据施工现场条件，导向孔轨迹由直线段、曲线段和水平直线段组成，入土角度为28°。根据地质情况，选择合适的钻头和导向板，每钻进一根钻杆要测量一次钻头的实际位置，以便能够及时调整钻头的钻进方向，确保所完成的导向孔尽量符合设计轨迹的要求，并确保钻头在预定位置出土。若发现导孔偏离，纠偏应平缓，避免出现大的转角。

4.4 扩孔

一般情况下，使用大型钻机时，当管线直径大于30cm时，就要进行预扩孔，使用小型钻机时；当管线直径大于10cm 时，就要进行预扩孔，预扩孔的直径和次数根据具体的钻机型号和地质情况而定。该项目最终的扩孔直径为280mm，且进行多级扩孔，即分多次将钻孔直径扩至达到设计要求。扩孔钻进开始之前应确保扩孔器喷嘴流畅。在扩孔过程中，若出现拉力异常或扭矩，需降低进尺的速度，然后查明情况，调整相关参数后进行扩孔。

4.5 铺设管材

铺设的管材必须具有足够韧性、强度、良好的抗腐能力和焊接性能。该项目采用PE 管，回拖PE 管时，先将钻杆、扩孔器、回拖活节和被安装管线依次连接好，从出土点开始回拖作业。

管材所能承受的最大回拖力：

式中：σ 为管材的屈服强度，MPa；D1为钢管外径，mm；D 为管道内径，mm；N 为安全系数，低压管道取2。该项目在具体施工过程中，DN200PE 管（SDR17）所能承受的最大回拖力为77kN。回拖速度应匀速，回拖过程应连续，如果在特殊情况下需要中止，中止时间不宜超过4h。

4.6 质量检验与验收

完工后对施工质量进行质量检验与验收，应符合《水平定向钻法管道穿越工程技术规程》（CECS 382—2014）第七章以及各地方规范要求。

5 技术优点

（1）施工期间不需阻断交通，确保高速公路不中断运营，对交通影响较小。

（2）施工期间不会大面积破坏路面结构层，有一定的经济效果。

（3）施工期间对周围环境影响较小，不破坏原有地貌，适应环保的各项要求。

（4）与其他施工方法相比，进出场速度快，并且施工占地少，工程造价较低。

6 结束语

随着水平定向钻进设备不断发展和施工经验的不断积累，该技术将广泛应用于各行各业。尤其是针对高速公路，水平定向钻进技术具有对路面结构层和原地貌损坏较小、实时定位、不阻断交通、施工周期较短、穿越精度高等明显的优势，可广泛应用于各等级公路路面积水病害处治中。