非开挖定向钻进技术在小型水库坝下涵管改造中的应用

胡卫星，尚 斌，张 昕

（1.浙江省金华市武义县水务局，浙江 武义 321200；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；3.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

1 问题的提出

目前，我国已建成各类水库约8.7万座，其中小型水库约8.3万座，小型水库占水库总数的95%以上。小型水库是我国防洪体系与水利基础设施的重要组成部分，在防洪、灌溉、供水、发电和改善生态与环境等方面发挥巨大的作用。我国小型水库大部分是在“大跃进”时期修建，受当时经济条件和技术水平的制约，小型水库放水设施主要是采用坝下涵管型式[1-2]。坝下涵管管材主要有陶瓦、竹筋混凝土、素混凝土、浆砌石等。经过多年运行，部分（很多）小型水库坝下涵管存在断裂、渗漏、淤积等问题[3]，不得不采取限制水库水位等措施，保证水库安全运行，严重影响水库效益的发挥并威胁大坝结构安全。对存在病险问题的坝下涵管，目前主要采用坝体开挖重建、新建隧洞、顶管法重建、增加虹吸管等几种方法处理[4-7]。受适用条件限制，以上几种坝下涵管改造技术在实际工程中均无法大规模推广应用，使我国坝下涵管改造技术陷入被动。因此，迫切需要研发一种通用的坝下涵管改造技术以提高我国小型水库坝下涵管改造的技术水平。

2 非开挖定向钻进技术简介

非开挖水平定向钻进技术是采用安装于地表的钻孔设备，以相对于地面较小的入射角钻入地层形成先导孔，将先导孔扩径至所需大小并铺设管道的一项技术，在施工中具有跟踪和导向功能[8]。该技术起源于20世纪70年代的石油钻井工业，结合水井工业和公用设施建设方面的技术，经演变之后广泛应用于市政管道、油气管道的建设中。

2013年，浙江省金华市武义县水务局在小型水库除险加固工程中引入非开挖定向钻进技术改造土坝坝下涵管并取得成功。截至2017年，武义县共有8座水库采用该技术新建坝肩放水涵管，经过2~3 a观测，均运行正常。非开挖定向钻进技术与土石坝坝下涵管改造常用技术优劣比较见表1。

从表1中可以得出：相对于水库坝下涵管改造常用技术，非开挖定向钻进技术具有施工速度快、安全性能高、不影响坝体安全、适用范围广等优点，具有广阔的应用前景[9]。但由于非开挖定向钻进技术在现有水利行业规范中暂无明确表述且应用时间不长，其施工工艺缺乏系统研究，导致该技术在各地应用水平参差不齐，影响该技术的推广应用。结合近年来各地在采用非开挖定向钻进技术改造坝下涵管过程中积累的经验教训，对该技术的施工工艺流程和注意事项进行总结，为全国各地水库坝下涵管改造提供一个可行的参考方案。

表1 非开挖定向钻进技术与坝下涵管改造常用技术比较表

3 施工工艺

采用非开挖定向钻进技术改造坝下涵管的施工工艺流程，分为以下10个步骤：

（1）测量放样。根据设计的钻进线路进行测量放样，钻进线路的基岩覆盖层厚度必须大于2 m，避免穿越坝体。

（2）工作面开挖。根据计算选定的钻机设备尺寸开挖钻机平台，然后进行管线进出口两端的工作面开挖。位于库区内的工作面应保证干地施工条件，施工期间，原涵管做施工导流，排除水库上游来水。钻机平台最好设置在库外，钻孔方向由库外向库内；若条件不允许，可设在库内，同时设围堰及排水设施，不作业时安排人员值守，预防突发强降雨，导致设备被淹没。

（3）导向孔掘进。钻机安装好后，先掘进导向孔，在掘进过程中，用导向探测仪监测掘进方向、深度、高程，同时，在钻机旁边设置泥浆池，泥浆采用非开挖专用膨润土，按设计配比进行调配。钻机自带吸水功能把泥浆送至工作面，通过泥浆把钻机钻进过程中产生的碎石粉末排出洞外。

（4）扩孔。导向孔贯通后进行扩孔，应按设计扩孔系数和级差进行分级施工。

（5）孔壁清洗。扩孔成功后，用水泵和钻头清洗孔壁，全孔清洗。

（6）拖管。钻机将PE管从进口（出口）拉到另一侧。

（7）压水试验。PE管安装完成后进行压水试验，试验压力不低于0.6 MPa，持续时间24 h，检验PE管接头的密封性，防止灌浆浆液进入PE管，造成堵塞。压水试验中若发现PE管焊接段发生漏水现象，可采用以下3种方式进行处理：选用相应电熔套管进行维修；采用热熔法进行维修，将接头锯开，用电动刨刀削除旧接头两端各0.5 m，若施工条件允许，可采用直接管道对接焊进行修复，如场地限制可用法兰链接修复；选用相应尺寸的哈夫节紧固到漏水接头两侧进行维修。

（8）回填灌浆。先把进出口两端用混凝土封堵，封堵时需预留排气管与灌浆管，封堵完成48 h后才能进行回填灌浆作业。灌浆作业的同时，保持PE管压水状态，防止灌浆压力过大导致PE管变形。灌浆时，观测排气管的逸流状态，水泥浆液从排气管排出5 min后，封堵排气管，灌浆压力达到0.4 MPa时停止作业，3 h后进行复灌。

（9）进出口处理。回填灌浆完成后，修建进出口设施，主要为进口闸门、出口消力池及渠道等设施。

（10）原涵管封堵。新建涵洞正常运行后封堵原涵管。原涵管在黏土套井施工中予以击穿，清理干净后，用水泥土回填夯实；原涵管进口段混凝土封堵，预留回填灌浆管，1条深入涵管，1条作为出气管，同时观察回填浆液的情况，出浆后达到压力值后停灌，隔3~4 h复灌；出口段混凝土封堵，以防万一，预留排水管，并接往坝外。若在施工中遇到原涵管无法击穿的现象，则在该处做出标记，在后期帷幕灌浆时再击穿。

4 注意事项

采用非开挖定向钻进技术改造土石坝坝下涵管需注意以下事项：

（1）采用非开挖定向钻进技术施工时，需将设备置于库区内或库区外，向另一面钻孔施工，严格控制水平开挖精度，否则会引发另一端进口（出口）高程偏高（偏低），影响涵管的正常排水。如果由涵管进口端往库区外出口端掘进，造成出口端位置抬高，将导致水库死水位抬高，增加死库容；偏低又造成与原有渠道高程不符，造成死水位下库水无法排出。因此，掘进过程中的水平高差控制需较高的施工水平。

（2）控制好灌浆压力，PE管材需选用承压1.0 MPa的优质管材，在灌浆时不易引起PE管压缩，否则管径变小，导致涵管出水量不正常。

（3）在涵管进水口处宜设Φ5 cm通气管，该管连接到启闭机房顶，防止启闭机快速关闭时出现负水锤现象。

（4）为方便运行管理，涵管进口处宜设置斜拉式平板放水（检修）闸门，出口处宜安装工作闸阀，设闸阀室或闸阀井。

（5）由于涵管穿越坝下山体，施工工艺与常规市政道路穿越施工工艺不同，施工完成后还需封堵、压水、回填灌浆工序，建议选择专业水利施工队伍。

（6）用导向仪控制定向钻进的高程方向，钻头装发射器发射信号，导向仪接收信号，司钻员控制方向。按操作规程标定控向参数，为保证数据准确，在穿越轴线的不同位置测取，且每个位置至少测4次，进行对比并做好记录，取其有效值的平均值作为定向钻进的控向方位角度。

（7）水平定向钻进泥浆中的黏土是以蒙脱石为主的膨润土，主要由粒径很小（2 μm以下）的黏土矿物颗粒组成。主要含氧化硅、氧化铝和水，还有少量的铁、碱金属和碱土金属。黏土矿物的化学成分是含水铝硅酸盐。

（8）在扩孔中，为保证泥浆的性能、用量，现场配备一套泥浆性能检测装置（马氏漏斗），根据穿越段反浆情况调整泥浆配比值，根据地质资料，初步设计泥浆粘度为40~50 s。

（9）回拖是定向穿越的最后一步，也是最为关键的一步。回拖采用的钻具组合为：D-83钻杆+φ300 mm飞旋式切割刀进行扩孔+50 T万向节穿越管线。回拖时需连续作业，避免因停工造成阻力增大。管线回拖前仔细检查各连接部位是否牢固，对回拖头、万向节、U型环等进行检测及验算。为保证回拖顺利和防腐层不受破坏，采用发送沟的方式回拖管线，在作业时增加高润滑泥浆，回拖前后，准备好补口、补伤材料及电火花检漏仪，安排专人巡视。

（10）PE管热熔焊接施工工艺分为切削管端头、对正检查、接通电源、加温熔化、加压对接、保压冷却、试压7个阶段。对正检查时应取出铣刀再合拢焊机，要求管端面间隙≤1 mm，两管的管边错位小于等于壁厚的10%；接通电源时应使加热板达到（210±10）℃，用净棉布擦净加热板表面再装入焊机；加温熔化时将两管端合拢，使焊机在一定压力下给管端加温，当出现0.4~3.0 mm高的熔环时，停止加温，进行无压保温，持续时间为壁厚的10倍；加压对接时达到保温时间即打开焊机，取出加热板，并在10 s内重新合拢焊机，逐渐加压，使熔环高度达到0.3~0.4 mm，单边厚度达到0.35~0.45 mm；保压冷却时间为20~30 min；试压压力为工作压力1.5倍。

5 改进措施

由于非开挖定向钻进技术改造土石坝坝下涵管应用时间不长，在实际工程施工及运行管理中还存在改进空间，具体如下：

（1）非开挖定向钻进技术在现有水利行业规程规范中暂无明确表述且应用时间不长，其设计理论及施工工艺均需要进一步研究。

（2）由于非开挖定向钻进技术改造的坝下涵管管径较小，其回填灌浆质量目前暂无法检验，可以考虑研发小型管道检测机器人携带物探设备进行回填灌浆质量检验。

（3）由于非开挖定向钻进技术为新技术，水利工程概算定额中尚无相关计价方式，实际运用中采用市场定价。为便于技术推广，建议各地水利工程概算定额完善相关计价方式。

（4）小型水库主要功能一般为灌溉和供水，以灌溉水稻为主的水库一般对水温有要求，需取表层温水；以供水为主的水库一般对水质有要求，需取表层清水。因此部分水库涵管进水口需根据实际情况考虑采用分层取水式进水口，可考虑与非开挖定向钻进技术改造的坝下涵管结合取表层水。

6 结 语

自2013年以来，浙江省采用非开挖定向钻进技术改造土石坝坝下涵管的水库已经超过100座，改造的最大涵管长度365 m，最大管径达到1 m，经过改造后的涵管均运行良好。由于采用非开挖定向钻进技术改造土石坝坝下涵管具有施工速度快、安全性能高、不影响坝体安全、适用范围广等优点，建议在通过完善设计理论、改善施工工艺、提高施工水平、降低工程造价的基础上，在小型水库坝下涵管改造中全面推广应用该项技术。