水平定向钻在铁路管线迁改中的应用

蒋俊伟

（江苏省铁路建设管理有限公司，南京 212000）

0 引言

铁路常与电力线路交叉或并行，高压和超高压电力线路由于弧垂高度、倒杆距离等不满足铁路和电力行业有关规程和规定，往往需要在铁路工程实施期间进行迁改。上跨铁路的特、超高压线路一般采用架空跨越，而高压和低压线路常采用电缆入地的方式下穿。由于受交通同行影响和自然条件的限制，部分区域不具备开挖直埋的条件，因此水平定向钻得以在受限区域内的铁路管线迁改中广泛应用。

1 工程概况

1.1 迁改工程概况

江苏省内现状有一条110kV 单回路架空线路采用“耐-耐”跨越既有普速铁路及在建高速铁路，交叉角为58，独立耐张段长度为299m。普速铁路在该区段内为路基，高速铁路为桥梁。高速轨面标高15.345m，下导线至高速轨面高差为9.5m，不满足架梁净高要求，需结合在建高铁施工和既有普速铁路同步迁改。由于江苏省供电公司相关规定要求：110kV 在跨越铁路等重点区段应采用电缆入地下穿方式，并同步预留通信通道。为减少直接开挖对既有普速铁路通车的影响，设计采取水平定向钻的方式穿越。在普速铁路北侧新建1 孔定向钻，定向钻孔径为φ560mm，定向钻拖管管束采用1-D560mm×26.7mmHDPE 管，以满足电力电缆下穿铁路的需求。

1.2 穿越地质情况

此次电力线路迁改定向钻主要穿越两种土层：①素填土，松散，灰褐色、杂灰色，以粉质黏土为主，含较多植物根茎；②黏土，可塑，灰黄色，等级中，湿，含铁锰结核，高岭土团块，稍有光泽，干强度及韧性中等。

2 水平定向钻设计

2.1 钻杆轨迹设计

水平定向钻的钻进轨迹设计需要综合考虑所处区域地下管线的分布情况，必须进行合理避让。根据现场实际情况选择在铁路南、北两侧合适位置设置工作坑。轨迹分为两部分：造斜段和铺设段。入土点设在铁路北侧，距铁路线路中心线水平距离为91.1m，入土角约为12；出土点设在铁路南侧，距铁路线路中心线水平距离为49.7m，出土角约为12。定向钻穿越出入土点间水平投影长度为140.80m，实际曲线长度为148.4m，如图1 所示。

图1 水平定向钻轨迹设计剖面

2.1.1 钻杆入土角

式（1）中：α：PE 管线入土角，度（）；

：管线埋深，取7m；

：管线入土时的曲率半径，米（m）；≈1200D～1500D，取1200D。

计算得α=12.1°

2.1.2 入土造斜段距离L：

计算得L=26.9m。

2.1.3 水平钻进距离L=93.8m。

2.1.4 钻杆出土角

式（3）中：α：PE 管线出土角，度（）；

：管线埋深，取7m；

：管线出土时的曲率半径，米（m）；≈1200D～1500D，取1200D。钻杆直径取88.9mm。

计算得α=12.2°

2.1.5 出土造斜段距离L：

计算得L=27.3m

2.2 摩阻力计算及设备选型

最大控制回拖力应满足管材力学性能和设备能力要求，总回拖阻力的计算可按下式进行：

式（5）～（7）中：F——总回拖摩擦阻力（kN）；

F——管外壁环向摩擦阻力（kN）；

F——钻头迎面阻力（kN）；

D——钻头外径（m），为管道外径1.2～1.5 倍；

D——管节外圈直径（m）；

P——迎面土环向压力（kN/m）；通常黏性土可取500～600kN/m，砂性土可取800～1000KN/m；

L——定向钻穿越总长度（m）；

f——管节环向平均摩擦阻力（kN/m）；可参照表1 计算：

表1 管节环向平均摩擦阻力f1（kN/m2）

F=F+F=859kN。

根据计算结果，定向钻机总回拖力应大于859kN。

该文选取64例妊娠糖尿病病患做为研究对象，按照随机方法，将患者分为研究组和对照组，每组32例患者。 研究组患者年龄22～39岁，平均年龄（29.3±4.3）岁；孕周 22～34 周，平均孕周（27.6±2.5）周；其中有 23 例初产妇，9例经产妇。对照组患者年龄22～38岁，平均年龄（28.9±4.1）岁；孕周 22～35 周，平均孕周（28.2±2.7）周；其中有24例初产妇，8例经产妇。比较两组患者的基本资料差异无统计学意义（P＞0.05）。

3 施工工艺流程

3.1 地下管线调查

施工前，组织相关人员编制具体施工内容及计划安排，并对现场施工条件进行调查、摸底和明确人员、机械进场道路，定向钻穿越位置等。在每个铁路封锁点前，均提前对现场设备进行深入调查，细化每个封锁点的施工预案。为了确保施工作业安全可控，避免定向钻穿越时对既有各类管线产生干扰和破坏，在探坑开挖及钻进前，充分与施工区域内可能存在的管线产权单位进行对接，共同核实现状管线水平和高程位置。

3.2 钻机就位和调试

水平定向钻的钻进位置位于入土点工作坑，与出土点在同一条轴线上。由于要预留钻杆在工作坑中左右上下摆动的作业空间，钻进角度比前文中计算的角度大1，取13。定向钻机两侧的支腿必须安装在平稳牢固的地面上，试运转过程应不晃动、不移动。试运转期间，通过对导向控制系统进行仔细准确校正，校正至完全准确后开始正式钻进。

3.3 泥浆配制

泥浆采用淡水+膨润土+添加剂配制，用水量通常为每分钟1.5m，按照一定比例均匀添加水和膨润土，用强制式搅拌桶搅拌而成。定向钻钻进过程中，泥浆通过泥浆泵和管道回收，经过沉淀池沉淀后循环使用。泥浆指标通过泥浆三件套测量，每两小时测量一次，泥浆的黏度是保证钻进不塌孔的关键，在该工程中，黏度控制在35～40s。钻孔泥浆经沉淀后的弃渣外运至当地有关部门指定的地点存放。

3.4 管道的安装组焊

该工程选用高强度HDPE 管，从出土点平行于钻进轴线将HDPE 管按照接头朝向摆放。HDPE 管的接头焊接采用热熔焊，在HDPE 管回拖前对焊接完成的通长管道进行严密性试验。通过对管道注水并施加0.2MPa 压力，稳压10min，观察接头部分有无渗水和轻微裂纹判断管道的接头性能。

3.5 导向孔钻进、回扩和管线回拖

3.5.1 导向孔钻进

钻机以预定的13的钻进角度开孔，通过导向系统控制导向钻杆，以一定的曲率半径逐渐调整姿态向下导向钻进，达到设计深度（7m）时，钻头的方向近似调整至水平钻进方向。施工过程中，地面操作人员随时持仪器与钻机操作手保持沟通顺畅，谨慎控制保持钻进角度与方向，适当控制钻进速度，保证钻进的顺直与水平。

3.5.2 回拖扩孔成孔

3.5.3 管道回拖

定向钻扩孔成孔后，为防止塌孔，维持孔壁的稳定性应立即进行管道回拖，管线回拖施工按照设定的回拖速率连续进行，必要时在出土点采用机械辅助进行送管，避免强制拖管导致已成孔的孔道挤压变形。

3.6 管道外侧注浆

由于扩孔钻头的直径大于设计管道直径，管道回拖完成后，在管道外壁与孔道之间的空隙中压注水泥浆，通过使水泥浆与膨润土泥浆产生化学反应，形成具有一定强度的水泥土，填充空隙。

4 定向钻施工要点

4.1 钻孔轨迹设计

水平定向钻钻进的轨迹通常考虑三方面因素：管道埋深和水平钻进距离；地下管线布置；入土角和出土角的控制。该工程采用7m 的埋设深度，较短的水平距离和较小的入土角和出土角，尽可能避免对既有铁路产生的干扰，也减少了钻进过程中碰到孤石和其他障碍物的概率，在实施过程中也印证了钻孔轨迹的设计能够较为顺利的实施。

4.2 预防措施

为防止在施工过程中出现回拖失败、扩孔报废、防止塌孔等突发情况，可提前采取以下措施：

4.2.1 定向钻机的总回拖力主要与钻进穿越的地层地质、管道规格和长度、回拖扩孔的直径和扩孔质量有关。因此，可根据理论计算结合经验估算的最大推、拉力和最大输出扭矩选择合适的定向钻机。

4.2.2 定向钻导向钻进的基本控制指标是出、入土角、曲线偏移以及造斜段钻杆的曲率半径。出、入土角一般比较容易控制，进行导向作业时，应确保穿越曲线的圆滑，防止出现反向弯曲的现象发生。

4.2.3 确保导向孔质量，导向孔是预扩孔的基础。在满足管道回拖要求的前提下尽可能选择较小的扩孔直径，选用适宜的泥浆，并尽可能缩短施工周期。

5 铁路线路监控

其一，水平定向钻穿越铁路施工期间，穿越路基段采用吊轨梁进行防护，普速铁路采取限速60km/h开行；施工区域内由设备管理单位24 小时派员监护，以确保铁路行车安全。

其二，施工过程中，对下穿铁路路基段进行沉降观测。在定向钻出、入口处各设置一个沉降观测点，并在其50m 外各设置一个控制点，在穿越铁路正上方布置一个变形观测点。施工时加强定向钻的方向和高低控制确保中线标高满足设计要求；施工结束后，铁路两侧设置标志桩，标明管道埋深、管径等参数。

其三，安排专人从施工开始至结束时间段内，对钢轨的几何尺寸进行监测，主要包括轨距和水平。在定向钻位置的正上方钢轨上安装轨道尺作为观测点，每隔5 分钟观察一次，当轨道尺读数有变化时，应立即停止作业，上报设备管理单位，查找变化原因。

6 结语

管线迁改单位应在实施前与相关运输站段位签订安全协议，做好现场交底，明确施工期间各自安全职责及配合方案。铁路营业线管线迁改影响着整条铁路的运营安全，通过应用水平定向钻孔技术穿越并铺设电力管道能够对类似的通讯以及小直径市政管道穿越铁路迁改起到引导示范作用。