定向钻孔在穿越南水北调中线总干渠的应用

□刘百灵 □郑臣明 □杨志飞（河南省豫北水利勘测设计院）

1 工程概况

亚新钢厂供水管道是河南省安阳市汤阴县琵琶寺水库为亚新钢厂供水管道，为单根DN450mm玻璃钢管压力管道。原供水管线在南水北调中线总干渠桩号Ⅳ180+967.20处与南水北调中线总干渠交叉。供水管线与总干渠轴线交角63°，交叉段起点位于长沙沟以南、总干渠以西，终点位于长沙沟以北、总干渠以东，交叉段原管道长度为231m。

2 方案比较

方案一：供水管道采用水平定向钻PE管穿越南水北调总干渠，然后采用沟槽开挖玻璃钢管道直接埋地穿越长沙沟与原有玻璃钢管道连接。该方案工程投资200.21万元。

方案二：采用玻璃钢管倒虹穿越南水北调总干渠和长沙沟，平行于长沙沟倒虹吸轴线方向采用玻璃钢管倒虹吸（总干渠底部做套管）自西向东垂直穿越总干渠，在总干渠东侧征地线外转向正北，垂直穿越长沙沟，与原供水管线连接。该方案工程投资298万元。

上述方案二为大开挖方案，施工工艺简单，但是对南水北调中线总干渠渠底泥灰岩地质破坏比较大，投资大；方案一不影响施工环境，对渠道泥灰岩破坏小，管道在地下不受扰动，使用寿命较长，施工周期短，投资小，故推荐采用方案一，即采用水平定向钻PE管倒虹吸穿越总干渠方案。

3 穿越段管道设计

3.1 设计前的准备工作

水平定向钻拖拉管的布置方案受多种因素影响，其中最主要的是现场地上和地下条件。现场地上条件包括地形、地貌以及周围建筑物、河流等；地下条件包括工程地质、水文地质、现有地下管道、地下水和地下隐蔽工程等。因此，在水平定向钻设计前必须取得第一手的地质资料，为编制设计方案和计算工程造价提供依据。这些资料一般包括穿越地层的土质类型和结构，土质的主要物理力学特性(特别是土的抗剪强度和土层的内摩擦角)、含水量、透水性、岩石硬度、含卵石或砾石的比例等。

3.2 穿越曲线设计

穿越曲线设计即寻找最理想的钻进路径，是水平定向钻拖拉法设计的核心。拖拉管的穿越曲线由造斜段与水平段组成。

项目区穿越南水北调中线总干渠段两侧地形开阔，有足够的施工场地，采用水平定向钻方案，穿越长度为265.30m。定向钻穿越入土角为10°，出土角为8.50°，穿越段的曲率半径为1000D。管道位于南水北调中线总干渠渠底护砌高程以下8m，满足南水北调工程及水平定向钻相关要求。

水平定向钻导向孔轨迹由斜直线段、曲线段、水平直线段组成。管道穿越控制点位置按下列公式计算：

式中：a2—入土端曲线的水平长度（m）；b2—入土端曲线的高度（m）；b1—入土端直线段的高度（m）；c1—出土端曲线的水平长度（m）；d2—出土端曲线的高度（m）；d1—出土端直线段的高度（m）；L1—底部直线段的长度（m）；R—曲率半径（m）；θ入—入土角（°）；h1—入土端地面与底部直线段的高度（m）；a1—入土端直线段的水平长度（m）；θ出—出土角（°）；h2—出土端地面与底部直线段的高度（m）；c2—出土端直线段的水平长度（m）；L—穿越长度（m）；

经计算，入土端斜直线段长32.40m，第一曲线段长86.80 m，水平直线段长20.00m，第二曲线段长73.90m，出土端斜直线长32.20m。

3.3 钻机选型

钻机导向系统、孔底钻具、钻头类型和尺寸根据地质条件、穿越深度、土层或岩层的造斜能力、造斜配套工具等综合比较选用型钻机。

回托力采用下式进行计算：

式中：F—穿越管段的回托力（kN）；L—穿越管段的长度（m）；f—摩擦系数，0.10～0.30；D—穿越管段的管身外径（m）；Ds—穿越管段的PE管身外径（m）；ds—穿越管段的PE管身内径（m）；γ1—泥浆的密度（kN/m3）；γs—PE 管的密度（kN/m3）K—粘滞系数；0.01～0.03。

经计算，回托力F拉=151kN

根据国内外的类似工程经验，一般设计时取回托力的值为计算回托力的1.50～3倍，根据本工程的施工条件，取3倍的安全系数，即设计回托力值为454kN。

3.4 管道屈曲失稳校核

穿越管段在扩孔回托时，空管在泥浆压力作用下会发生径向屈曲失稳，按下列公式进行径向屈曲失稳核算。

式中:Fd—穿越管段设计系数，按0.50取；Pyp—穿越管段所能承受的极限外压，MPa。

经核算，Pyp=3.80MPa，0.5Pyp=1.90MPa，泥浆净水压力Ps=0.18MPa，0.50Pyp＞Ps，故径向屈曲计算满足要求。

根据计算结果管材选用设计压1.60MPa，DN450聚乙烯PE100，SDR11。

4 施工组织

4.1 测量定位放线

根据设计要求的管道位置，放出钻机安装位置线、管道两端的具体轴线位置及标高；在路面上放出轴线及标高，设计详细的导向数据。

4.2 钻机就位和调试

钻机必须安装在入土点与出土点的连线上，钻机入土角调整到设计要求。钻机安装后，应进行试运转，检测各部位运行情况。

4.3 钻孔导向

施工过程中，谨慎处理控向数据，并适当控制钻进速度，保证导向孔光滑。由于每根钻杆方向改变量较小，为保证左右方向，在出入钻点之间每隔一根钻杆设一明显标记。每钻进一根钻杆，方向至少探测二次。对探测点要做好标记，认真记录钻进过程中的扭矩、推力、方向改变量。导向孔完成后，根据钻孔轨迹和数据记录，确定此导向孔是否可用。轴线左右偏离控制在1%L（钻进长度）内，深度偏差控制在0.50%L（钻进长度）内。

4.4 分级反扩成孔

导向孔完成后，即可卸下控向用钻具，连接扩孔器，试喷泥浆正常后，开始扩孔作业。穿越采用三级扩孔，每次预扩孔都进行钻杆和钻具的倒运及钻具连接。

扩孔级别如下：

第一级用φ350mm扩孔器进行预扩孔；

第二级用φ550mm扩孔器进行预扩孔；

第三级用φ750mm扩孔器进行预扩孔；

第四级用φ750mm桶式扩孔器进行洗孔。

在每级扩孔施工中，要认真观察扩孔情况。如果发生扩孔不顺畅等，要进行一次洗孔。

根据地质情况及上一级扩孔情况，合理确定下一级的扩孔尺寸和扩孔器水咀的数量和直径，保证泥浆的压力和流速，从而提高挟带能力。

4.5 管线回拖

回拖是定向穿越的最后一步，也是最为关键的一步。在回拖时进行连续作业，避免因停工造成阻力增大。管线回拖前要仔细检查各连接部位的牢固性。

为保证回拖的顺利和防腐层不受破坏，须采取以下措施：

管线回拖采用发送沟的方式或用聚乙烯塑料袋装上松软泥土放置在待拖管底部，并用水或泥浆润湿。发送沟采用单斗作业，其尺寸为上口宽1m、下口宽0.80m、深0.80m；在挖发送沟时，要计算好管线进入孔洞的这一段发送沟的坡度，确保这一段发送沟与穿越孔洞的圆滑平缓，采取漂浮或其他措施降低管线回拖时管线的摩擦力。在回拖作业时，增加高润滑泥浆，使高润滑泥浆像薄膜一样附着于防腐层表面，保护防腐层。

回拖前后，准备好补口、补伤材料和器具及电火花检漏仪，安排专人巡视管线。做好剩余泥浆处理和设备转场，恢复钻机场地地貌。

4.6 管道试压

拖拉管完成后，应进行必要的压力试验，通常包括拖拉管材连接完成后的压力试验以及拖拉管施工完毕的压力试验，这是确保拖拉管施工质量的重要手段。

5 结语

本工程采用非开挖方法施工，避免了大开挖影响南水北调中线总干渠渠底泥灰岩地质。改用PE管代替内衬钢管，既满足非开挖施工的要求，也满足给水管道供水压力和卫生的要求。实践证明:水平定向钻进铺管技术作为一种新的非开挖施工方法，是穿越大中小型江河、湖泊以及不可拆迁建筑物施工中一种最佳选择，是不破坏地貌状态和保护环境的理想的施工方法。

随着科学技术的发展,目前国外著名的钻机制造商可提供商品化的轨迹规划设计软件。通过采集所需的全部信息,利用计算机进行最优化钻孔轨迹设计,大大提高了水平定向钻轨迹设计的科学性和设计效率。