非開挖技術(shù)論文(2)
非開挖技術(shù)論文
非開挖技術(shù)論文篇二
非開挖穿越施工技術(shù)
摘 要：定向鉆作為非開挖穿越技術(shù)具有工期短、造價(jià)低、節(jié)約工程材料和保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)在油氣管線施工中被越來越多的單位重視和采用。本文結(jié)合川氣東送管道黃湓河支流定向鉆穿越工程，對(duì)定向鉆穿越施工工法進(jìn)行詳細(xì)說明，并就定向鉆施工中如何避免冒漿和產(chǎn)生"S"曲線提出防范措施。
關(guān)鍵詞：定向鉆 黃湓河支流 非開挖穿越 冒漿
一、前言
對(duì)石油和天然氣來說，管道運(yùn)輸具有低成本、安全、節(jié)能、環(huán)保等多方面的優(yōu)勢(shì)，目前能源輸送按照一程運(yùn)輸大型化、二程運(yùn)輸管道化的方向發(fā)展。因長輸管線輸送距離長，其管線敷設(shè)不可避免要穿越人工或天然障礙地段，如：河流、湖泊、鐵路、公路、地上和低下建(構(gòu))筑物等。一般穿越的施工方法分五類：定向鉆、頂管、盾構(gòu)、隧道和大開挖穿越施工。本文以黃湓河支流定向鉆穿越施工為例，僅就定向鉆施工情況進(jìn)行說明。
黃湓河支流定向鉆穿越位于川氣東送管道工程主干線安徽東至段，設(shè)計(jì)穿越水平長度717.35米，入土角9°，出土角6°，鋼管材質(zhì)為X70，規(guī)格為Φ1016×21mm 直縫埋弧焊鋼管。根據(jù)鉆孔30.2m深度鉆探表明，穿越段地巖土層結(jié)構(gòu)均為粉質(zhì)粘土，呈褐黃色、褐灰色，干強(qiáng)度中等，韌性中等，切面光滑，質(zhì)較純。
二、定向鉆穿越施工
1.定向鉆施工的特點(diǎn)
1.1定向鉆穿越施工具有不阻礙交通，不破壞綠地、植被等優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)開挖施工對(duì)交通，環(huán)境，周邊建筑物基礎(chǔ)的破壞和不良影響。
1.2現(xiàn)代化穿越設(shè)備的穿越精度高，易于調(diào)整敷設(shè)方向和埋深，穿越段弧形管線敷設(shè)完全可以滿足設(shè)計(jì)要求埋深，并且可以使管線繞過地下的障礙物。
1.3采用水平定向鉆機(jī)穿越施工時(shí)，沒有水上、水下作業(yè)，不影響江河通航，不損壞江河兩側(cè)堤壩及河床結(jié)構(gòu)。
1.4施工不受季節(jié)限制，與其他施工方法比較，進(jìn)出場地速度快，施工場地調(diào)整靈活，并且施工占地少、工程造價(jià)低、 施工速度快。
1.5大型河流穿越時(shí)，管線埋在地層以下 9m～18m，地層內(nèi)部的氧及其他腐蝕性物質(zhì)很少，可以起到自然防腐和保溫的功用，保證管線運(yùn)行時(shí)間更長。
2.水平定向鉆穿越施工工藝
使用水平定向鉆機(jī)進(jìn)行管線穿越施工，一般可分三個(gè)階段，結(jié)合黃湓河支流定向鉆穿越施工對(duì)定向鉆穿越施工的三個(gè)階段工法進(jìn)行分析。
2.1鉆導(dǎo)向孔。鉆機(jī)安裝在入土點(diǎn)一側(cè)，從入土點(diǎn)開始沿設(shè)計(jì)好的線路鉆一條從入土點(diǎn)到出土點(diǎn)的曲線，作為預(yù)擴(kuò)孔和回拖管線的引導(dǎo)曲線;根據(jù)黃湓河支流的地質(zhì)情況，選擇S135級(jí)5″鉆桿、無磁鉆鋌、鉆頭;穿越前根據(jù)設(shè)計(jì)軌跡圖繪制控向穿越圖，確定實(shí)際入土點(diǎn)及入土角度，然后開動(dòng)泥漿泵對(duì)準(zhǔn)入土點(diǎn)進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆頭在鉆機(jī)的推力作用下旋轉(zhuǎn)切削地層，不斷前進(jìn)，每鉆完一根鉆桿要測量一次鉆頭的實(shí)際位置，并與設(shè)計(jì)軌跡圖進(jìn)行比較，以便及時(shí)調(diào)整鉆頭的鉆進(jìn)方向，保證所完成的導(dǎo)向孔曲線符合設(shè)計(jì)要求，直到鉆頭在預(yù)定位置出土，完成整個(gè)導(dǎo)向孔的鉆孔作業(yè)。
2.2回?cái)U(kuò)孔。擴(kuò)孔直徑應(yīng)根據(jù)不同的管徑、穿越長度、地質(zhì)條件和鉆機(jī)能力來確定。當(dāng)管徑<219mm時(shí)，最小擴(kuò)孔直徑>管徑100mm，當(dāng)管徑在219mm～610mm之間時(shí)，最小擴(kuò)孔直徑約為管徑的1.5倍，當(dāng)管徑>610mm時(shí)，最小擴(kuò)孔直徑>管徑300mm。黃湓河支流定向鉆穿越管道直徑為1016mm，需擴(kuò)孔直徑為1300mm，根據(jù)地質(zhì)情況采用分級(jí)、多次擴(kuò)孔的方式進(jìn)行。
2.2.1導(dǎo)向鉆孔完成后，鉆頭在出土點(diǎn)出土，裝上Φ300擴(kuò)孔器，試泥漿，確定擴(kuò)孔器沒有堵塞水眼后開始擴(kuò)孔。鉆頭和鉆桿必須確保連接到位、牢固才可回?cái)U(kuò)，以防止回?cái)U(kuò)過程中發(fā)生脫扣事故。
2.2.2根據(jù)各段不同土質(zhì)配制不同濃度的泥漿，使其每次擴(kuò)孔時(shí)回拖力的數(shù)值和扭距值控制在鉆機(jī)正常工作參數(shù)之內(nèi)。
2.2.3回?cái)U(kuò)過程必須根據(jù)不同地層地質(zhì)情況以及現(xiàn)場出漿狀況來確定回?cái)U(kuò)速度、泥漿濃度及壓力，以此來確保成孔質(zhì)量。
2.3管道回拖?；赝项A(yù)制管線時(shí)先將擴(kuò)孔工具和管線連接好，然后開始回拖作業(yè)，并由鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)后退進(jìn)行擴(kuò)孔回拖。因?yàn)閿U(kuò)好的孔中充滿泥漿，所以產(chǎn)品管線在擴(kuò)好的孔中是處于懸浮狀態(tài)的，這樣既減少了回拖阻力，又保護(hù)了管線防腐層。
2.3.1回托力計(jì)算：根據(jù)穿越管段長度、直徑和壁厚以及摩擦系數(shù)等計(jì)算回托力，經(jīng)計(jì)算穿越管道回拖力為132.27t?；赝显O(shè)備按照大于計(jì)算值的1.5倍選擇，現(xiàn)場選用 PD-250/90RP履帶式水平定向鉆機(jī)，回拖力為250噸。
2.3.2發(fā)送溝開挖：發(fā)送溝開挖斷面尺寸為2m×1.5m，開挖時(shí)應(yīng)根據(jù)管道穿越6°出土角的大小，在縱向上將溝底開挖成一定弧度，以保證管道回拖時(shí)管道順利進(jìn)入孔洞內(nèi)。發(fā)送溝內(nèi)應(yīng)注水，管溝內(nèi)最小注水深度大于穿越管徑的1/3。
2.3.3洗孔：通過前面的幾次預(yù)擴(kuò)孔，基本形成了穩(wěn)定的孔壁。洗孔主要工作就是保證孔眼清潔和保持孔壁穩(wěn)定以減少管線的回拖阻力。
2.3.4管道回拖：回拖前需檢查擴(kuò)孔器內(nèi)各通道及各泥漿噴嘴是否通暢，孔內(nèi)是否干凈，再將鉆桿、擴(kuò)孔器、回拖活節(jié)和被安裝管線依次連接好，然后慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿并注入泥漿，確定旋轉(zhuǎn)接頭工作良好，擴(kuò)孔器泥漿孔沒有堵塞后開始回拖管道。回拖的過程中根據(jù)鉆機(jī)參數(shù)，并注入適量的泥漿，減少管道與孔壁的摩擦以確保管壁防腐層不被破壞，并能使管道與孔壁的縫隙充分添滿，通過膨潤土的膨化作用完成孔壁與原土的完全結(jié)合。
管道回拖完畢后進(jìn)行穿越管道的通球、測徑、試壓檢查穿越管道的質(zhì)量，合格后進(jìn)行兩端連通并及時(shí)恢復(fù)地貌，至此穿越施工結(jié)束。
三、定向鉆施工中的問題分析及處理
1.定向鉆孔冒漿問題。冒漿即定向鉆在鉆孔和擴(kuò)孔時(shí)孔洞中泥漿壓力大于其上水、土壤的自重之和或鉆孔處在地質(zhì)薄弱的地段時(shí)泥漿沿土層顆粒間的縫隙竄到地面的情況。一般造成冒漿的原因及處理措施有以下幾種： 1.1擴(kuò)孔器選擇不當(dāng)，造成孔內(nèi)憋壓。常見的擴(kuò)孔器有刀式、桶式和巖石擴(kuò)孔器①，其中刀式擴(kuò)孔器適用于黏土、粉質(zhì)黏土和一些塑性較好的土層，桶式擴(kuò)孔器適用于淤泥質(zhì)黏土和塑性差的土層，巖石擴(kuò)孔器適用于硬度達(dá)到30Mpa以上的硬質(zhì)巖層。如粉質(zhì)黏土層使用了桶式擴(kuò)孔器，因桶式擴(kuò)孔器本身是完全封閉的錘狀，擴(kuò)孔時(shí)與孔壁完全接觸，沒有泥漿循環(huán)的通道，且孔壁周圍為塑性較好的密實(shí)黏土，會(huì)造成泥漿循環(huán)不暢通，局部升壓，在一些土層不密實(shí)的地方就會(huì)形成冒漿。預(yù)防措施：其一是施工前根據(jù)建設(shè)單位提供的地質(zhì)報(bào)告到現(xiàn)場實(shí)際踏勘，若有不足，可根據(jù)現(xiàn)場情況向建設(shè)單位提出補(bǔ)勘申請(qǐng)，收集并分析地勘資料;其二是隨時(shí)觀察泥漿的輸入壓力，如泥漿壓力急劇上升，應(yīng)立即停止鉆桿的推進(jìn)，改為往鉆機(jī)方向拉鉆桿，使鉆頭迅速離開切削面，降低泥漿的壓差，然后用更慢的推力和推進(jìn)速度鉆進(jìn)。
1.2出入鉆點(diǎn)淺土層的施工過程中，會(huì)因?yàn)榈貙邮杷啥霈F(xiàn)孔漏現(xiàn)象。預(yù)防措施：其一是施工中采用“兩高一適當(dāng)”的泥漿方案(即高粘切、高土含、適當(dāng)濃度的封堵材料)，在滿足定向鉆施工要求的前提下，增加泥漿的稠度，稠度增加，泥漿顆粒間自由水減少，此時(shí)的泥漿為可塑和流動(dòng)狀的混合體，泥漿通過孔上縫隙時(shí)失水增稠，慢慢形成穩(wěn)定致密隔離層，阻礙冒漿發(fā)生對(duì)比較薄弱部位通過;其二是采取預(yù)壓、強(qiáng)夯、換填等方式進(jìn)行地基的處理，也能有效防止冒漿。
1.3輸送泥漿壓力大，造成冒漿。因泥漿的壓力越大，在鉆進(jìn)時(shí)鉆頭所需的扭矩越小、鉆進(jìn)速度也會(huì)加快，從而加快進(jìn)度、縮短工期。對(duì)此施工時(shí)承包商應(yīng)認(rèn)識(shí)到不能為了追求施工進(jìn)度而忽視了冒漿帶來的環(huán)境破壞、經(jīng)濟(jì)損失和潛在隱患，應(yīng)將泥漿壓力、鉆具扭矩、推進(jìn)速度綜合調(diào)整到最佳狀態(tài)。
2.防止定向鉆在鉆孔時(shí)呈“S”型的措施
在定向鉆穿越的施工過程中，導(dǎo)向孔的平滑與否、能否與設(shè)計(jì)曲線一致，避免導(dǎo)向孔“S”型的出現(xiàn)是順利完成穿越施工的先決條件。據(jù)此現(xiàn)場可采取以下措施防止“S”型鉆孔：一是在測量放線過程中，為保證其準(zhǔn)確性，用全站儀對(duì)出、入土點(diǎn)進(jìn)行多次確認(rèn);二是在穿越中心線上，結(jié)合地形和地貌建立人工磁場來控制穿越曲線的精度。即在穿越中心線兩側(cè)布設(shè)閉合線圈，接通直流電源產(chǎn)生磁場，當(dāng)探頭到達(dá)次閉合線圈區(qū)域，通過人工磁場可以測得穿越曲線的標(biāo)高和左右偏差。人工磁場不受外部磁場的干擾，可以準(zhǔn)確無誤地將鉆孔數(shù)據(jù)反映出來;三是施工前進(jìn)行地質(zhì)條件的分析，根據(jù)設(shè)計(jì)曲線在坐標(biāo)紙上以每根鉆桿連接的方式畫出穿越曲線圖，給每根鉆桿標(biāo)號(hào)注明相應(yīng)的地質(zhì)情況。在鉆進(jìn)過程中，根據(jù)鉆進(jìn)位置的地層情況對(duì)泥漿粘度進(jìn)行控制，隨時(shí)根據(jù)地質(zhì)條件調(diào)整泥漿壓力、泥漿配比等參數(shù)，防止地下的塌陷等到因素影響鉆進(jìn)方位角的變化。
四、結(jié)語
隨著人們環(huán)保意識(shí)的逐漸加強(qiáng)，非開挖穿越技術(shù)憑借其施工速度快、成本低、對(duì)周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地受到人們的關(guān)注。定向鉆作為非開挖穿越的典型施工方法，只要在施工前對(duì)工程內(nèi)容進(jìn)行具體詳盡的分析、研究，針對(duì)不同的工程情況采取可靠的措施，進(jìn)行不同的處理，穿越施工的成功率將大大提高。
參考文獻(xiàn)
[1]孫宏全.石油工程建設(shè).2007.定向鉆穿越的冒漿分析及對(duì)策41-42.
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