水平定向钻进中的几个重要技术问题水平定向钻进技术.doc

水平定向钻进中的几个重要技术问题 水平定向钻进技术水平定向钻进中的几个重要技术问题来源：非开挖技术作者：李山日期：2009年08月21日访问次数：与世界非开挖行业发展总趋势一样，在我国的非开挖施工方法中，水平定向钻进技术也占据了最大的市场份额。为促进我国水平定向钻进技术的健康发展，中国非开挖技术协会于2002年8月推出了我国首部水平定向钻进管线铺设工程技术规范(以下简称规范)。三年多以来，许多施工单位认真贯彻规范，在实践中取得了很大的成效。笔者有幸作为主编之一，参与了规范制定的全过程，并且，在几年来的工程实践中身体力行，有了一些认识和体会，在此提出来与同行商榷。一、规范编制纪事1、2001年4月，中国非开挖技术协会在上海举行第5届年会期间，理事会研究决定，成立了水平定向钻进技术委员会。为规范我国水平定向钻进穿越铺设工程施工市场，统一施工技术质量标准，理事会决定将编制规范的任务交给技术委员会完成。2、2001年5月，协会秘书组将收集的大量国外相关技术规范资料移交编制人员，编者组织专业人员对其进行了翻译和整理。这批译文后来集中发表在了协会官方刊物非开挖技术2002年第1期上。3、2002年3月，在翻译引进的基础上，编者对国内相关标准规范和技术资料进行了收集、分析和研究，完成了规范初稿的起草工作。4、2002年4月，在协会第6届年会开幕前，水平定向钻进技术委员会暨规范编辑委员会在广州举行了专题研讨会，与会专家对规范初稿进行了认真的审查和讨论，提出了修改意见。同时，委员会决定通过规范初稿，提交理事会审查。嗣后，协会理事会讨论决定，对规范初稿进行认真修改后出版发行。5、2002年8月，我国首部水平定向钻进管线铺设工程技术规范以书本和光盘形式正式面世。规范汇集了国内外相关技术标准和规范，凝结了专家和编辑人员的大量心血，其起点高、创新性强、实用性好，对发展我国水平定向钻进管线铺设工程技术有着非常重要的指导意义。二、地下管线探测问题规范在总则中开宗明义地指出：水平定向钻进穿越铺设工程无论大小，都必须进行设计和施工的质量控制。-1欲控制钻孔轨迹设计质量，准确探明地下已有管线及各种构筑物的空间位置是非常关键的因素，也是正确设计的重要基础。对于探测问题，规范规定了以下工作程序：1、查询已有资料，编制地下管线汇编图；作者简介：李山，男，汉族，重庆市人，现在成都理工大学环境与土木工程学院地质工程系岩土钻掘专业任教，教授级高级工程师，四川省成都市二仙桥东三路一号，610059。2、采用物探方法及仪器进行间接探测；3、采用翻揭井盖和开挖方法(包括柔性开挖)进行人工直接探测。三年多来的实践表明，上述工作程序在实际操作中由于存在不少困难，还未得到全面地贯彻执行。例如，向有关管线业主查询资料，尽管收费不高，但手续繁琐，并且出图单位不对图纸的准确性负责，导致施工单位的核对勘查或重新勘查责任不可免除。目前国内的现状是：施工单位一般都不查询和编制地下管线汇编图，如有现成，仅作参考。再如，目前我国的物探法探测主要采用电磁感应和反射波(无线电波及地震波)等方法来探知地下管线及构筑物。它们都属间接探测方法，其探测结果在很大程度上既依赖于仪器本身的技术性能，也严重依赖于操作者的解译经验，探测精度及可靠性非常有限。规范中对这些技术方法的原理及应用进行了比较精炼的描述，但对其适用范围、精度和可靠性没有定量的指标评价。实践中，我们看到两种极端的现象，一种是完全依赖专业物探公司的探测结果；另一种是完全放弃对物探方法的信任。对于人工探测，目前国内还主要是翻揭井盖和手工开挖，所谓软挖掘的真空挖掘或水力挖掘方法目前在国内使用很少。人工探测操作简单、经济实用、效果比较可靠，所以规范中也将其纳入了，这是与国外探测技术规范所不同的地方。但是，受道路翻建和管线变迁的影响，该方法存在易漏掉某些管线或管段的严重问题。另外，近年一些防盗井盖的推广，也给人工探测翻揭井盖带来了新的困难。笔者认为，要做好地下管线的探测工作，应当严格遵循以下步骤及内容：1、查找地下管线资料。方法是：首先查阅当地建设管理部门的图纸资料；然后寻访各个地下管线业主了解使用情况；最后访问工地附近老住户，补充资料并发现变迁。这一步的工作主要是确定地下管线的种类、走向、大致埋深和危险程度。实际工作中，还要特别注意当地普遍存在的管线种类是否已寻找齐全，不可轻易放弃任何一种可能管线。2、物探或人工探测管线。在前一步工作取得管线线索的基础上，有选择地采用物探方法或人工方法对可能影响钻孔轨迹的地下管线进行详细探测。这步工作的主要任务是准确确定地下管线的大小和空间位置。目前国内一些单位采用管线探测仪承接业务，收费低廉，但因仪器大多是电磁感应式的，故只能探测金属管线，无法确定管线大小，当使用被动信号探测时，管线的空间位置误差较大，一般可达到0.5米左右。采用地质雷达探测，收费较高，但其可发现地下的各种异常，对判定地层性质、揭示老旧管线或构筑物等非常有用。遗憾的是，地质雷达区分管线性质比较困难，精度也难以令人满意。人工翻查井盖、直接下井测量管线大小和位置的方法在我国目前的非开挖施工中使用最为普遍，效果也比较满意。但是，对那些供水和供气的长输主管、翻建后的道路或街道、以及历史久远的小管道最容易漏掉，这往往是我们目前施工中意外损坏已有管线的主要原因。综上所述，笔者主张在实际探测操作中应当以人工探测为主，辅以地质雷达发现异常。3、为保障钻进施工的安全，仅有管线探测数据还是不够的。实际施工中，对那些可能严重威胁施工安全的管线，建议应当：一是对危险管线要找业主核对，并要求派员守线；二是采用手工或软挖掘的方法将其暴露出来，钻进过程中直接观察钻具对其的影响。在这方面，笔者在实践中曾吃过大亏，后来就深受其益了。三、钻孔轨迹设计问题进行水平定向钻进，科学合理的钻孔轨迹设计是非常重要的。良好的轨迹设计不但可以确保施工安全，还可大大提高工程效益。关于这部分内容，我们在起草规范时就有充分的认识，本想作为专门的一章来写，但由于管线繁多、地层各异，特别是国内外对此进行的基础研究严重不足，难以提出通用的设计理论、专门的设计计算公式和定量的参数取值标准，所以只好将其融入其它部分，提出了一些原则性建议。一般，水平定向钻孔的轨迹型式是由直线段和曲线段组成的，见图1。作为铺设管线的孔洞，大多数管线希望以直线、并且最好是水平直线铺管。所以，如果地下空间位置许可，应当将水平定向钻孔的水平直线段设计为铺管段，而将斜直线段和曲线段做为钻孔施工工艺段。往往，钻孔入、出土的斜直线段是由于设备位置、管沟位置、孔壁支撑力、钻杆工况和设备能力等因素所确定的，实践中如果为了缩短钻进距离，是可以将入、出土段设计为曲线段的；而曲线孔段多是为了光滑连接斜直线段与水平直线段的工艺需要，以及为了绕过地下障碍物所需要的。钻孔轨迹设计中，应当说曲线段的设计才是真正的难题。曲线段作为钻孔的一部分，既要保证钢质钻杆在其中受到复杂应力时的工作安全，又要保证管道回拖通过时的受力安全，如果曲线段是铺管段，还必须满足管道工作安全的规范要求。目前，对曲线段的设计，规范中只提出了钢质管道最小允许弯曲半径的计算公式，对柔性管材未提出相应公式或指标。应当说明，规范中的计算式(Rmin=206•；D•；S/K2)是引自国外的经验公式，几年来我们的实践也证明它是切实可行的，并且，它与我国的一些管道规范要求也相接近。例如，我国国家标准输油管道工程设计规范(GB50253-2003)中规定，当输油管道采用弹性弯曲敷设时，其曲率半径不宜小于钢管外径的1000倍。即：Rmin 1000 D(1)式中：R为弯曲半径，m；D为钢管外径，mm。采用(1)式计算，所得结果与规范中的计算式非常接近，由此，笔者认为，作为铺管段或管道通过段的弯曲半径要求，对钢管可简单地采用(1)式即可。知道了弯曲段的曲率半径，施工中还必须知道弯曲段的造斜强度，这两者的关系式为：R=57.3/i2(2)(或：i=57.3/R)式中：i-造斜强度，度/米；R-曲率半径，米。例：219mm输送流体钢管最小允许弯曲半径为：Rmin 1000 D=219m则：曲线段造斜强度应当为：i=57.3/R=57.3/219=0.262(度/米)设以常用的8的开孔角(导向仪器斜度百分数约为14)入土，则要将钻孔钻到水平，弯曲段造斜长度L应为：L=8/0.262=30.53米。实际施工中，弯曲段的造斜强度是非常难以人为进行精确控制的，所以我们建议采用加密测点随钻测量的方法，通过控制钻孔弯曲强度来达到要求。另外，在施工实践中，通常的街道或公路穿越，不可能有几十米的弯曲工艺段，所以我们建议提高造斜强度，缩短弯曲工艺段。笔者曾在粘土层中做过试验，在3米钻进长度内将斜度百分数从0变为30(17.2)出土，造斜强度达到5.73度/米。这也就是为什么我们要推荐将水平定向钻孔的水平直线段设计为铺管段的理论出发点之一。为加快设计进度、提高设计质量，水平定向钻孔的轨迹设计最好采用计算机程序进行。在这方面，国内一些单位做了非常有益的探索。例如，2004年成都理工大学与中国地质科学院探矿工艺研究所合作，就研究出一个功能较为完善、自动化程度高、简单实用的钻孔轨迹设计软件，值得进一步开发推广。四、扩孔问题水平定向钻进的导向孔施工完成以后，接着就应进行扩孔施工工序。目前有两个重要问题一直困扰着施工者：一是扩孔是否与导向孔同轴线进行，如果不是，那实际扩孔中到底是扩钻孔上帮还是扩钻孔下帮?二是钻孔到底应当扩到多大才合适?对前一个问题，规范中没有明确说明，所以笔者在此作一补充：理论分析与施工实践皆证明：水平定向钻进扩孔中，同心扩孔的现象几乎是不存在的。扩大后的钻孔，一般都会呈现出椭圆形状(如图2所示)，只是当所钻地层的软硬不同时，其椭圆的严重情况不同罢了。扩孔中形成的这种椭圆形钻孔，对扩孔器工况、钻孔轨迹控制、相邻管线安全等等，都有很大影响。了解扩孔椭圆发生的原因，在施工中加以注意，是非常重要的问题。那么，实际扩孔中到底是扩钻孔上帮还是扩钻孔下帮?只要分析一下扩孔钻头在孔内的受力情况，就不难了解了。图3表示的是水平和倾斜直线孔段的钻孔扩孔情况。此时，在扩孔钻头自重的作用下，钻头始终受到一个向下的分力，正是这一分力的作用，使直线形孔段扩孔时(水平直线或倾斜直线孔段)，无论地层软硬，均有扩大钻孔下帮的趋势。即钻孔向下发生椭圆变形。图4表示的是曲线孔段的钻孔扩孔情况。此时，扩孔钻头受到弯曲钻杆拉直的作用，其向上分力克服钻头自重后，仍使钻头始终受到一个向上的分力，还是这一分力的作用，使曲线孔段扩孔时，无论地层软硬，均有扩大钻孔上帮的趋势。即钻孔向上发生椭圆变形。知道了这些原理，我们在钻孔轨迹设计时，就应当充分估计到钻孔扩孔后的变化情况，主动避开上帮或下帮的相邻管线，为扩孔预留下充足的位置。这方面，笔者也是在扩坏过上帮相邻自来水管道后，才研究总结出来的。对于钻孔到底应当扩到多大才合适的问题，规范规定：一般应为管线外径的1.21.5倍。应当说明的是，这一推荐值也是参照了国外的经验数据，还未见到充足的理论研究和试验研究资料。根据笔者多年的实践，认为钻孔扩大的倍数与所钻地层情况和钻孔清洁情况密切相关。如果地层完整、钻孔成孔性好、排粉好，孔内清洁，则应取小值；如果地层破碎或坚硬、成孔性差、排粉差，孔内不清洁，则应取大值。图5是软地层或松散地层情况，在这种情况下，由于地层可压缩性好，则只要管道强度足够(如钢质管道)，扩孔就不一定需要很大；如果管道强度差(如塑料管道)，过大的挤压力会使管道变形，则扩孔越大越有利于拖管。图6是完整、硬地层情况，由于地层(岩层或硬粘土层)不可压缩，则扩孔倍数关系不大，关键的是清洁钻孔，否则会因个别小块硬岩屑位于钻孔下帮，使管道上抬挤紧孔壁，导致拉管失败。另外，钻孔扩大的倍数还与钻孔弯曲度和管道刚度相关(参见图7)。钻孔弯曲度大，管道刚度大，扩孔倍数应取大值；反之，取小值。由于弯曲孔段扩孔是扩钻孔上帮，所以，实际施工中进行同径的反复扩孔，也可有效降低钻孔弯曲强度，有利于拖管。五、回拖铺管问题回拖铺管施工中，许多同志都遇到过拉力超限问题。规范在计算理论拉力时，推荐采用孔内磨擦系数为1.0。这实际上就是认为管道在回拖中已不是滑动摩擦状态，而是水平搬运状态了。但是，就算如此，实际施工中的回拖力也往往大于管道自身重量。那么，拖管的阻力到底来自何方呢?我们认为，除管道在钻孔中的摩擦力外，阻力还主要来自以下方面：岩粉及岩屑淤塞管头前部造成的阻力。这种情况在软地层或松散地层拖管时最为典型(参见图5)。在这类地层拖管时，我们往往在拖管接近完成的最后几米可见泥柱出孔。这种泥柱就是孔内沉积岩粉、岩屑和扩头、拉头、管头等刮削孔壁及泥皮而形成的淤塞，拉管过程中，泥柱形成孔内活塞，使回拖阻力大大增加。岩粉及岩屑在管头前部形成楔状垫层造成的阻力。这种情况在硬地层拖管时最为典型(参见图6)。在这类地层拖管时，钻孔下帮沉积的坚硬岩屑和岩粉，可能在管头前部形成坚硬质点卡阻，严重时甚至形成楔状垫层，使管道上抬挤紧孔壁。如果处理不当，最后可能导致拖管无法完成，或钻杆折断事故。所以，硬地层钻进应对钻进液清洗携带能力给与充分的重视，保证钻孔清洁。由于岩屑和岩粉始终是沉积在钻孔下帮，仅仅扩大钻孔是没有用的。管道的弹性变形在孔壁造成的附加阻力。这种情况可分为两个方面：一是当刚性管道通过弯曲钻孔时，如果通过性条件不能满足，管道就会发生弹性变形，这种弹性变形可在与孔壁接触处产生很大的正压力(参见图7)，从而使摩擦力大大增加，拖管阻力增加。二是拉管的轴向载荷可使弯曲的管道(柔性或刚性管道)发生变直趋势(如图8所示)，这也使管道与孔壁接触处产生很大的正压力，并且其正压力随轴向拉力的增大而增大，从而使摩擦力大大增加