嘉陵江水平定向鉆穿越工程是元壩一德陽輸氣管道工程穿跨越單體長(zhǎng)度最長(zhǎng)的工程。該工程穿越位置位于廣元市蒼溪縣與南充市閬中市嘉陵江河道交界處，穿越工程等級(jí)為大型。穿越管線為D711mm×15.6mm L450M PSL2 SAWL鋼管，輸送介質(zhì)為天然氣，設(shè)計(jì)壓力為9.80MPa，采用加強(qiáng)級(jí) 3PE 防腐。定向鉆穿越入土、出土點(diǎn)水平長(zhǎng)度857.90m，實(shí)際長(zhǎng)度868.00m。定向鉆穿越接點(diǎn)水平長(zhǎng)度870.40 m，實(shí)長(zhǎng)880.01m。穿越管線入土角定為13°，出土角定為12°，穿越管段的曲率半徑為1500D，穿越最小深度約為29.60m（對(duì)應(yīng)管底設(shè)計(jì)標(biāo)高 324.50 m）。
一、工程地質(zhì)條件及施工不利因素
1、地形地貌
管道穿越場(chǎng)地屬嘉陵江河谷地貌，嘉陵江左岸（順流方向）為河流沖積平地，地勢(shì)高程在365.10~366.55 m，高差約1.55m，屬一級(jí)階地地貌；嘉陵江右岸地形起伏相對(duì)較大，局部地段存在陡坎，高程在357.84-377.50m，高差約20.34m，河岸局部基巖出露，出露巖性為砂質(zhì)泥巖。
根據(jù)場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)鉆探揭露，地層分布情況為第四系全新統(tǒng)耕土層（Q4pd）、第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4a1+p1）及下伏白堊系下統(tǒng)蒼溪組（K1c）。穿越段揭露地層主要由耕土、粉土、粉質(zhì)黏土、含黏性土卵石、卵石、砂質(zhì)泥巖、礫巖和砂巖組成。穿越場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)多樣、復(fù)雜，巖性分布不均，呈漸變接觸。
2、地質(zhì)條件分析
根據(jù)穿越斷面巖性性質(zhì)，結(jié)合穿越河流段工藝技術(shù)特點(diǎn)，穿越斷面各地層對(duì)穿越施工的適宜性分析見下表 。
穿越地層對(duì)穿越施工的適宜性分析
其中，⑤卵石層、⑥1 和⑧1層強(qiáng)風(fēng)化基巖砂質(zhì)泥巖和砂巖，均不利于定向鉆的穿越，為該工程穿越施工重點(diǎn)關(guān)注地層。根據(jù)地勘報(bào)告，嘉陵江定向鉆入土側(cè)需穿越卵石層。
為此，根據(jù)穿越深度及穿越曲線，初步采用通過夯套管對(duì)入土點(diǎn)卵石層進(jìn)行隔離方法，保障定向鉆穿越順利實(shí)施。
3、施工中遇到的問題
夯入基巖層的鋼套管規(guī)格為 D1 500 mm×32 mm，材質(zhì)Q345B，夯錘施工阻力明顯增大，錘至套管管頭變形仍無法進(jìn)尺；且套管內(nèi)返水嚴(yán)重，降水困難。項(xiàng)目部決定更換為4500 t夯錘，重新就位、安裝、調(diào)試后施工2日也僅夯入近1 m。最后，明顯能看到套管向后反彈且管口明顯變形，不敢再貿(mào)然向前夯進(jìn)，只能暫停施工。
補(bǔ)充地勘報(bào)告揭示該地層處含有漂石，套管前端中風(fēng)化砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度值達(dá)到31.6 MPa，屬于較堅(jiān)硬巖。因此，套管前端經(jīng)強(qiáng)度過高的漂石擠壓，阻礙其前進(jìn)。若使用夯進(jìn)力更大的夯管錘，鋼套管自身強(qiáng)度則無法承受。
二、清障技術(shù)方案比選
針對(duì)夯套管施工中遇到的問題，項(xiàng)目部會(huì)同業(yè)主單位、監(jiān)理單位、設(shè)計(jì)單位、外協(xié)專家，對(duì)勘察報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)情況、工程難點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致研討，初步認(rèn)為有以下 2 種處理方案：
1、重新夯套管
即在入土側(cè)原夯套管管位先打探孔，確認(rèn)無當(dāng)前存在的大的孤石或漂石情況下，重新夯套管即可。因重新夯套管與原夯套管同位，故此方案不需要額外占地。但是，基于可能帶來舊套管無法取出風(fēng)險(xiǎn)，故設(shè)計(jì)采用新套管進(jìn)行重新夯套管施工，潛在直接費(fèi)用預(yù)算成本約 370 萬元（不含施工場(chǎng)地重新征地費(fèi)和相關(guān)管理費(fèi)）。同時(shí)，在探孔試驗(yàn)中再次遇較大孤石和漂石。可見采用此方案進(jìn)行清障作業(yè)存在著較大的安全隱患。
2、全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)清障
利用全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)設(shè)備產(chǎn)生的下壓力和扭矩，驅(qū)動(dòng)鋼套管旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，管口刀頭對(duì)土體、卵礫石、巖層等障礙物進(jìn)行切削，將鋼套管鉆入地下至設(shè)計(jì)深度，用沖抓斗將套管底以上土體或巖體清除，用吊車將樁體拔出，最后進(jìn)行回填，同時(shí)逐節(jié)拔除鋼套管。工程擬采用 D1 500 mm 鋼套管施工，11.5 m×2.8 m 范圍內(nèi)設(shè)清障孔位25處，以梅花樁形式布孔，每孔搭接。
清障孔位布孔示意
清障順序按孔位編號(hào)由1號(hào)開始，跳槽式施工，至25號(hào)結(jié)束。每個(gè)孔位鉆進(jìn)至地下20.0m，切入基巖0.5m以上。回填過程先使用 M10水泥砂漿灌注至5m深處，待水泥砂漿達(dá)到初凝時(shí)間后，使用素土回填至地面。
應(yīng)用全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)清障技術(shù)施工的工程預(yù)算成本總價(jià)為149萬元，其中人工工時(shí)按1個(gè)月、機(jī)械設(shè)備工時(shí)按15d進(jìn)行計(jì)算。
基于清障技術(shù)方案選擇的安全可靠性、技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)適用性原則，經(jīng)分析、權(quán)衡、論證，本工程最終選用全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)清障技術(shù)。
三、工程實(shí)踐
1、工藝流程及設(shè)備
本工程清障施工工藝流程如圖所示。其中關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)為工藝套管的垂直度和精度。為此，在成孔過程中，通過鉆機(jī)和導(dǎo)向糾偏裝置輔助經(jīng)緯儀或錘球儀器設(shè)備保障套管的垂直度，重點(diǎn)關(guān)注套管剛放入全回轉(zhuǎn)設(shè)備時(shí)、全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)夾緊套管時(shí)和套管鉆進(jìn)過程中套管垂直度的監(jiān)測(cè)和糾偏。
清障施工工藝流程
采用的施工設(shè)備為徐州景安 JAR210H 全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)，由主體部分、配套部分和液壓泵站部分組成，主要技術(shù)參數(shù)見下表。配套施工機(jī)械設(shè)備主要有沖抓斗、十字錘、套管等。
設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)
2、現(xiàn)場(chǎng)施工
經(jīng)全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)在入土點(diǎn)前端造孔，將孔內(nèi)卵石、漂石打碎帶出，并回填水泥砂漿，實(shí)現(xiàn)了置換卵石、漂石的目的，達(dá)到了對(duì)水平定向鉆穿越前存在的地下障礙物進(jìn)行清除的預(yù)期效果，且施工周期僅45d。此外，現(xiàn)場(chǎng)施工狀況表明：未采用該工藝時(shí)，對(duì)套管內(nèi)的地下水，即使4臺(tái)抽水泵（2臺(tái)7.5kW，2臺(tái)5.5kW）進(jìn)行抽水作業(yè)，水面幾乎沒有下降。采用全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)清障工藝后，套管內(nèi)的地下水，僅使用1臺(tái)7.5 kW和1臺(tái)5.5 kW抽水泵就實(shí)現(xiàn)了地下水液面降到卵石層以下，且耗時(shí)僅為56 min，為后續(xù)施工提供了有利條件。
實(shí)際施工中，發(fā)現(xiàn)套管內(nèi)部依然有部分砂卵石、飄石未清除。經(jīng)項(xiàng)目部會(huì)同技術(shù)部門研究，決定優(yōu)選絞龍螺旋輸送施工方法，通過定制螺旋絞龍（外徑為1400 mm）與鉆桿連接，利用水平定向鉆機(jī)的拉力及扭矩，使絞龍葉片在套管內(nèi)不斷旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)將套管內(nèi)卵石、漂石、孤石等障礙物帶出孔外。經(jīng)過9d施工，將套管內(nèi)障礙物全部帶出，為水平定向鉆穿越施工創(chuàng)造了開鉆條件。
本工程施工時(shí)鉆孔深度為20m，相對(duì)較淺，采用全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)清障施工相對(duì)成熟。但是在鉆孔深度超過60m時(shí)，應(yīng)用該技術(shù)施工時(shí)，在鉆進(jìn)方式、鉆孔垂直度、混凝土凝固時(shí)間、套管起拔控制等方面尚無成熟經(jīng)驗(yàn)參考。另外，遇巖層表面或傾斜度較大傾斜巖面時(shí)，會(huì)因套管處于傾斜巖面（一邊軟層一邊硬質(zhì)巖層），下壓套管時(shí)易出現(xiàn)偏移打滑情況，難以保證鉆孔的垂直度。潛在的解決方案是預(yù)先在鉆孔周邊布置引孔，剔除孔內(nèi)硬質(zhì)物至同等硬度基巖面，其成效有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。
四、結(jié)語
由于現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備充分、處置措施合理、實(shí)施效率高，嘉陵江水平鉆定向穿越前的清障技術(shù)方案既節(jié)省了工程成本，又保障了項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)，為后續(xù)復(fù)雜地層條件下的水平定向鉆穿越施工提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。總體而言，水平定向鉆穿越施工前的清障技術(shù)應(yīng)基于安全、質(zhì)量、工期、成本等因素綜合考慮，選取最優(yōu)方案。同時(shí)，施工前期應(yīng)做好風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，制定應(yīng)急預(yù)案，一旦出現(xiàn)問題，立即啟動(dòng)實(shí)施，可大大降低成本及穿越工程的風(fēng)險(xiǎn)。
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