论文部分内容阅读
摘要：对水平定向钻进施工过程进行了简单的介绍，结合砂土地层的特点从施工过程中会遇到的难点进行了论述，在分析已有的解决对策基础上，提出了采用注浆固孔法来解决这一问题的思路，并就相应的施工方法作了简要概述。
关键词：水平定向钻进；砂土地层；注浆固孔法
Abstract: the construction process of horizontal directional drilling was simply introduced, combined with the characteristics of sand strata from construction process would face difficulties are discussed, in the analysis of the existing countermeasures are put forward, based on the solid hole grouting method to solve this problem, the idea and the corresponding construction method were introduced.
Keywords: horizontal directional drilling; Sandy soil formation; Grouting solid hole method
中图分类号：TU441+.4文献标识码：A 文章编号：
1 前言
非开挖水平定向钻进是指利用岩土钻掘、定向测控等技术手段，在地表不挖槽和地层结构破坏极小的情况下，对诸如供水、煤气、天然气、污水、电信电缆等公用管线进行铺设的施工技术。在当今社会，几乎所有的人类活动都离不开地下管线。大量的新管线需要铺设，现有的管线需要及时检查、维护、修复和替换。而传统的开挖技术具有很大的局限性：如施工十分困难、造成交通不便、影响环境、施工周期长、成本高等。此外，在一些场合诸如古迹保护区、闹市区、农作物及植物保护区、穿越高速公路、铁路、机场跑道、广场、建筑物、河流等，传统开挖方法无法施工或不允许开挖施工。因此，非开挖技术(Trenchless Technology)应运而生。
2 水平定向钻进在砂土地层中的施工难点分析
2.1水平定向钻进施工技术分析
水平定向钻进法作为非开挖技术中的一种典型方法，由于从施工区段(区域)下方穿越铺设管线，可将管线设计在工程量最小的最佳位置穿过，从而减少对交通、环境、周边建筑物基础的破坏和不良影响，因而得到了广泛应用。
水平定向钻进施工一般分三步进行：
(1)钻导向孔
利用水平定向钻进设备在入口处开始钻进，钻进过程中通过导向仪监测和控制，使钻孔按设计的轨迹延伸，并从另一端钻出地表，完成导向孔的施工。
(2)扩孔
导向孔完成后，要将该钻孔进行扩大到合适的直径以方便安装成品管道，此过程称为预扩孔，（依最终成孔尺寸决定扩孔次数）。通常，在钻机对岸将扩孔器连接到钻杆上，然后由钻机旋转回拖入导向孔，将导向孔扩大，同时要将大量的泥浆泵入钻孔，以保证钻孔的完整性和不塌方，并将切削下的岩屑带回到地面。
(3) 回拉铺设管线
预扩孔完成以后，成品管道即可拖入钻孔。管道预制应在钻机对面的一侧完成。扩孔器一端接上钻杆另一端通过旋转接头接到成品管道上。旋转接头可以避免成品管道跟着扩孔器旋转，以保证将其顺利拖入钻孔。回拖由钻机完成，这一过程同样需要大量泥浆配合，回拖过程要连续进行直到扩孔器和成品管道自钻机一侧破土而出。
2.2 砂土地层中的施工难点分析
砂性土层，尤其是流砂地层一直是水平定向钻进施工的难点。流砂一般属于水流搬运沉积而成的产物，故多属河床流砂。它们绝大多数产于无塑性的不粘结的粉砂土质岩层和淤泥质细砂中，并且常被水饱和，容易稀释流散，无胶结性。在钻进中遇到流砂层，常发生坍塌垮孔，超径漏水，甚至无法成孔。
具体而言，在砂土地层中，进行水平定向钻进施工时主要存在以下困难：
(1)砂土地层中导向钻孔施工过程造斜、纠斜难；
(2)砂土地层易塌，难以成孔；
(3)砂土地层中拖管过程摩阻力大，难以就位；
(4)钻进过程中容易抱死钻杆，造成孔内事故。
3 解决对策
3.1已有解决对策分析
通过以上分析可知，在砂土地层施工的关键问题就是如何控制孔壁稳定。传统的控制孔壁稳定的方法是采用泥浆。泥浆在垂直孔或部分水平孔中发挥着重要作用，但对于松散的砂土地层水平导向钻孔，泥浆的护壁作用难以应用。因为水平钻孔管线(包括钻杆和回拖管)在自重的作用下帖附于孔壁下侧，为了护壁采用的泥浆密度越大，则孔壁形成的泥皮越厚，管线被泥皮包裹的包角越大，因此而产生的不平衡压差同管线的重力方向一致，使管线被压在下孔壁上，犹如被“吸附”一样，增大了管线的摩擦阻力，从而导致吸附卡钻事故增多，使施工难以继续进行。
因此，必须扬弃单纯采用泥浆护壁的传统观念。套管通常认为是对付松散的砂砾石层孔壁失稳的杀手铜，但由于工艺复杂，成本高，回收套管难，特别是长距离的水平导向钻孔，套管护孔更是难以做到，如果能够长距离下套管也就能够长距离进行管线的铺设。因此，采用套管护壁也不现实。
3.2水平定向钻注浆固孔法
1 水平定向钻注浆固孔法原理
所谓注浆固孔就是在实施先导孔的过程中，对不稳定的松散的砂土层，及其流砂地层实施“高压”注浆，使浆液渗透到钻孔周围一定的范围，这个范围可根据所铺设管线的口径确定，由浆液性质和注浆压力控制。由于注浆材料充填松散的砂土层，同砂土层胶结固化，从而加固孔壁达到控制孔壁稳定的目的，然后再回拖扩孔，进而达到顺利铺管的目的。
2 实施注浆固孔事先要了解的问题
(1)所施工地层的地质资料，地层土体、砂体的自然性质；
(2)铺设管线的目的、直径大小、管线长度；
(3)广泛收集该地区以往高压注浆技术的成功经验，施工案例等。
3 现场试验
(1)要弄清所施工的砂土地层注浆压力与浆液在钻孔周围渗透区域的关系，注浆压力对周围土体的移动效应，以便控制注浆过程对周围建筑物或地表设施可能产生的影响；
(2)弄清浆液的性质对注浆控制区域的影响，浆液配方与控制孔壁强度的关系，并优选浆液配方；
(3)研究注浆固孔成孔工艺，包括分级扩孔次数的选择、规程参数的确定、成孔时回拖力的预测，回拖管线与孔壁间隙的确定以及回拖速度的大小等。
4 施工方法
具体方法为：导向钻进结束之后卸下钻头，换上注浆管并将其拉入孔中，直到注浆管全部位于流砂中，然后卸下钻杆，将钻孔两端用水泥或者其他有效材料封起来，包括注浆管与孔壁之间的空隙，只留下注浆管注入口，等封口强度达到要求之后用注浆泵将加固浆液压入流砂层中并持续高压使扩散直径大于欲扩孔孔径某一合适数值(有待进一步研究)，等浆液固结后将注浆管拔出，换上钻杆，再进行扩孔铺管等工序。这种工法的铺管管径范围由注浆扩散半径决定。
这种施工方法的技术关键是：
(1)兩端孔口要封好，可以考虑用速凝水泥对两端孔口注入封堵；
(2)所注浆液要能起到固结流砂作用，使其能形成稳定的孔壁，同时又不能使固结体强度太大，否则将给扩孔带来难度，可考虑用水泥加粘土浆液；
(3)所注浆液的渗透性要好，容易向周围砂层渗透扩散；
(4)注浆压力的控制非常重要，既要使注浆液扩散半径尽可能大，又不能对地层造成破坏，比如，浆液压裂地层流出地面，或将地面压得隆起等，否则会对路面环境等造成破坏，损失严重。
(5)施工中必须注意注浆压力和浆液性质，因为浆液压力和浆液性质是控制浆液渗透半径的关键，关系到能否顺利回拖扩孔．
4 结语
本文通过对传统的水平定向钻进施工过程分析，结合砂土地层的特点，分析了砂土地层中的水平定向钻进施工时存在的困难。提出了使用水平定向钻注浆固孔法来解决这一实际问题。注浆固孔方法的实施对于扩大非开挖技术的应用领域和适用范围，对于提高非开挖技术的经济效益和社会效益，均具有较大潜力。
参考文献：
[1]李瑞玲，段永生．非开挖施工技术在砂卵砾石层中的应用．西部探矿工程，2005(6)
[2]李新宏．导向钻机铺管技术在穿越砂土层中的工程实践．西部探矿工程，2002，(增刊)：276～277
[3]梁小强.复杂条件下非开挖定（导）向钻进技术应用研究.中南大学硕士学位论文.2006
作者简介:
铁煤集团建设公司：徐鹏专业：土建
铁煤集团建设公司：闫利慧专业：给排水
铁煤集团大兴矿：宋长宏专业：土建
关键词：水平定向钻进；砂土地层；注浆固孔法
Abstract: the construction process of horizontal directional drilling was simply introduced, combined with the characteristics of sand strata from construction process would face difficulties are discussed, in the analysis of the existing countermeasures are put forward, based on the solid hole grouting method to solve this problem, the idea and the corresponding construction method were introduced.
Keywords: horizontal directional drilling; Sandy soil formation; Grouting solid hole method
中图分类号：TU441+.4文献标识码：A 文章编号：
1 前言
非开挖水平定向钻进是指利用岩土钻掘、定向测控等技术手段，在地表不挖槽和地层结构破坏极小的情况下，对诸如供水、煤气、天然气、污水、电信电缆等公用管线进行铺设的施工技术。在当今社会，几乎所有的人类活动都离不开地下管线。大量的新管线需要铺设，现有的管线需要及时检查、维护、修复和替换。而传统的开挖技术具有很大的局限性：如施工十分困难、造成交通不便、影响环境、施工周期长、成本高等。此外，在一些场合诸如古迹保护区、闹市区、农作物及植物保护区、穿越高速公路、铁路、机场跑道、广场、建筑物、河流等，传统开挖方法无法施工或不允许开挖施工。因此，非开挖技术(Trenchless Technology)应运而生。
2 水平定向钻进在砂土地层中的施工难点分析
2.1水平定向钻进施工技术分析
水平定向钻进法作为非开挖技术中的一种典型方法，由于从施工区段(区域)下方穿越铺设管线，可将管线设计在工程量最小的最佳位置穿过，从而减少对交通、环境、周边建筑物基础的破坏和不良影响，因而得到了广泛应用。
水平定向钻进施工一般分三步进行：
(1)钻导向孔
利用水平定向钻进设备在入口处开始钻进，钻进过程中通过导向仪监测和控制，使钻孔按设计的轨迹延伸，并从另一端钻出地表，完成导向孔的施工。
(2)扩孔
导向孔完成后，要将该钻孔进行扩大到合适的直径以方便安装成品管道，此过程称为预扩孔，（依最终成孔尺寸决定扩孔次数）。通常，在钻机对岸将扩孔器连接到钻杆上，然后由钻机旋转回拖入导向孔，将导向孔扩大，同时要将大量的泥浆泵入钻孔，以保证钻孔的完整性和不塌方，并将切削下的岩屑带回到地面。
(3) 回拉铺设管线
预扩孔完成以后，成品管道即可拖入钻孔。管道预制应在钻机对面的一侧完成。扩孔器一端接上钻杆另一端通过旋转接头接到成品管道上。旋转接头可以避免成品管道跟着扩孔器旋转，以保证将其顺利拖入钻孔。回拖由钻机完成，这一过程同样需要大量泥浆配合，回拖过程要连续进行直到扩孔器和成品管道自钻机一侧破土而出。
2.2 砂土地层中的施工难点分析
砂性土层，尤其是流砂地层一直是水平定向钻进施工的难点。流砂一般属于水流搬运沉积而成的产物，故多属河床流砂。它们绝大多数产于无塑性的不粘结的粉砂土质岩层和淤泥质细砂中，并且常被水饱和，容易稀释流散，无胶结性。在钻进中遇到流砂层，常发生坍塌垮孔，超径漏水，甚至无法成孔。
具体而言，在砂土地层中，进行水平定向钻进施工时主要存在以下困难：
(1)砂土地层中导向钻孔施工过程造斜、纠斜难；
(2)砂土地层易塌，难以成孔；
(3)砂土地层中拖管过程摩阻力大，难以就位；
(4)钻进过程中容易抱死钻杆，造成孔内事故。
3 解决对策
3.1已有解决对策分析
通过以上分析可知，在砂土地层施工的关键问题就是如何控制孔壁稳定。传统的控制孔壁稳定的方法是采用泥浆。泥浆在垂直孔或部分水平孔中发挥着重要作用，但对于松散的砂土地层水平导向钻孔，泥浆的护壁作用难以应用。因为水平钻孔管线(包括钻杆和回拖管)在自重的作用下帖附于孔壁下侧，为了护壁采用的泥浆密度越大，则孔壁形成的泥皮越厚，管线被泥皮包裹的包角越大，因此而产生的不平衡压差同管线的重力方向一致，使管线被压在下孔壁上，犹如被“吸附”一样，增大了管线的摩擦阻力，从而导致吸附卡钻事故增多，使施工难以继续进行。
因此，必须扬弃单纯采用泥浆护壁的传统观念。套管通常认为是对付松散的砂砾石层孔壁失稳的杀手铜，但由于工艺复杂，成本高，回收套管难，特别是长距离的水平导向钻孔，套管护孔更是难以做到，如果能够长距离下套管也就能够长距离进行管线的铺设。因此，采用套管护壁也不现实。
3.2水平定向钻注浆固孔法
1 水平定向钻注浆固孔法原理
所谓注浆固孔就是在实施先导孔的过程中，对不稳定的松散的砂土层，及其流砂地层实施“高压”注浆，使浆液渗透到钻孔周围一定的范围，这个范围可根据所铺设管线的口径确定，由浆液性质和注浆压力控制。由于注浆材料充填松散的砂土层，同砂土层胶结固化，从而加固孔壁达到控制孔壁稳定的目的，然后再回拖扩孔，进而达到顺利铺管的目的。
2 实施注浆固孔事先要了解的问题
(1)所施工地层的地质资料，地层土体、砂体的自然性质；
(2)铺设管线的目的、直径大小、管线长度；
(3)广泛收集该地区以往高压注浆技术的成功经验，施工案例等。
3 现场试验
(1)要弄清所施工的砂土地层注浆压力与浆液在钻孔周围渗透区域的关系，注浆压力对周围土体的移动效应，以便控制注浆过程对周围建筑物或地表设施可能产生的影响；
(2)弄清浆液的性质对注浆控制区域的影响，浆液配方与控制孔壁强度的关系，并优选浆液配方；
(3)研究注浆固孔成孔工艺，包括分级扩孔次数的选择、规程参数的确定、成孔时回拖力的预测，回拖管线与孔壁间隙的确定以及回拖速度的大小等。
4 施工方法
具体方法为：导向钻进结束之后卸下钻头，换上注浆管并将其拉入孔中，直到注浆管全部位于流砂中，然后卸下钻杆，将钻孔两端用水泥或者其他有效材料封起来，包括注浆管与孔壁之间的空隙，只留下注浆管注入口，等封口强度达到要求之后用注浆泵将加固浆液压入流砂层中并持续高压使扩散直径大于欲扩孔孔径某一合适数值(有待进一步研究)，等浆液固结后将注浆管拔出，换上钻杆，再进行扩孔铺管等工序。这种工法的铺管管径范围由注浆扩散半径决定。
这种施工方法的技术关键是：
(1)兩端孔口要封好，可以考虑用速凝水泥对两端孔口注入封堵；
(2)所注浆液要能起到固结流砂作用，使其能形成稳定的孔壁，同时又不能使固结体强度太大，否则将给扩孔带来难度，可考虑用水泥加粘土浆液；
(3)所注浆液的渗透性要好，容易向周围砂层渗透扩散；
(4)注浆压力的控制非常重要，既要使注浆液扩散半径尽可能大，又不能对地层造成破坏，比如，浆液压裂地层流出地面，或将地面压得隆起等，否则会对路面环境等造成破坏，损失严重。
(5)施工中必须注意注浆压力和浆液性质，因为浆液压力和浆液性质是控制浆液渗透半径的关键，关系到能否顺利回拖扩孔．
4 结语
本文通过对传统的水平定向钻进施工过程分析，结合砂土地层的特点，分析了砂土地层中的水平定向钻进施工时存在的困难。提出了使用水平定向钻注浆固孔法来解决这一实际问题。注浆固孔方法的实施对于扩大非开挖技术的应用领域和适用范围，对于提高非开挖技术的经济效益和社会效益，均具有较大潜力。
参考文献：
[1]李瑞玲，段永生．非开挖施工技术在砂卵砾石层中的应用．西部探矿工程，2005(6)
[2]李新宏．导向钻机铺管技术在穿越砂土层中的工程实践．西部探矿工程，2002，(增刊)：276～277
[3]梁小强.复杂条件下非开挖定（导）向钻进技术应用研究.中南大学硕士学位论文.2006
作者简介:
铁煤集团建设公司：徐鹏专业：土建
铁煤集团建设公司：闫利慧专业：给排水
铁煤集团大兴矿：宋长宏专业：土建