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[摘要] 该文结合具体工程，从地质条件、施工前准备、工作坑开挖、导向孔施工、孔径扩大、拉管就位及泥浆配制等方面叙述厦门环岛路应用小型定向钻机施工技术铺设φ400mm污水管施工过程。
[关键词] 后滨沉积小型定向钻机施工φ400mm污水管
1 前言
应用定向钻机施工技术铺设各类地下管线已成为非开挖施工领域中的重要组成部分。该技术近年来在中国呈现突飞猛进的发展趋势，越来越显现出保护道路、施工快捷、注重环保和经济技术合理等优越性。穿越特殊地层，制定出科学合理的施工方案尤为重要，直接关系到工程的成败。
2 工程概况
厦门环岛路定向钻机铺设φ400mm污水管穿越工程，是国家重点项目厦门五通码头项目中的一部分。五通码头位于厦门岛北东方向，距五缘大桥东南约3Km，建成后的五通码头作为海峡两岸实现海上通航的西岸码头。码头内所有生活污水不得排入大海，需铺设一条φ400mm，长度60m的污水管道穿越环岛路，污水由东向西汇入已埋设的φ800mm污水管道后，流往污水处理厂。
厦门环岛路环境优美，风光秀丽，是厦门岛一级海滨大道，每年一次的国际马拉松长跑赛在这里举办。建设单位决定采用小型定向钻机穿越环岛路铺设φ400mm污水管道。选用PE管材，壁厚19.1mm。西侧工作坑管内底铺设深度4.5m，东侧工作坑管内底铺设深度4.25m，流水线坡度5‰。工程平面位置如图1所示：
3 工程地质特点
施工场地属陆源沉积为主的滨海中能砂质海岸带后滨沉积。场地以东约500m即为厦门东侧海域，与台湾海峡相连。
后滨是海滩的上部，位于平均海水高潮线以上，只有特大风暴或异常高潮期间才会受到海浪的作用。它是一片平坦地带，主要沉积物是具水平纹理，有时也有低角度交错层理的砂。临近五通码头的环岛路段，就构筑在后滨沉积物（砂）上，如图2所示。
从道路两侧暴露的砂层分析，砂层粒径0.5～2mm的颗粒质量超过50％，属于粗砂层。其次为中砂、粉砂及少量蚕豆状卵石。粗砂层呈灰白色，主要成分为石英，分选性较好，颗粒以棱角、次棱角状为主，无胶结物，松散，遇水易液化，无勘察与试验资料。施工场地两侧开阔，有利于工程施工操作。
4 施工过程
定向钻机铺管在砂层中施工比在土层中施工难度大很多，砂层坍塌不成孔是定向钻机施工的“天敌”，很多工程因无法攻克这一难题而放弃施工或以失败而告终。摆在面前的难题要克服、战胜，对我们来讲施工只许成功，不能失败。在我们进场施工之前，已有一施工队在此施工失败而退场。
4.1 施工前准备
在施工条件不利的情况下，施工前的准备工作应做的更细致一些。
①探查施工路段既有地下管线分布情况，确保施工过程既有地下管线的安全。通过现场探查，在道路西侧有两条管线分布，分别为埋深1.0～1.2m的军用光缆和埋深在5.3～6.1m的污水管道，即为本工程的污水接入管。以上两条既有地下管线对本工程不产生影响。
②计算管道就位时的回拉力F，选择钻机类型
F＝πLf【D2r/4－ρδ（D－δ）】＋kπDL
式中F——计算的拉力（t）；
L——穿越长度（m）；
f——摩擦系数0.3；
D——PE管直径（m）；
r——泥浆密度（t/m3）；
ρ——PE管密度（t/m3）；
δ——PE管壁厚（m）；
k——粘滞系数0.03。
F＝3.14×60×0.3×【0.42×1.2÷4－0.95×0.0191×（0.4－0.0191）】＋0.03×3.14×0.4×60＝4.58（t）
定向钻机类型确定宜根据F的计算结果的3倍选择。选择ZT－25型定向钻机进场施工，可以满足工程要求。
③泥浆材料准备
采购HL－1复合化学泥浆及HL－润滑剂。自来水引进施工现场，用淡水配浆。
④设备检验
钻具在粗砂层中施工易磨损、折断和钻齿脱落。检查使用过的钻杆受损程度，钻杆直径单边磨损超过1.5mm或丝扣被磨损不完全咬合的不投入使用。扩孔器上的齿状合金切削具不完整，不牢固，有损伤的及时修复更换。钻机的动力系统、油路、泥浆设备系统等进行一次检测、维护等。
⑤施工人员
投入精干人员力量。选择具有多年施工经验的司钻、导向及现场管理的高素质施工队伍。
4.2 工作坑开挖
根据工程需要铺管段两侧应开挖工作坑，深度为铺设管道的管内底深度加上0.5m确定。西边工作坑深度为5.0m，东边工作坑深度为4.75m。按《岩土工程勘查规范》DBJ13-84中“边坡处理常用方法和坡率允许值”中规定，工作坑边坡采用坡率法放坡支护，高宽比为1：1.5，并在工作坑深度2m以下边坡采用砂袋支护，确保施工过程工作坑壁不发生坍塌。
由于污水管径较大，且铺设深度深，因此将下管工作坑替代导向孔的出土造斜段，有利于管道回拉时，将管道顺利拉入孔内。道路两侧场地开阔，在下管工作坑内的下管坡角选定为100，放坡长度近25m。
4.3 导向孔施工
导向孔轨迹设计及施工断面内容，如图3所示：
图中L1——导向孔入土曲线段水平距离（m）；
L2——导向孔直线段水平距离（m）；
h1、h2——导向钻头进出水平段的深度（m）；
α1——导向钻头入土角（0）
α2——导向钻头出土角（0）
R——导向钻孔入土曲线段的曲率半径（m）
为确保L2导向孔直线段水平距离有5‰的坡角要求，必须通过计算L1的最小长度和导向钻头入土角α1的值。
L1 ＝【h1（2R－h1）】1/2，R取1200D（D为钻杆直径73mm）
＝【4.05×（2×1200×0.073－4.05）】1/2＝26.34（m）
α1＝2arctg（h1/2R－h1）1/2
＝2arctg（4.05/2×1200×0.073－4.05）1/2
≈180
施工场地满足L1计算结果，导向钻头入土角α1取180也满足有关规定要求。采用月蚀（Eclipse）手提步履式导向仪完成导向孔施工任务。
4.4 孔径扩大
根据地层条件和铺设的管径规格，逐级扩孔，终孔孔径580mm。用同样的终孔扩孔钻头洗孔两次，将残留在孔内的钻屑带出孔外，减少拉管阻力，保证孔内清洁畅通。
扩孔钻头后面和钻杆相连接的分动器，不采用柔性连接方式，应采用刚性连接方法。若扩孔器损坏或卡钻时，可以顺利退出孔外检修、更换。
穿越土层单一、结构完整，扩孔过程没有发现漏浆现象。选择泥浆材料合理，泵量调剂Ⅱ档位置，匀速扩孔，轻拉慢钻，不追求扩孔速度。要求司钻人员始终关注泵压、扭矩及扩孔回拉力的变化，禁止在憋泵、憋钻、泥浆环流中止的情况下强行回扩。施工过程泥浆系统启动，起下钻不能过猛过快，孔内钻具应始终保持在张应力下工作，减少钻具对孔壁的撞击，避免产生液压锁现象。
4.5 拉管就位
PE管材的焊缝要严格检查，保证焊接质量。为使φ400mmPE管能顺利、平稳进入孔内，下管工作坑后侧采用100放坡，起到发送沟槽的作用，如图3所示。用数个圆形滚杆铺垫在PE管下，减少回拉时管道和地面之间的摩擦阻力。钻机动力通过钻杆将φ580mm扩孔器和其后面分动器及φ400mmPE管缓慢地拉入孔内。拉管就位过程仍应保持泥浆系统的泵量和泵压。在卸掉钻杆重新起步拉管时，应考虑泥浆再次从钻头流向孔内的这一时间差后，再开始拉管。保持速度，不造成孔内泥浆断流的真空现象。
整个施工过程，每一道工序都严把质量关，措施到位，很顺利地完成拉管就位工序。
4.6 施工过程的泥浆配制
采用“强悬浮、弱凝胶、弱抑制、严封堵、护壁结构强度好”的HL－1复合化学泥浆，加上少量HL－润滑剂。泥浆密度控制在1.20左右，PH值为8.5。导向孔施工粘度55s，扩孔和拉管粘度65s。用两个专用容器配制泥浆，交换使用，保证施工过程泥浆能正常供给。保证稳定的孔内泥浆环境，是本工程成功的关键。孔内充满一定浓度和粘性的泥浆和钻屑混合物，呈悬浮状态，具有很强的环向挤压应力，对保护孔壁不坍塌起到重要作用，工程顺利结束，泥浆功不可没。
5 结论
本工程施工投入的有效时间为64小时。其中探查既有地下管线时间3小时，工作坑开挖、支护时间24小时（中间穿插设备安装等），导向孔施工时间6小时，孔径扩大和洗孔时间为20小时（中间穿插管材焊接等），拉管就位时间3小时，工作坑内泥浆、钻渣清理、管头清理、管口封堵等6小时，退场前施工现场卫生清理2小时。
地质条件决定定向钻铺管施工的难易程度，直接关系到工程的成败。后滨沉积地质条件下的粗砂层，不利于定向钻施工。随着施工经验的积累，总结成功与失败的经验、教训，虚心向国内外专家求教、学习。在地质条件困难的情况下，精心组织，优化施工方案，是成功的保障。本工程的顺利竣工为今后在类似的地质条件下施工，提供了宝贵的施工经验和方法，同时亦取得了政治效益、经济效益、社会效益的三大丰收。
[关键词] 后滨沉积小型定向钻机施工φ400mm污水管
1 前言
应用定向钻机施工技术铺设各类地下管线已成为非开挖施工领域中的重要组成部分。该技术近年来在中国呈现突飞猛进的发展趋势，越来越显现出保护道路、施工快捷、注重环保和经济技术合理等优越性。穿越特殊地层，制定出科学合理的施工方案尤为重要，直接关系到工程的成败。
2 工程概况
厦门环岛路定向钻机铺设φ400mm污水管穿越工程，是国家重点项目厦门五通码头项目中的一部分。五通码头位于厦门岛北东方向，距五缘大桥东南约3Km，建成后的五通码头作为海峡两岸实现海上通航的西岸码头。码头内所有生活污水不得排入大海，需铺设一条φ400mm，长度60m的污水管道穿越环岛路，污水由东向西汇入已埋设的φ800mm污水管道后，流往污水处理厂。
厦门环岛路环境优美，风光秀丽，是厦门岛一级海滨大道，每年一次的国际马拉松长跑赛在这里举办。建设单位决定采用小型定向钻机穿越环岛路铺设φ400mm污水管道。选用PE管材，壁厚19.1mm。西侧工作坑管内底铺设深度4.5m，东侧工作坑管内底铺设深度4.25m，流水线坡度5‰。工程平面位置如图1所示：
3 工程地质特点
施工场地属陆源沉积为主的滨海中能砂质海岸带后滨沉积。场地以东约500m即为厦门东侧海域，与台湾海峡相连。
后滨是海滩的上部，位于平均海水高潮线以上，只有特大风暴或异常高潮期间才会受到海浪的作用。它是一片平坦地带，主要沉积物是具水平纹理，有时也有低角度交错层理的砂。临近五通码头的环岛路段，就构筑在后滨沉积物（砂）上，如图2所示。
从道路两侧暴露的砂层分析，砂层粒径0.5～2mm的颗粒质量超过50％，属于粗砂层。其次为中砂、粉砂及少量蚕豆状卵石。粗砂层呈灰白色，主要成分为石英，分选性较好，颗粒以棱角、次棱角状为主，无胶结物，松散，遇水易液化，无勘察与试验资料。施工场地两侧开阔，有利于工程施工操作。
4 施工过程
定向钻机铺管在砂层中施工比在土层中施工难度大很多，砂层坍塌不成孔是定向钻机施工的“天敌”，很多工程因无法攻克这一难题而放弃施工或以失败而告终。摆在面前的难题要克服、战胜，对我们来讲施工只许成功，不能失败。在我们进场施工之前，已有一施工队在此施工失败而退场。
4.1 施工前准备
在施工条件不利的情况下，施工前的准备工作应做的更细致一些。
①探查施工路段既有地下管线分布情况，确保施工过程既有地下管线的安全。通过现场探查，在道路西侧有两条管线分布，分别为埋深1.0～1.2m的军用光缆和埋深在5.3～6.1m的污水管道，即为本工程的污水接入管。以上两条既有地下管线对本工程不产生影响。
②计算管道就位时的回拉力F，选择钻机类型
F＝πLf【D2r/4－ρδ（D－δ）】＋kπDL
式中F——计算的拉力（t）；
L——穿越长度（m）；
f——摩擦系数0.3；
D——PE管直径（m）；
r——泥浆密度（t/m3）；
ρ——PE管密度（t/m3）；
δ——PE管壁厚（m）；
k——粘滞系数0.03。
F＝3.14×60×0.3×【0.42×1.2÷4－0.95×0.0191×（0.4－0.0191）】＋0.03×3.14×0.4×60＝4.58（t）
定向钻机类型确定宜根据F的计算结果的3倍选择。选择ZT－25型定向钻机进场施工，可以满足工程要求。
③泥浆材料准备
采购HL－1复合化学泥浆及HL－润滑剂。自来水引进施工现场，用淡水配浆。
④设备检验
钻具在粗砂层中施工易磨损、折断和钻齿脱落。检查使用过的钻杆受损程度，钻杆直径单边磨损超过1.5mm或丝扣被磨损不完全咬合的不投入使用。扩孔器上的齿状合金切削具不完整，不牢固，有损伤的及时修复更换。钻机的动力系统、油路、泥浆设备系统等进行一次检测、维护等。
⑤施工人员
投入精干人员力量。选择具有多年施工经验的司钻、导向及现场管理的高素质施工队伍。
4.2 工作坑开挖
根据工程需要铺管段两侧应开挖工作坑，深度为铺设管道的管内底深度加上0.5m确定。西边工作坑深度为5.0m，东边工作坑深度为4.75m。按《岩土工程勘查规范》DBJ13-84中“边坡处理常用方法和坡率允许值”中规定，工作坑边坡采用坡率法放坡支护，高宽比为1：1.5，并在工作坑深度2m以下边坡采用砂袋支护，确保施工过程工作坑壁不发生坍塌。
由于污水管径较大，且铺设深度深，因此将下管工作坑替代导向孔的出土造斜段，有利于管道回拉时，将管道顺利拉入孔内。道路两侧场地开阔，在下管工作坑内的下管坡角选定为100，放坡长度近25m。
4.3 导向孔施工
导向孔轨迹设计及施工断面内容，如图3所示：
图中L1——导向孔入土曲线段水平距离（m）；
L2——导向孔直线段水平距离（m）；
h1、h2——导向钻头进出水平段的深度（m）；
α1——导向钻头入土角（0）
α2——导向钻头出土角（0）
R——导向钻孔入土曲线段的曲率半径（m）
为确保L2导向孔直线段水平距离有5‰的坡角要求，必须通过计算L1的最小长度和导向钻头入土角α1的值。
L1 ＝【h1（2R－h1）】1/2，R取1200D（D为钻杆直径73mm）
＝【4.05×（2×1200×0.073－4.05）】1/2＝26.34（m）
α1＝2arctg（h1/2R－h1）1/2
＝2arctg（4.05/2×1200×0.073－4.05）1/2
≈180
施工场地满足L1计算结果，导向钻头入土角α1取180也满足有关规定要求。采用月蚀（Eclipse）手提步履式导向仪完成导向孔施工任务。
4.4 孔径扩大
根据地层条件和铺设的管径规格，逐级扩孔，终孔孔径580mm。用同样的终孔扩孔钻头洗孔两次，将残留在孔内的钻屑带出孔外，减少拉管阻力，保证孔内清洁畅通。
扩孔钻头后面和钻杆相连接的分动器，不采用柔性连接方式，应采用刚性连接方法。若扩孔器损坏或卡钻时，可以顺利退出孔外检修、更换。
穿越土层单一、结构完整，扩孔过程没有发现漏浆现象。选择泥浆材料合理，泵量调剂Ⅱ档位置，匀速扩孔，轻拉慢钻，不追求扩孔速度。要求司钻人员始终关注泵压、扭矩及扩孔回拉力的变化，禁止在憋泵、憋钻、泥浆环流中止的情况下强行回扩。施工过程泥浆系统启动，起下钻不能过猛过快，孔内钻具应始终保持在张应力下工作，减少钻具对孔壁的撞击，避免产生液压锁现象。
4.5 拉管就位
PE管材的焊缝要严格检查，保证焊接质量。为使φ400mmPE管能顺利、平稳进入孔内，下管工作坑后侧采用100放坡，起到发送沟槽的作用，如图3所示。用数个圆形滚杆铺垫在PE管下，减少回拉时管道和地面之间的摩擦阻力。钻机动力通过钻杆将φ580mm扩孔器和其后面分动器及φ400mmPE管缓慢地拉入孔内。拉管就位过程仍应保持泥浆系统的泵量和泵压。在卸掉钻杆重新起步拉管时，应考虑泥浆再次从钻头流向孔内的这一时间差后，再开始拉管。保持速度，不造成孔内泥浆断流的真空现象。
整个施工过程，每一道工序都严把质量关，措施到位，很顺利地完成拉管就位工序。
4.6 施工过程的泥浆配制
采用“强悬浮、弱凝胶、弱抑制、严封堵、护壁结构强度好”的HL－1复合化学泥浆，加上少量HL－润滑剂。泥浆密度控制在1.20左右，PH值为8.5。导向孔施工粘度55s，扩孔和拉管粘度65s。用两个专用容器配制泥浆，交换使用，保证施工过程泥浆能正常供给。保证稳定的孔内泥浆环境，是本工程成功的关键。孔内充满一定浓度和粘性的泥浆和钻屑混合物，呈悬浮状态，具有很强的环向挤压应力，对保护孔壁不坍塌起到重要作用，工程顺利结束，泥浆功不可没。
5 结论
本工程施工投入的有效时间为64小时。其中探查既有地下管线时间3小时，工作坑开挖、支护时间24小时（中间穿插设备安装等），导向孔施工时间6小时，孔径扩大和洗孔时间为20小时（中间穿插管材焊接等），拉管就位时间3小时，工作坑内泥浆、钻渣清理、管头清理、管口封堵等6小时，退场前施工现场卫生清理2小时。
地质条件决定定向钻铺管施工的难易程度，直接关系到工程的成败。后滨沉积地质条件下的粗砂层，不利于定向钻施工。随着施工经验的积累，总结成功与失败的经验、教训，虚心向国内外专家求教、学习。在地质条件困难的情况下，精心组织，优化施工方案，是成功的保障。本工程的顺利竣工为今后在类似的地质条件下施工，提供了宝贵的施工经验和方法，同时亦取得了政治效益、经济效益、社会效益的三大丰收。