陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西西安 710001
摘要水平定向钻穿越施工技术是当前非开挖技术领域发展、应用最快的高新技术,在场地条件允许及全面掌握施工地段地质条件的前提下,采用水平定向钻进行管线施工,是穿越大中小型江河,湖泊以及不可拆迁建筑物的最佳选择。本文通过对水平定向钻施工工艺的介绍,以及对该施工技术的一些特性进行分析,希望充分发挥其在工程应用中的价值。
关键词水平定向钻施工技术优势局限性
近年来水平定向钻穿越施工技术在水利工程、市政建设工程、铁路工程等多个行业得到了广泛的应用,适用于穿越铁路、河流、高速公路处的埋管施工,具有工期短、安全可靠、对周边环境影响小,不受洪水季节影响的特点,尤其在大型管道穿越江河工程项目上更显出了其独特的优势;但是与其他穿越施工技术相比,该施工技术也存在一定的局限性。
1.水平定向钻施工工艺介绍:
水平定向钻施工法也称为往复式潜钻施工法,是指无法以传统开挖、推进及作业人员无法进入工作区,须用机械方法来操作钻掘、排土、清渣及方向控制,并同时在扩孔后将各种管材埋入地下的施工方法。适合穿越铁路、公路、高速公路、河流、等处的埋管施工。
水平定向钻施工法工作原理为:钻头先喷射高压水柱将泥土松开,钻杆再施转前进。同时采用高科技制造的钻头可击碎直径30cm以下的石块,钻杆在最大弯曲半径33m内可360度调整其行进方向。采用无污染的天然粘土细粉作为润滑剂,混合在水柱中喷入土壤,不但可稳固孔道壁且有润滑作用,将拉管时的摩擦力降至最低,日后泥浆形成一圈干燥的粘土裹覆管线。钻头内装置精确的导向及探测仪器(信号发射器),当其在地下潜挖时,地面上的接受器可由其电磁波显示钻头所在的位置及深度,进而可转绘成精确的地下管线图表。
定向钻穿越河道示意图
2.定向钻施工技术的优势:
水平定向钻施工法对对地面环境产生的影响非常小,同时还可以为管道提供最有效的保护层,并相应减少了维护费用;同时不受洪水季节限制,不会影响河流运输并大幅缩短施工工期,被证明是目前效率最高,成本最低的穿越施工方法。
2.1施工工期短
同样的工程大开挖方式一般需2 -3个月时间,顶管或隧道时间则更长一些,但定向钻从开始正式施工至施工拖管完毕一般仅用10-15天时间,所以采用水平定向钻穿越施工技术是其他施工手段所无法相比的。
2.2工程安全可靠
采用定向钻穿越不需进行大量的土石开挖,施工人员仅在地表操作,安全系数较高,大开挖则形成高切坡,施工人员安全性较差。采用隧道穿越方式,有可能塌方或突水危及工程及施工人员安全,安全性差。随着国家、业主单位对安全的重视,采用更安全的施工手段成为工程优先考虑的施工方案。
2.3周边环境影响小、协调难度小
定向钻穿越在穿越位置需进行土石方开挖及爆破,不影响周边环境,不破坏河堤阻断交通以及对周边工程破坏小,因此同其他相关部门协调难度较小,便于实施。
2.4不受洪水季节限制
定向钻穿越设备均位于河床两岸边坡上,地势一般较高,大都位于常年洪水位以上洪水不致影响工程的正常施工。而大开挖方式只能在枯水期施工,受洪水季节限制。
2.5后期维护费用底
从埋置深度上定向钻穿越管线一般埋深较大(一般位于河床以下9~18m),安全正常运营是有保证的,河流冲刷不致影响管线,不易遭人为破坏,其维护费用低。
3.定向钻施工技术的局限性:
定向钻穿越施工技术与其他穿越施工技术相比,对施工地形、场地及交通也有更高的要求,尤其一些恶劣的地质条件甚至对设备产生损坏,为此增加了施工风险。
3.1交通条件
水平定向钻机属高科技设备、科技含量高、自动化程度高、机械设备重(一般30~40T/台)、整体性好、不易撤散等,需施工场地交通方便,便于钻机设备运抵入土点施工现场附近。
3.2地形条件
定向钻穿轴线参数受管材材质、管径大小的制约。河流穿越时,当出入土点与河床高差过大、河床过窄,则穿越长度相对河宽过长,经济性较差。
3.3场地条件
定向钻出土点场地需有一定长度宽约3.0m的相对较平整的组焊场地,原则上需一次性组焊完成(略有起伏时可适当的堆填或开挖,视具体情况而定)。在穿越段围岩稳定的前提下可分二~三段组焊回拖。入土点处需平整约30×30m的场地用于钻机设备与泥浆搅拌系统的摆放。
3.4地质条件
定向钻穿越能否成功实施,除地形条件外,最关键的还是地质条件。定向钻施工前必须按定向钻方式进行相应的地质勘察工作,进一步查明穿越地带岩(土)分布、基岩层裂隙发育程度、岩石的物理力学特征等情况,以便有针对性地开展相应的准备工作。定向钻在砂卵石层中无法纠偏、控向,需尽量避开。砂岩、泥岩地层(岩石抗压强度小于60Mpa)均适用定向钻施工。对强度更高的岩层其控向较困难,加之施工成本过高,不宜采用定向钻。
定向钻宜采穿越地层汇总表
地层条件 | 适用 | 可行但有难度 | 困难极大 |
软至极软粘土、淤泥和有机堆积物 | √ | ||
中硬—硬质粘土和淤泥 | √ | ||
硬粘土和强风化泥页岩 | √ | ||
非常松散至松散砂层(砾石含量<30%重量比) | √ | ||
中—致密砂层(砾石含量<30%重量比) | √ | ||
松散—密实砂砾石层(30%<砾石含量<50%重量比) | √ | ||
松散—密实砂砾石层(50%<砾石含量<85%重量比) | √ | ||
松散—密实卵砾石层 | √ | ||
含有大量孤石、漂石或障碍物地层 | √ | ||
风化岩层或强胶结地层 | √ | ||
弱风化—未风化地层 | √ |
4.结论:
综上所述,随着社会的不断发展和环保意识的不断加强,地下管线施工使用大开挖的方法导致的社会、交通和环境污染问题不得不引起人们的重视;因此在条件允许的前提下,水平定向钻施工技术应用于水利、市政建设、铁路工程等的埋管施工中,是值得推广和使用的。