程诚
水平定向钻施工工艺是在不开挖地表面的条件下，铺设多种地下公用设施（管道、电缆等）的一种施工工艺，它具有施工速度快、施工精度高、成本低等优点，广泛应用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等管线铺设施工中，适用于沙土、粘土、卵石等地况，我国大部分非硬岩地区都可施工，工作环境温度为-15℃～+45℃。
水平定向钻进铺管的施工顺序为：地质勘探、规划和设计钻孔轨迹、配制钻液、钻导向孔、回拉扩孔、回拉铺管。
1.地层勘探及地下管线探测
地层勘探主要了解有关地层和地下水的情况，为选择钻进方法和配制钻液提供依据。其内容包括：土层的标准分类、孔隙度、含水性、透水性以及地下水位、基岩深度和含卵砾石情况等。可采用查资料、开挖和钻探方法获取。地下管线探测主要了解有关地下已有管线和其他埋设物的位置，为设计钻进轨迹提供依据。
2.钻进轨迹的规划与设计
导向孔轨迹设计是否合理对管线施工能否成功至关重要。钻孔轨迹的设计主要是根据工程要求、地层条件、地形特征、地下障碍物的具体位置、钻杆的出入土角度、钻杆允许的曲率半径、钻头的变向能力、导向监控能力和被铺设管线的性能等，给出最佳钻孔路线。
3.配制钻液
钻液在施工中起着非常重要的作用。钻液是指在钻进施工中用来与钻孔过程中切削下来的土（或沙石）屑混合，悬浮并将这些混合物排出钻孔的一种液体，而泥浆则是钻液与钻孔中钻屑的混合物。钻液可冷却钻头（冷却和保护其内部传感器）、润滑钻具，更重要的是可以悬浮和携带钻屑，使混合后的钻屑成为流动的泥浆顺利地排出孔外，既为回拖管线提供足够的环形空间，又可减少回拖管线的重量和阻力，残留在孔中的泥浆可以起到护壁的作用。
在不同的地质条件下，需要不同成份的钻液。钻液由水、膨润土和聚合物组成。施工中用水做钻液的主要成份，膨润土和聚合物用做钻液添加剂。钻液的品质越好与钻屑混合越适当，所制造的泥浆的流动性和悬浮性越好，回扩成孔的效果越理想，成功的概率越大。
4.钻导向孔
钻导向孔的关键技术是钻机、钻具的选择和钻进过程的监测与控制。可根据不同的地质条件以及工程的具体情况，选择合适的钻机、钻具和钻进方法来完成导向孔的钻进。
5.回拉扩孔铺管
在回拉扩孔铺管施工中的关键技术是根据不同的土层、地下水位以及最终成孔直径正确地选择回扩钻具和每次的进刀量，正确地选配钻液和确定钻液的流量。
当导向孔钻进完成后，卸下导向钻头、发射器容纳管，接上反向扩孔钻头和旋转接头（分动器），然后在旋转接头后接上回拉钻杆，进行回拉扩孔钻进。对直径较大的孔，可进行多次扩孔钻进，使钻孔直径逐渐扩大至尺寸要求。
当扩孔钻进完成后，在回拉钻杆后接上回扩头和旋转接头，在旋转接头后接上拉管头和待铺设的管线进行反扩铺管。
定向钻穿越堤防虽然具有不开挖地面、不破坏地层结构、不损坏河堤、不扰动河床、对堤防工程影响较小的特点，但在穿越过程中总是无法避免会对管道周边的原土体产生扰动，影响原土体的密实度，使管道周围土体的渗透系数增大，甚至可能会沿管道周边形成一条渗流通道，这对于堤防的稳定和安全是相当不利的，应对此段堤防进行渗流稳定分析。
1.案例分析
（1）案例概况
选取淮南垃圾焚烧发电厂取水工程为典型案例。该取水工程补给水泵房建在厂区内（距离堤防背水侧堤脚130m），利用设在河床中的取水头部和自流引水管取水至泵房。该工程引水管采用D325×8mm无缝钢管，管长386m，采用水平定向钻施工工艺穿越堤防、滩地与取水头部和泵房连接，引水管中心标高为13.20m。
（2）堤基渗流稳定分析工况和参数确定
采用两种工况对堤防进行渗流分析：
①管壁周围土层按原状考虑，渗透系数选用原状土的系数；
②管壁周围上下2.5m范围土层被扰动，渗透系数高于原状土系数一个数量级。
堤基土层分布及渗透系数见表1。
（3）进行堤基渗流分析
按《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）计算断面处于自流引水管道穿越堤防处。具体计算采用河海大学工程力学研究所研制的有限元分析程序“水工结构有限元分析系统AutoANKv5.5”（网络版）进行。
①管壁周围土层按原状考虑工况
表1 取水管道穿越堤防处堤基土层分布及渗透系数表
土层编号土层名称层底高程（m）厚度（m）垂直渗透系数（cm/s）①人工填土21.56¯21.766.773.96×10-4②砂壤土¯轻粉质壤土12.5¯13.08.914.39×10-4③粉质壤土5.07.755.43×10-5④细中砂//3.1×10-3
图1 堤基渗流等势线图（管壁周围土体采用原状土渗透系数）
图2 堤基渗流等势线图（管壁周围土体渗透系数提高一个数量级）
堤防堤顶高程28.50m，堤防迎水侧地面高程20.00m，设计洪水位25.00m，背水侧地面高程21.00m，行洪区内无水，水位与地面持平，渗流场计算成果见图1。计算结果表明最大渗流出逸坡降为0.10，满足规范设计要求。
②管壁周围土层被扰动工况
自流引水管道采用定向钻施工，原有管壁四周土层可能被扰动，致使管道外壁易形成渗漏通道，相当于原有管壁四周土层中有承压水，为模拟该条件下计算工况，假定管壁上下各2.5m土层（16.0～11.0m高程）被扰动，该范围内土体渗透系数比原状土提高一个数量级进行分析计算。渗流场计算成果见图2。计算结果表明最大渗流出逸坡降为0.15，满足规范设计要求。
（4）成果分析
计算成果表明：两种工况下，出逸坡降值小于堤基②层砂壤土～轻粉质壤土允许出逸坡降［J］=0.40～0.50及③层粉质壤土土的允许出逸坡降［J］=0.50～0.60，因此，在正常施工条件下，堤防渗透稳定能满足要求。
2.影响分析
在正常施工条件下，定向钻施工后，堤防渗透稳定仍能满足相关规范要求，但是考虑定向钻施工对原有管壁四周土层扰动时，渗流出逸坡降由0.10增大至0.15，因此定向钻施工对堤防渗流稳定有一定的影响。
同时，考虑到水平定向钻施工过程中，需配制钻液，钻液由水、膨润土和聚合物组成，其中水作为钻液的主要成份，膨润土和聚合物作为钻液添加剂。膨润土的主要特性是膨胀性，遇水后体积变大，施工完成后，留在钻孔里的钻液中的膨润土对堤防有一定的影响。
水平定向钻施工过程中会对堤防产生一定的影响，因此为防止施工引起的堤防变形、渗透破坏等情况的发生，应采取适当防补措施：
1.用水泥、粘土泥浆置换原定向钻水基泥浆，填补管道周围空隙
定向钻最终成孔直径为设计管径1.2倍，管道铺设完成后，引水管四周尤其是上部将形成最大6.5cm的间隙而成为直接的漏水通道，威胁堤防的安全。
水平定向钻水基泥浆多以膨润土为主要添加剂，膨润土是以蒙脱石为主要成分的含水粘土矿，主要化学成分是二氧化硅、三氧化二铝，还含有镁、钙、铁、钠等氧化物，其中氧化钠和氧化钙的含量对膨润土的物理化学性质和工艺技术性能影响颇大。膨润土的主要特性是膨胀性，遇水后体积膨胀至原来的数倍乃至几十倍。由于定向钻泥浆为事先用水配置好的水基泥浆，体积已经膨胀，当敷设管线施工完毕后，水基泥浆因失水慢慢收缩，致使管道四周形成空隙，易形成渗流通道。
因此，应采用水泥、粘土等防渗性较好的混合泥浆置换原定向钻水基泥浆，防止管道四周留下较大空隙，以提高管道四周土体的防渗性。置换原定向钻水基泥浆，填补管道周围空隙的方法，在管道回拖敷设的同时，可利用出土井在管壁外空隙间设灌浆管采用灌浆泵进行灌浆施工，灌浆材料使用水泥、粘土浆，灌浆施工工艺严格按照有关规范执行。
2.尽量减小预扩孔直径，避免引起土体失稳和形成防渗通道
水平定向钻在管道敷设之前，通过钻导向孔、预扩孔将孔洞预扩至比管道外径偏大尺寸。为便于管道拖曳敷设，施工时往往会加大预扩孔径，但随着孔径的增大，管道敷设后泥浆体积缩小，土体与管道间遗留的空隙越大，对土体稳定和防渗不利。因此，应在满足施工的条件下，尽量减小预扩孔直径，避免引起土体失稳和形成防渗通道。
3.合理控制泥浆压力和尽量减少水玻璃用量，防止造成土体变形和遗留渗流通道
水平定向钻在钻导向孔、预扩孔和回拖敷设穿越管线过程中，需要借助于专门配制的水基泥浆来维持孔洞的稳定。水基泥浆是以水为基础，添加一定比例的膨润土、水玻璃和高分子聚合物等，然后通过搅拌、溶合、水化后打入孔洞。由于驱动地下钻具和维持孔洞稳定的需要，要根据管道穿越的地质和地层条件来确定泥浆压力。泥浆压力过小，不利于孔洞的稳定和定向钻的施工；但泥浆压力过大，往往会造成冒浆、失浆、地面隆起、塌陷等土体变形现象，影响堤防安全稳定。因此，应根据地质和地层等条件，合理控制泥浆压力，最大限度减小泥浆压力，以防止因泥浆压力过大而造成土体变形。
另外，应尽量减少水基泥浆中水玻璃的用量。水玻璃俗称泡花碱，化学名硅酸钠，是一种水溶性硅酸盐，其耐碱性和耐水性差，遇水即溶，由于土壤中水份的存在造成含水玻璃泥浆难以成形，长期遗留渗流通道对防渗不利。
4.合理控制拖曳力和拖曳速度，防止引起土体变形
水平定向钻扩孔完成后，需利用拖曳机械将管道一次性拖至孔洞中，从而实现管线敷设。拖曳力越大，拖曳速度越大，越容易实现管线敷设。但拖曳力过大，拖曳速度过快，可能造成土体受剪切力形成较大变形，特别在管道的水平段与斜段的交接处和入土点附近往往引起的土体变形较大。因此，应根据地质和地层条件选择拖曳机械，合理控制拖曳力和拖曳速度，防止引起土体变形■
（作者单位：安徽省淮河河道管理局233000）
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