水平定向鉆穿越大厚度、大粒徑卵石層的頂管鉆進(jìn)技術(shù)

水平定向鉆穿越大厚度、大粒徑卵石層的頂管鉆進(jìn)技術(shù)

在水平方向的開挖過程中，穿過大厚度和大粒徑卵石層是一個全球問題，通常采用大開挖和坍塌管進(jìn)行施工。但是,對于地下水流量大的大厚度、大粒徑卵石層,若采用常規(guī)的施工方法,將耗費(fèi)大量的人力、物力及時間,難以滿足施工要求。1儲質(zhì)砂巖模式洛陽-駐馬店成品油管道黃河定向鉆穿越工程的水平長度1564m,穿越主管道規(guī)格φ355.6×9.5,光纜套管規(guī)格φ121×8,光纜套管與主管道同孔回拖。其出、入土段需穿過較大厚度的卵石層,水平段為泥質(zhì)灰?guī)r。出、入土點(diǎn)的卵石層距地表深度約10m,卵石層平均厚度超過34m,其中入土點(diǎn)的卵石層厚度約30m,出土點(diǎn)的卵石層厚度約38m;卵石粒徑一般為20~60mm,部分粒徑甚至達(dá)到70~80mm。卵石層中卵石含量55%~65%,卵石最大直徑0.8m。底層中含有零星漂石,卵石層下為泥質(zhì)灰?guī)r。針對該管道黃河定向鉆穿越工程的實(shí)際情況,對水平定向鉆穿越大厚度、大粒徑卵石層的施工工藝進(jìn)行優(yōu)化,形成了采用水平定向鉆機(jī)、頂套管機(jī)、大粒徑卵石破碎器的聯(lián)合施工工藝,并開發(fā)了系列配套施工設(shè)備。2管道管道的端管施工方案的優(yōu)化2.1套管頂進(jìn)“上漂”鉆機(jī)與頂套管機(jī)的聯(lián)合施工是針對洛陽-駐馬店成品油管道工程卵石層地質(zhì)而開發(fā)的施工工藝。在套管的施工中,頂管鉆機(jī)的頂進(jìn)和套管內(nèi)卵石的掏挖同步進(jìn)行,同時控制頂進(jìn)的速度,以防止掏挖鉆頭卡死和套管變形(圖1)。在定向鉆穿越黃河施工過程中,發(fā)生了套管頂進(jìn)角度大幅“上漂”的現(xiàn)象。這是由于穿越的卵石層粒徑很大,大多數(shù)卵石粒徑為80~250mm,個別卵石粒徑甚至達(dá)到600mm,且含有零星漂石。卵石含量極高,最多時達(dá)到100%。在套管頂進(jìn)過程中,同步進(jìn)行的卵石掏挖作業(yè)使得套管上方的卵石變得較為松散,而套管下層的卵石密實(shí)度較高,加之卵石粒徑大,上層的卵石在重力作用下不斷坍塌,造成管體上下受力不均勻,又因?yàn)樘坠芟路铰咽黄?致使套管在頂進(jìn)過程中“上漂”。隨著頂進(jìn)長度的不斷增長,套管上方的卵石坍塌現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重,套管“上漂”的幅度也越來越大,甚至高達(dá)0.1°/m。由于“上漂”現(xiàn)象的存在,使得預(yù)計的16°入土角無法滿足穿透卵石層的施工需要,使套管不能到達(dá)預(yù)定位置。2.2頂管及其頂推力采用常規(guī)大開挖或夯管方法無法完成穿越施工,應(yīng)采用頂推套管方案。同時,為了使套管的頂進(jìn)可控,必須通過力學(xué)分析,找出套管頂進(jìn)的規(guī)律,調(diào)整頂進(jìn)的初始角度使套管到達(dá)預(yù)定位置。通過統(tǒng)計、分析套管頂進(jìn)角度的變化,建立了模擬套管頂進(jìn)路徑的數(shù)學(xué)模型,并擬出了套管在卵石層中的行進(jìn)曲線(圖2、圖3)。根據(jù)該曲線調(diào)整頂進(jìn)的初始角度,可以使卵石中的穿越曲線與卵石層外巖石中的穿越曲線平滑銜接,最終保障管道的順利回拖。以黃河北岸頂管施工為例,套管頂進(jìn)路徑的建模過程為:根據(jù)試頂套管后已知的軌跡,繪制樣條曲線(圖4);在軌跡比較平滑的地方選擇特征點(diǎn),求出該點(diǎn)的斜率;分析管道在卵石層中穿越的物理特征,建立頂管曲線數(shù)學(xué)模型。頂管段“上漂”是由頂進(jìn)端受上方塌落到底部卵石的反作用力造成的,因此頂進(jìn)端鋼管可簡化為受均質(zhì)反力后純彎曲的梁(圖5)。設(shè)頂進(jìn)端鋼管長度為x,取頂進(jìn)端套管中的dx微段進(jìn)行受力分析得:式中:Q為鋼管受到的均質(zhì)反力,N。根據(jù)撓度公式,鋼管的形變可以表示為:由式(1)、式(2)得:式中:Q、E、IZ均為常數(shù)。設(shè)k=Q/2EIZ,對式(3)積分,并將各項(xiàng)常數(shù)替換整理后,可得:式中:y為相對地面的深度,m;a、b、c、d為系數(shù)。由圖4取多組特征點(diǎn)代入式(4),聯(lián)立方程組求解,得到試頂套管的曲線方程:根據(jù)式(5)預(yù)測,試頂套管在穿透卵石層之前,管頭角度將漸變?yōu)?°,無法穿透卵石層。由于套管的參數(shù)和施工地點(diǎn)均不變,高度的初始值均為0,因此將管頭調(diào)整到合適的角度即可穿透卵石層。由材料力學(xué)理論可知,曲線的轉(zhuǎn)角θ=dy/dx,則由式(4)得:當(dāng)卵石層起始點(diǎn)x=0時,c=θ。根據(jù)洛陽-駐馬店成品油管道黃河定向鉆穿越工程的實(shí)際情況,取c=0.40,即將θ=23°作為頂管的最佳入土角。經(jīng)過工程實(shí)踐驗(yàn)證,采用23°(管頭傾角為67°)作為入土角頂管后,套管在穿透卵石層后的管頭傾角為73°,與入土管頭傾角的變化量為6°(表1),與預(yù)測曲線吻合。通過對卵石層施工過程的分析發(fā)現(xiàn),套管頂進(jìn)過程中的頂推力應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)。這是由于當(dāng)在管口下方遇到粒徑大的卵石或漂石時,由于巖石與管口接觸少,雖然套管在較大頂推力作用下可以繼續(xù)頂進(jìn),但較大的卵石或漂石會對管壁產(chǎn)生向上的托力,使得套管在后續(xù)的頂進(jìn)過程中,發(fā)生大幅度的“上漂”,從而造成頂管的失敗。根據(jù)該工程實(shí)際的頂進(jìn)情況,并結(jié)合之前掏出卵石粒徑的力學(xué)分析,頂推力應(yīng)控制在200t以內(nèi)。如果頂推力達(dá)到200t仍未頂進(jìn)時,則應(yīng)采用絞龍或?qū)Ｓ勉@具對阻擋頂進(jìn)的巖體進(jìn)行粉碎或局部粉碎后,再進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè)。3主鉆機(jī)導(dǎo)向孔對接由于穿越工程的出、入土段均存在卵石層,因此穿越前需要安裝套管對卵石層進(jìn)行隔離。由于定向鉆的導(dǎo)向系統(tǒng)是靠地磁來確定穿越方向的,而鋼質(zhì)套管對其周圍地磁場影響非常大,因此鉆頭在接近出土段的套管時,導(dǎo)向系統(tǒng)無法正確導(dǎo)向,致使鉆頭很難從出土段的套管內(nèi)鉆出。鑒于此,必須在遠(yuǎn)離套管口的巖石層內(nèi)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向孔對接,使主鉆頭沿輔助鉆頭鉆出的導(dǎo)向孔前進(jìn),這樣可以使鉆頭從出土段的套管內(nèi)鉆出。巖石層內(nèi)對接導(dǎo)向孔的技術(shù)難度,在于導(dǎo)向孔對接定位系統(tǒng)的研制。在巖石層中,導(dǎo)向孔一經(jīng)鉆出,即無法進(jìn)行修正,如果導(dǎo)向孔超出設(shè)計要求,只能重新鉆孔。不僅如此,如果對接時主鉆的導(dǎo)向孔與輔助鉆的導(dǎo)向孔夾角過大,可能導(dǎo)致管道回拖時在對接處遇阻,導(dǎo)致整個工程失敗。因此,對接導(dǎo)向孔的夾角必須控制在允許范圍內(nèi)。導(dǎo)向孔對接施工過程為:在主鉆機(jī)鉆頭中安裝對接導(dǎo)向系統(tǒng)的信號發(fā)射裝置,從入土點(diǎn)開始鉆進(jìn),在輔助鉆機(jī)的鉆頭中安裝信號接收裝置,從出土點(diǎn)開始鉆進(jìn)。鉆導(dǎo)向孔時,在管道穿越沿線適當(dāng)?shù)奈恢貌荚O(shè)強(qiáng)磁場線圈,以保證鉆孔精度。當(dāng)兩鉆頭分別鉆進(jìn)至預(yù)設(shè)對接區(qū)域后,開啟對接導(dǎo)向系統(tǒng),主鉆機(jī)鉆頭發(fā)射信號,輔助鉆機(jī)鉆頭接收信號?；趯π盘柕奶幚?、分析,計算兩鉆頭的相對位置,由對接程序計算主輔鉆機(jī)鉆頭的行進(jìn)軌跡,并將數(shù)據(jù)發(fā)送給控向員和司鉆手,司鉆手根據(jù)計算結(jié)果向前調(diào)向鉆進(jìn),同時,不斷監(jiān)控和修正實(shí)際的鉆進(jìn)位置,最終按照預(yù)定軌跡實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向孔的對接(圖6、圖7)。4頂管鉆機(jī)的工作原理針對洛陽-駐馬店成品油管道黃河定向鉆穿越工程中套管頂進(jìn)的特殊情況,以普通頂管機(jī)及其相關(guān)施工工藝原理為基本設(shè)計依據(jù),研制了DG-800型頂管鉆機(jī)(圖8),專用于解決卵石層定向鉆穿越問題。DG-800型頂管機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括:底座,將頂管機(jī)與基礎(chǔ)相連接,使之能夠承受較大的頂推力和鉆進(jìn)扭矩;滑軌,頂推和回轉(zhuǎn)驅(qū)動的軌道,頂推力全部作用在滑軌上,通過滑軌傳至底座,具有角度調(diào)整功能,以適應(yīng)不同的入土角度;頂推驅(qū)動,由主頂油缸、后靠背及推力箱組成;液壓動力和控制系統(tǒng),可控制設(shè)備各部分的動作,為油缸提供動力。DG-800型頂管機(jī)的額定頂推力為800t,工作角度為-30°~30°,單步最大頂進(jìn)距離為1.75m,單工作循環(huán)頂進(jìn)距離為6m,液壓系統(tǒng)的功率為85kW,額定流量為195L/min,額定壓力為35MPa。套管的最大安裝長度超過200