在电力、网络通信等高密度聚乙烯 (high density polyethylene, 简称HDPE) 管道敷设工程中, 当需要穿越铁路、公路、高速公路、河流河涌、城市道路等不具备开挖条件的场地时, 往往采用水平定向钻进 (horizontal directional drilling, 简称HDD) 技术进行非开挖敷设, 如图1所示。

由于珠三角地区地质条件复杂多变, 第四系地层含砂量较大, 密实度较差, 在进行非开挖水平定向钻进敷管施工时, 钻孔孔壁的稳定性是十分关键的。一个低质量的钻孔可能导致拖管时回拖阻力异常增大, 如在砂 (砾) 层施工时, 钻孔常常出现孔壁坍塌或掉砾, 拖管时管道被卡死或抱死, 回拖阻力非常大, 并超出设备的回拖能力。此种情况俗称为“卡管”或“抱管”事故。一旦事故处理不成功, 钻孔内的钻杆、回扩钻头和已经拖入孔内的管道将全部被埋于地下, 导致钻孔报废, 工程失败重新施工。

除了工期延误和施工单位声誉受损外, 经济损失往往也是十分巨大的。如深圳市深南大道通信管道顶管工程, 铺设30125PE管, 跨沙河西路及大沙河, 穿越长度为240m, 施工场地狭窄, 地下管线较复杂。采用DW2720水平定向钻机施工, 最大回拖力130k N、最大扭矩4 500N·m。当拖管至120m时, 在砂层中出现卡管事故, 若采用传统方法, 150m的钻杆和30×120m的管材被埋于地下, 加上导向孔、扩孔等钻孔施工成本以及工程失败后重新施工的费用, 直接损失高达150万元以上。寻找一种技术可行、施工安全、高效快速和造价低廉的卡管事故处理方法迫在眉睫。

1) 采用偏心切割断管法将各被卡管道切断, 即在出钻端, 利用原有施工设备 (水平定向钻机) , 将偏心切刀沿管道内壁送至卡钻处, 通过高速旋转偏心切刀, 对管道内壁进行切割, 直至管道被切断, 从而使管道与钻杆、回扩钻头和拖管头分离。

2) 原孔再生技术继续完成工: (1) 管材回收再用

各管道被切断后, 从出钻端拖出来, 这些管材可以回收并重新焊接利用, 无需废弃造成浪费, 节省了宝贵的管材资源; (2) 钻孔修复再生原来钻孔也不会报废, 可以对原钻孔进行清孔、扫孔修复, 重新再拖管, 避免重新选址钻孔, 节省了有限的地下空间资源, 挽回了工期的损失, 工程质量得到保证。

本技术通常适用于采用高密度聚乙烯管材 (HDPE) 的单管孔或多管孔的水平定向钻进敷管工程项目;当钢管作为管材时, 则采用硬质合金或金刚石切刀, 该技术同样适用。

采用专门的偏心切刀, 从出钻端各被卡管道内深入至拖管头部位, 切断被卡的管道, 使该管道与拖管钻具 (钻杆和回扩钻头) 分离, 以降低拖管阻力;待所有管道全部被切断后, 再分别从出钻端和入钻端拉出钻具和管道, 并对原钻孔进行扫孔、重新拖管, 完成工程施工。具体来说, 当出现卡管事故后, 由于钻孔内地层产生的回拖阻力超出了钻机的最大回拖力, 致使钻机无法继续进行拖管。而将管道切断后, 回拖阻力则一分为二:钻杆、回扩钻头和拖管头部分, 可以在钻机动力的带动下, 继续使用回扩钻头进行扩孔, 一边扩孔一边从入钻端拉出全部钻具;而被卡的管道, 则利用钻机从出钻端反向拉出。由于是每条管道分散依次拉 (抽) 出, 地层的摩阻力也不大, 均在钻机能力范围内。

当钻杆不旋转时, 由于切刀外径小于管道内径, 切刀可以在管道内顺利进退 (此时钻杆并不处于管道轴心位置) ;当钻杆旋转时, 切刀在离心力的作用下, 以钻杆为轴线进行旋转运动, 旋转半径为切刀高度, 刀刃的运动轨迹理论上为2倍旋转半径, 大于管道内径。因此, 刀刃旋转时将紧贴在管道内侧壁, 在接触压力作用下对管道内壁进行切割, 并最终切断管道。转速越快, 刀的离心力越大, 刀刃接触压力也越大, 切割速度也越快。

本技术施工步骤如下:

1) 当发生卡管事故后, 先将钻机与钻杆分离, 并将钻机从入钻端移至出钻端。

2) 在钻杆的前端安装1把切刀。

3) 选定1条拟切断的被卡管道, 利用钻机将钻杆送入该管道内。

4) 当切刀到达拖管头附近时, 旋转钻杆和切刀, 将该条管道切断, 使之与拖管头和钻杆分离。

5) 将钻杆和切刀从该管道内退出。

6) 重复步骤2) 至步骤5) , 直至所有被卡管道均被切断。

7) 利用钻机动力, 将所有被切断的管道依次从钻孔中拉出。

8) 将钻机移回入钻端, 将所有钻杆连同回扩钻头、拖管头从钻孔中拉出。

9) 清理钻孔, 在原钻孔内重新进行拖管施工, 事故处理完毕。

利用钻机钻杆将1把偏心切刀送入被卡死的管道内, 当切刀到达拖管头附近位置后, 通过旋转偏心切刀, 将此根被卡的管道切断, 使之与拖管头分离;如此反复多次, 直至多管孔工程中所有被卡的管道均被切断;然后分别从出钻端和入钻端将被卡的管道和钻具从钻孔内拉出, 并重新进行扫孔和拖管, 完成卡管事故处理。如图2所示。

场地勘察包括地下管线勘测和地质勘察。地下管线勘测的主要目的是查明拟敷设管道计划路由周边范围内已有的地下管线分布情况 (包括平面走向、埋深) 以及地下构筑物和地面建筑物基础等障碍物分布情况, 绘制现状图。施工难度大的重要工程还需进行工程地质勘察, 其主要目的是查明管道计划路由沿线的工程地质条件, 选定管道通过的理想地层, 为施工做好准备。

需要注意的是, 相关单位提供的地下管线和构筑物标高、尺寸和图纸等资料, 由于时间久远或地形地貌变化等原因, 未必准确, 仅供参考, 施工时应以实际勘测结果为准。必要时, 可以进行岩芯钻取, 进行详细地质勘测;对于地下障碍物, 也可使用地质雷达进行扫描。

根据周边环境和地质条件, 初步设计管道路由 (钻孔轨迹) , 并用经纬仪在地面沿管道平面走向上每隔1m设置1个标记, 在标高突变处增设标记, 测出标记点标高及标记点距基准点之间的距离。

使用地下管线探测仪测量出已有管线在待铺管道路由处的实际标高, 与初步设计进行比较, 核实是否安全, 待铺管道与各既有地下管线的安全间距均应符合相关规定要求。据此确定待铺管道设计深度, 从而确定最终的管道路由 (钻孔轨迹) , 绘制出铺管路由剖面如图3所示。

根据钻孔设计轨迹, 结合现场实际情况, 选定入土点, 调整好钻机入土角度, 使钻机准确就位, 并用地锚将钻机固定。同时将导向系统、泥浆系统、管道对接设备安装完成后, 统一进行调试、检查、测试, 确保设备安全运行。导向系统中的探棒装入探棒盒后, 应进行现场标定、校准, 之后再将导向钻头连接到钻杆上, 转动钻杆测试探棒发射信号是否正常。

工作坑分别位于钻孔两端, 位于钻机处称为入钻坑, 其对面称为出钻坑。工作坑一般尺寸为2m (长) ×1m (宽) ×0.8m (深) 。

根据设计钻孔轨迹, 采用水平定向钻机进行导向孔施工。施工时对管道轴线及钻机就位情况进行校准, 检查无误后方能开始钻进施工, 回转钻进2m后方可开始按照设计轨迹进行穿越。施工中使用导向仪全程、实时监视钻头的倾角、深度和左右偏差, 及时调整, 保证孔位准确可控。导向孔完成后经检查合格后方可进行扩孔。

在导向孔施工时应及时向孔内注入泥浆 (冲洗液) , 以切削地层、保护钻孔孔壁、冷却导向钻头。尤其是钻头体内安装有电子探棒, 如不及时冷却, 高温将烧毁探棒, 导致导向失灵。在导向孔的造斜段施工时, 孔内钻杆存在较大的摩阻力, 可以在泥浆中添加适量的润滑剂, 降低孔壁的摩擦系数, 从而防止钻具粘卡。

导向孔施工完毕后, 在出钻端地面拆除钻杆最前端的导向钻头, 并换装扩孔钻头 (亦称回扩头、回扩器) , 利用钻机动力, 在旋转钻进的同时回拉钻杆, 从而实现导向钻孔的反向扩孔。

1) 分级扩孔根据地层条件和钻机动力情况, 对导向孔进行分级多次扩孔。扩孔时, 一般从小到大逐级进行扩孔;对于淤泥等较软的地层, 若钻机能力容许, 可以跳级进行扩孔;对于密实黏性土或砂土层, 同一级别的孔也可以多次扩孔。

2) 冲洗液 (泥浆) 在扩孔施工时应根据地质条件及时向孔内注入泥浆 (冲洗液) 。泥浆的作用有4个: (1) 破碎地层泥浆通过泥浆泵和钻杆输入孔内, 从扩孔钻头的水口冒出, 高压的泥浆射流可以对孔内地层进行切削; (2) 护壁泥浆在钻孔周边形成一定厚度的泥皮, 可以保护孔壁, 防止塌孔; (3) 排渣高速射入孔内的泥浆可以携带大量的泥沙源源不断地排出孔内; (4) 冷却钻头扩孔钻头在孔内高速旋转并切削地层, 产生大量的热能, 烧毁钻头上的硬质合金切刀, 严重情况下可以将钻头和地层土体烧结在一起, 造成“糊钻”或“烧钻”事故。扩孔中应采用优质膨润土及化学泥浆做冲洗液 (泥浆) , 以确保钻孔不出现抱钻、塌孔和卡钻等现象。

扩孔成功的关键在于如何防止孔内地层塌方, 应根据不同的地质条件采用不同配方的泥浆, 有时需加适量大分子聚合物及一些多功能处理剂, 增加泥浆的黏度、降低泥浆的失水 (通常密度1.02~1.05g/cm³, 黏度45~55s、失水10m L) , 以利于更好保护孔壁, 提高泥浆在孔洞中的悬浮携带能力。

3) 扩孔钻头一般应进行系列化配置, 如直径可设定为250, 350, 450, 550, 650mm。

不同地层所采用的扩孔钻头类型也不同, 可参照表1选用。

4) 钻孔最终扩孔直径应满足拖管要求, 如图4所示, 即确保扩孔直径大于该钻孔内拟敷设的多管孔管道的外包络直径, 并留有安全余地, 经验数据如表2所示。

一般来说, 根据水平定向钻进施工工艺, 当钻孔扩孔完毕后, 将事先焊接成形的每条待铺管道分别安装上拖管头, 并将所有拖管头 (用钢丝绳) 集中连接在回扩钻头之后, 通过钻杆回拉, 一次性将全部管道拖入钻孔内, 从而完成该钻孔的管道敷设。当管数较多时, 可将管道分为若干组, 每组管道分别施工1个钻孔, 各钻孔的管数均在钻机能力范围内一次性完成拖管。

1) 当发生卡管事故后, 如图5所示, 先将钻机与钻杆分离, 并将钻机从入钻端移至出钻端。

2) 在钻杆的前端安装1把切刀。切刀为偏心刀, 其形状为“┓”形或“〈”形, 如图6所示。切刀外径一般小于管道内径15~20mm, 以便于切刀在管内顺利进退。切刀一般为钢质, 并根据需要, 刀刃上可以镶焊硬质合金或金刚石。当待切的管道为聚乙烯管道时, 采用钢质切刀即可;当待切的管道为钢管时, 钢质刀刃须镶焊硬质合金或金刚石, 以确保切刀具有良好的切割工作性能。为防止切刀前进时变形, 切刀与钻杆轴线的夹角一般≥90°。

3) 选定1条拟切断的被卡管道, 利用钻机动力将带切刀的钻杆送入该管道内。

4) 当切刀到达拖管头附近时, 旋转钻杆和切刀, 通过偏心切割原理将该条管道切断, 使之与拖管头、回扩钻头和钻杆分离, 如图7, 8所示;管道的切断点距离拖管头一般为0.5~1.0m。切断点应尽可能靠近拖管头, 以缩短拖管头后附带的残留管道长度, 尽量降低回拖阻力。

5) 将钻杆和切刀从该管道内退出。

6) 重复步骤2) ~5) , 直至所有被卡管道均被切断。

7) 利用钻机动力, 从出钻端将所有被切断的管道依次从钻孔中拉出, 如图9所示。每次从钻孔内拉出的管道数一般为1~2孔。为安全起见, 一般情况下每次宜拉出1孔管, 在管道长度较短、回拖阻力较小时, 可以考虑拉2孔。

8) 将钻机移回入钻端, 将所有钻杆连同回扩钻头、拖管头从钻孔中拉出, 如图10所示。

9) 清理钻孔, 在原钻孔内进行扫孔、重新进行拖管施工, 至此, 事故处理完毕。

拖管完毕后, 清理现场并撤出所用施工设备, 恢复场地的地形地貌。

工程实践证明, 切割式再生型水平定向钻进卡管事故处理技术施工成本低、设备简单、施工精度高、施工周期短, 技术上优势明显, 节省了有限的地下空间资源, 为非开挖工程的施工提供了成功的案例, 具有广阔的应用前景。