水平定向钻环空泥浆改良施工技术及评价r——以焦作供水博爱线为例

爱线为例

张官珍;陈泽军;李鹏;王国栋;董保军

【摘 要】河南省焦作市供水博爱线在与南水北调中线总干渠交叉处采取水平定向钻穿越的施工方式,为了确保总干渠输水的安全,采取了多项技术保障措施.具体阐述了泥浆置换方案比选、灌浆管预埋施工、置换泥浆配比选择、环空泥浆改良性能评价等方面需注意的问题,并提出了大孔径水平定向钻环空泥浆置换改良施工技术、评价以及优化改进建议.相关经验可供类似工程借鉴. 【期刊名称】《人民长江》 【年(卷),期】2017(048)021 【总页数】4页(P92-95)

【关键词】环空泥浆;水平定向钻;泥浆置换;大孔径;穿越工程 【作 者】张官珍;陈泽军;李鹏;王国栋;董保军

【作者单位】河南省河川工程监理有限公司,河南郑州450016;河南水建集团有限公司,河南郑州450003;河南省水利水电工程建设质量监测监督站,河南 郑州450003;河南省河川工程监理有限公司,河南郑州450016;焦作市南水北调工程建设管理局,河南 焦作454150 【正文语种】中 文 【中图分类】TV543

近年来，定向钻穿越引发的坍塌坑、地面沉陷和管涌环境地质问题日益受到关注,某工程当管道回拖完成后十多天,在入土点附近的管道两侧产生纵向裂缝,经排查认定定向钻管道环空泥浆处置不当是产生地质危害的主要诱因[1-2]。以前定向钻穿越工程大多为小口径,而近年来大口径水平定向钻穿越技术应用越来越普遍,由此引发的地质危害预防逐步引起重视。对于水平定向钻穿越工程，国家尚未颁布相关质量验收标准,仅有行业协会和地方标准可供借鉴[3-4],关于环空泥浆仅有置换要求,而施工工法、置换使用材料、置换率数值范围等均无标准依据。随着社会的发展,采用大孔径定向钻穿越方式进行江、河交叉的管道工程埋设不可避免,环空泥浆处置方式直接关系到交叉部位的运行管理安全。河南省焦作市博爱供水管道与南水北调中线总干渠工程交叉处采用水平定向钻穿越方式施工,工程建设期间开展了一些模拟试验,对环空部位灌浆管预埋施工技术,置换浆液配比、环空泥浆置换改良性能评价等进行了总结。

焦作市博爱供水管道穿越工程设计曲率半径为1 560 m,管道水平投影长556.34 m,入土角8°,出土角6°。穿越段两端出、入土点均在总干渠一级水源保护区范围之外,穿越管道最低点距离总干渠渠底13.5 m,距地面埋深约21 m,管道设计压力1.16 MPa。钢管管径1 000 mm,壁厚20 mm,管材等级为X70,采用加强级外防腐涂层,液体环氧喷涂内防腐层。场区为黏、砂多层地质结构,中上层为全新统重粉质壤土和细砂土层,重粉质壤土为中等压缩性中硬土层,下层为中更新统重粉质壤土层,地下水位埋深6.9～9 m。下部土层含钙质结核和砂砾石透镜体,砂层中含钙质胶结薄层等。

水平定向钻进是指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,是非开挖技术之一。焦作市博爱供水管道穿越南水北调总干渠线路较长,相比上部架空穿越方式,水平定向钻穿越具有穿越精度高、不破坏地貌和环境、自然防腐等优点。

具体步骤是首先施工导向孔,然后经过6次扩孔,中间根据现场需要进行2次清孔,在第3次扩孔时采用刀式+桶式钻头,其他扩孔均采用桶式钻头,首次钻头直径为0.5 m,然后按照0.2 m量级递增,扩孔后的直径为1.5 D,即1.5 m。由于钻头在钻进过程中受重力作用影响,成孔形状不是规则的圆形,而是在每次扩孔时层层下坠,最终接近上窄下宽长圆形状。成孔形状与其他工程中情况类似,成孔尺寸横纵比不大于1∶3[5-6]。相同地质条件下,该工程分级扩孔时采用桶式扩孔器要比刀式成孔更接近环形,实际开挖后孔道形状见图1。成孔后管道回拖前,两端采用钢板焊接封闭,回拖过程中未采用配重降浮措施。完成后的管道理论上处于紧贴孔洞上部漂浮状态,周边泥浆包裹[7]。

泥浆置换施工方案可分为地面钻孔灌浆和预埋管灌浆两种,上部灌浆即在定向钻穿越工程拖管施工完成后,从地面向下钻孔加压灌浆,用水泥胶凝材料浆液替换膨润土泥浆,此方案投资较大,交叉施工影响小,对钻孔定位要求较高,钻进时易损坏钢管防腐层。

孔内加压灌浆又分为拔管法和非拔管法。灌浆管随管道拖拉预埋到指定位置,然后在孔道两侧或一侧进行灌浆,其优点是施工成本相对较低,但施工影响因素多,一旦灌浆管损坏则无法补救,灌浆管的固定是难点。最先拟将两根PE管随涂塑钢管拖拉进去,每根管道在中间封堵分割,然后在总干渠渠道范围内由低到高布设4个出浆口,而后两端注浆。因为顾虑到拖管过程中管道旋转可能引起灌浆管旋钮破坏,最后确定采取3根PE管,前端分别用不同长度的钢丝绳牵引固定,实际效果较好,管道与回拖钻头之间虽设有万向节调节,但是整个过程中仍有不到一周的旋转。

水泥注浆材料作为注浆工程中的常用材料,应用广泛,但这种浆液易离析和沉淀,稳定性较差。实践中把石膏、粉煤灰等作为新的注浆材料掺入,可以有效克服水泥浆液缺点。石膏作为水泥调凝剂,起缓凝效果,适量石膏可改善水泥性能,如强度、收缩性能和抗腐蚀性能等;粉煤灰可以代替砂作为填充物,有利于浆液结石体强度的提高,减

小收缩性,缺点是活性较低、胶结特性差,所以选择掺加石膏、粉煤灰两种类型进行水泥胶凝材料浆液配比设计,参照已有配比设计，粉煤灰∶水泥∶水=1∶2∶1.5,粉煤灰∶水泥∶石膏=87.5%∶10%∶2.5%[8-9]。置换浆液配比试验选取3个种类,掺加水泥净浆、水泥/粉煤灰和水泥/粉煤灰/石膏浆液,调整不同的胶凝材料掺量进行试验比选(见表1)。

从表1可看出，选择置换材料宜比重大,稠度适中(为便于比较,采用泥浆稠度仪),并具有合理的初凝时间,推荐配比为粉煤灰∶水泥∶水=36%∶28%∶36%,备用配比为水泥∶水=60%∶40%。

施工程序包括注浆管安装、浆液配置、压浆置换、压浆设备采用高压注浆泵,布置在出钻点一侧,置换浆料采用粉煤灰、水泥混合料配制而成,掺和料比重1.7 g/cm3,稠度为48～56 s。 5.1 注浆管安装

工程注浆管采用直径48 mm,壁厚4.5 mm的PE管,设置注浆管3道,距入钻点分别为220，280 m和340 m,3道出口均位于总干渠渠底附近(见图2)。

置换灌浆与其他压力灌浆不同,存在较大截面贯通性通道,所以选择设置一个出浆口,另设两条备用。每道注浆管在出口端长度1 m范围内布设梅花形孔洞,直径为5 mm。注浆管前端与钢丝绳相连,固定在回拖头分动器上,回拖时同主管道一同拉入孔内。涂塑钢管回拖至设计位置后,在出钻点将PE管与压浆设备连接。 5.2 孔道压浆

涂塑钢管回拖完成后,立即由最低孔位开始压浆。压浆时控制泥浆泵最大压力不超过1 MPa,压浆过程中如压力突然升高,应立即停止压浆，采取措施补救。实际注浆压力为0.4 MPa,施工过程比较顺畅。压浆时需密切注意出、入钻点泥浆上翻情况,如泥浆从单侧流出,可将该侧封堵直至另一侧流出原浆,作为灌浆结束的必要条件。为避免压力过大冒浆,施工过程中对南水北调总干渠进行沉降、孔隙水压力监测。

环空泥浆置换改良之后,孔道内管道仍处于漂浮状态。为使完工后的管道与实际承压运行工况一致,需要在管道两侧混凝土镇墩浇筑固定之前,水泥浆凝固后,将涂塑钢管内充满水,通过重力作用将管子就位。然后开挖入、出土侧截渗环基坑,测量安装管道的高程与轴线位置,对偏差进行调整,最后回填截渗环,浇筑两侧混凝土镇墩。 7.1 实际与理论注浆量比较 注浆量估算公式为

式中,Q为注浆量，m3；D为终孔直径，m；D0为管道外径，m；L为加固区域钻孔长度，m；α为可填充比,取值受土体系数α1、超挖系数α2、压密系数超挖系数α3、施工损耗系数α4影响。经计算，得出孔道环空部位估算灌浆量为759 m3。

在出、入口侧均冒出原浆,检测比重、粘度与置换浆液一致时停止了灌浆。实际灌浆量140 m3,环空泥浆置换率为18.4%,置换范围符合晁东辉提出的泥浆置换试验成果[8]。分析置换率较低原因有:拖管之后施工停歇间隔较长(24 h以上),压浆时孔内泥浆沉淀,管道上部存在半封闭空间。由于现场地质条件和受力工况不一致,为了完成对泥浆置换改良效果的评价,开展了相关试验及观测项目。 7.2 环空混合泥浆模拟试验

由于预埋的压浆出浆口位置集中于一点,所以改良后的环空部位浆液状态包括全部置换、部分置换、未置换(下部沉淀层)。通过在室内试验室分别配制不同浆液比,观测不同时间间隔的浆液体积变化和混合体强度,判断孔内浆液物理状态。

取拖管前环空纯泥浆1组，将pH值为7～9、比重约1.3 g/cm3、粘度55 s的原浆分别倒入尺寸7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的试件中,待浆液沉淀24 h,与实际施工时间间隔一致后,模拟孔内不同置换率情况下浆液性能。在漏斗中加入不同比例的置换浆液：① 25%掺量比(泥浆∶水泥胶凝浆液)。从浆液沉淀层1/3处用漏斗加入(取1组),泥浆与灰浆充分搅拌(取2组);② 50%掺量比,从浆液沉淀层1/3处用

漏斗加入(取1组),泥浆与灰浆充分搅拌(取2组);③ 75%掺量比,从浆液沉淀层1/3处用漏斗加入(取1组),泥浆与灰浆充分搅拌(取2组);④ 水泥胶凝材料浆液,取2组,每组3个试样,共12组,36个试样。

试验观测2，4，8，12，24 h浆液变化情况,检测7，14，28 d试件强度。试验观察浆液体积收缩不明显,7 d观察混合试件未固结,14 d时发生固结,不同掺量混合浆液固结时间基本无差异;28 d抗压强度约1.5 MPa，表明环空部位泥浆与水泥浆混合后得到了改良。试验也验证了图3环空部位土体改良后的结果,涂塑钢管中、上部土体已固结,与周围外观观察分界不明显;管道下部泥浆沉淀,基本未与水泥浆液混合,未经充分改良的环空部位土体呈淤泥状。 7.3 施工后的观察及量测

(1) 挖出孔道切面,观察泥浆置换效果、成孔形状(如图3)。入、出土口开挖是在定向钻环空部位灌浆完成后48 d进行,入口点挖深约3.5 m,出口点约4 m,观察泥浆置换效果发现：入、出口管底120°范围土质均呈淤泥状,两侧与周围土体外观无明显差异,出口管顶上部小范围土质较软。通过观察可以看出,由于浮力作用影响，涂塑钢管灌浆前紧贴孔道上部,环空部位被分割成两部分,上面小下面大,泥浆置换后钢管以下部位土质基本无改良,仍呈淤泥状。

(2) 为了让安装的管道与运行工况一致,在与两侧管道连接之前对管内进行充水。在定向钻管道两侧外露部位设置固定观测点,测量管内充水前后位置变化情况。经过水泥胶凝材料置换,环状填充物应具有一定强度,置换效果越好,充水前后观测点位置变化应越小。充水前后实际测量入、出土点之间距离分别为535.653 m和535.648 m,距离变短0.005 m;入土点高程下沉0.021 m, 出土点高程下沉0.027 m,现场观测出口断面管道上部有轻微裂纹。实测数据变化较小,说明泥浆置换改良发挥了作用,基本达到了目的。

(3) 从埋设的沉降标点、渗压计等监测仪器读取的数据分析判断,穿越工程对南水北

调总干渠正常运行影响较小,总干渠处于稳定状态。

(1) 在管道回拖完成后压浆应立即进行,减少浆液沉淀的影响;浆液改良后管道中上部土体状况明显改善,管道下部泥浆改良效果较差,可在两端镇墩固定之前,按运行工况状态充水压载,让管道就位后再固定;通过在入、出土口设置截渗环截断渗流通道可有效防止管涌,截渗环尺寸不宜小于孔径的4倍。

(2) 实践证明采用非拔管的孔内灌浆方法施工工艺简单可行,采用PE管比采用钢管、硅芯管更经济适用;为了提高环空部位的泥浆置换率,孔道压浆宜拖管结束后立即进行,出浆口宜设在偏向入土点侧。

(3) 泥浆置换率在18%时,更大的作用是对孔内泥浆予以改良,通过压浆将环空泥浆沉淀离析出的水挤出,对部分泥浆掺混改良。通过事后变形量测、仪器监测,以入、出土点两端均冒出原浆,检测比重、粘度与置换浆液接近时作为压浆结束标准。 (4) 置换浆液配比应首先选择水泥净浆试压,然后随即压进水泥胶凝材料浆液。为提高置换率,可直接使用水泥砂浆进行置换,重要区段采用边回拖边注浆的方式进行,上述措施需施工实践进一步验证。

(5) 在水平定向钻管道设计时,宜考虑预留必要的工作长度。定向钻管道一次性准确定位较难,回拖完成后位置纠偏难以避免,应预留必要的工作长度,有利于涂塑钢管回拖完成后剩余钻杆和万向轮施工设备构件及时拆除。

【相关文献】

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