非开挖定向钻进施工钻进液配比优化控制分析

卢国庆 佟 川

(中交一公局厦门工程有限公司 福建厦门 361021)

0 引言

非开挖定向钻进拉管技术采用导向钻机安装管道，是一种非开挖地面就能在地下快速铺装管道的施工技术。该技术能大大地减少现状路面的破除及恢复，同时省去了基坑支护措施费。钻进速度快，安全环保，施工成本低。但由于孔与管之间存在孔隙率，在施工完成后经过行车荷载，路面容易出现开裂下沉等现象。本文结合同集路提升改造工程项目现场实践，通过优化钻进液材料配比加强土体板结，可有效规避这类质量通病。

1 工程概况

同集路提升改造标段二，该工程位于厦门市同集路上，起点(桩号K3+705.0)，位于同集路与林瑤路交汇处，终点(桩号K14+040.0)，位于同集路TDK电子有限公司处。路线全长10.335km，其中污水管长度1 865m，均采用定向钻进施工拉管工艺。

2 非定向水平钻进施工工艺

2.1 施工工艺流程图(图1)

图1 施工工艺流程图

2.2 非定向水平钻进施工基本原理

非定向水平钻进施工工艺流程：地质勘察及管线探查→轨道设计→导向孔施工→根据地质情况选择扩孔钻头进行扩孔施工→回拖管线→地貌恢复。施工时利用工作井位置上的钻机，随钻测量仪以及钻具，沿预先设计的轨迹进行导向孔施工，然后根据地质情况选择扩孔钻头逐级扩孔，扩孔终孔孔径约为生产管的直径的1．2～1．5倍，钻孔扩孔直径扩大到满足拉管要求口径，最后将管线回拖到位，从而实现不开挖拉管施工[1]。

3 施工重点工序介绍

3.1 扩孔钻头的选择

由于该项目污水施工位于厦门市同集路上，管道所处位置地质情况为回填土或粘性土，故参考表1选用切削型扩孔钻头进行扩孔施工[2]。

表1 扩孔钻头适用的地层

3.2 管径和终孔孔径的关系

根据《水平定向钻进管线铺设工程技术规范》DBJ13-102-2008要求非定向水平钻进扩孔施工终孔孔径应为设计铺设管径的1.2～1.5倍，终孔孔径具体参照表2选用[3]。

表2 管径与终孔孔径的关系

4 施工过程中出现的问题

4.1 出现的问题

该项目污水管施工试验段K10+280-K10+380采用非开挖水平定向钻进施工，完成后开放行车通行，经过一段时间的行车荷载，在管位处出现路面开裂、下沉现象，如图2所示。下沉深度为5cm～10cm。

图2优化前路面开裂下沉

4.2 原因分析

该段污水管管径为D600，非开挖定向水平钻进技术在进行扩孔这道工序的时候，按照表2管径与终孔孔径的关系，扩孔系数为D×(1.2-1.5)，孔径平均比管径大12cm～30cm。而污水管管材采用PE管，管身自重较大，在拉管完成后，管身因自重自然下沉至孔底，从而导致孔顶标高和管顶标高差值为最大值，也就是12cm～30cm。该段污水管进行非开挖水平定向钻进施工时的钻进液采用普通黏土制造泥浆。但随着时间流逝，泥浆水份蒸发干缩造成孔隙率过大且泥浆自身强度较小，无法满足行车荷载要求。因此，在经过一段时间的行车荷载和振动后，地基出现塌陷，从而导致路面开裂下沉。

5 解决措施

5.1 钻进液的粘度控制

在非开挖水平定向钻进技术进行钻进施工时，钻进液选择的合理性，直接关系到钻进施工钻头的冷却、润滑，同时使钻屑携带至地表便于清理。另外，采用合理配比的钻进液可以在钻孔壁上形成一层稳定的泥浆护壁，有效防止在钻进过程中出现塌孔现象。因此，钻进液材料选用合理与否直接关系到非开挖水平定向钻进施工是否成功。钻进液的粘度可参照表3选用[3]。

表3 钻进液粘度表[3]

注：泥浆PH值控制在8～10。

5.2 钻进液的材料选择

目前，非开挖水平定向钻进施工中常用的钻进液材料除普通黏土外还有膨润土[4]。膨润土是一种天然材料，遇水膨胀是它的主要特性之一。当水进入膨润土结构时，可是膨润土分子之间间距放大2倍以上，这个特性可以很好地解决在拉管施工完成后孔隙率的问题。另外，膨润土的流变性是它的另一个主要特征，它随着搅拌和静止而出现胶状液体和胶凝状两种状态。胶状液体状膨润土在钻进过程中可以使钻头得到有效的冷却和润滑，同时便于清理钻屑携带处地面。胶凝状膨润土可在钻进施工完成后形成稳定护壁，防止塌孔现象出现。

目前市面上的膨润土种类一般分为钠基膨润土和钙基膨润土两种[5]。其中钠基膨润土的天然钠基蒙脱矿含量极高，一般超过85%。同时，它比钙基膨润土多20～25倍的硅酸盐层，这使得它的膨润性比钙基膨润土要好，故在非开挖水平定向钻进施工中通常选用钠基膨润土。

5.3 钻进液的配比试验

由于膨润土浆液在凝结后强度较小，未能满足设计行车荷载要求，在施工完成后经过行车荷载仍然存在路面下沉的隐患。为了提高膨润土浆液在凝结后的强度，该项目部在配制钻进液时按照一定比率添加生石灰，并取样10多组试块养护5d后进行无侧限抗压试验，从而选择最优的生石灰混合比率。具体试验数据如图3～图4所示。

图3 不同生石灰含量混合材料击实曲线图

图4 抗压强度与生石灰含量关系曲线图

5.4 试验结论

由上述试验数据表明生石灰掺入膨润土中含量越大，混合料的最大干密度越小；同时，试块在经过无侧限抗压强度试验时，当压力达到临界破坏点时，试块开始出现裂缝，继续加压裂缝发展成贯穿整个试块的破裂面，试块一分为二。通过抗压试验可知，掺入了0%～15%生石灰的钠基膨润土混合料的试块强度分别为288.4kPa 、255.1kPa、220.5kPa 、195.4kPa。这3种混合膨润土的无侧限抗压强度较纯膨润土的无侧限抗压强度分别提高了47.6%、30.6%、12.8%。因此，得出结论为生石灰按照一定比率掺入膨润土中可增大土体的抗压强度，且生石灰掺入比率越大其土体的抗压强度越大。而掺了15%生石灰的膨润土抗压强度为288.4kPa，较纯膨润土抗压强度提高了47.6%。其强度完全满足符合设计荷载要求，效果如图5所示。

(优化钻进液配比前效果)(优化钻进液配比后效果)图5 优化前后路面对比

随着生石灰的掺入比率的增加，虽然可增大土体的整体强度，但掺入过量的生石灰使得泥浆失水速度加快，导致钻进液粘度和密度上升，泥浆稠化，流动性变差，从而容易导致拉管失败。

6 结语

综上所述，通过采用非开挖水平定向钻进施工技术施工的污水管工程中，统一按照掺入15%生石灰加膨润土混合料作为钻进液，在保证拉管的成功率及缩小孔与管径之间的孔隙率的同时，大大增强了土体的整体强度，有效地解决在非开挖定向钻进施工完成后由于钻进液土体强度不够导致路面开裂下沉现象。

[1] 李招群.非开挖水平定向钻进技术在管道铺设中的运用[J].福建建筑,2011(3):118-120.

[2] GB 50268-2008 给水排水管道工程施工及验收规范[S].北京：中国工业标准出版社，2009.

[3] DBJ13-102-2008 水平定向钻进管线铺设工程技术规程[S].福建省建设厅，2008.

[4] 戴睿,周国相.生石灰改性膨润土混合材料抗压强度试验研究[J].砖瓦,2015(4):14-16.

[5] 徐杰,张生卫.非开挖施工与钻进液技术[J].上海煤气，2002(1).