西北民航机场建设集团有限责任公司 西安 710075
摘要：在民航机场改扩建的过程中，往往需要穿越跑道进行管线铺设，而在不停航施工环境下，不可能采取常规挖填的做法。所以，采用定向钻进管线穿越的方法进行管道敷设就十分必要。本文具体阐述了跑道定向钻进管线穿越的工作原理、施工工艺、施工步骤和各项施工措施，对类似工程具有指导意义。本人在西宁曹家堡机场土岛改造工程的实际施工中结合不停航施工要求和定向钻进管线穿越的技术，归纳了类似工程较为通用的方案。
关键词：跑道；定向钻进；管线穿越；不停航；非开挖
一、工程概况
工程任务为在不影响跑道正常运行的条件下穿管6根，为PE管，单根管的长度为95m，直径为110mm。坐标为V184+19/H88+5.5-H93+0.5（见下页附图）。
本次施工为不停航施工，夜航结束后进入控制区进行施工，早班开航前退出控制区，根据西宁机场航班情况，施工时间预计为0：00-6：00。根据以往机场不停航施工的经验和西宁机场曹家堡实际施工工程量、安全环境和安全因素，定向钻进管线穿越的施工时间为10天。
二、工作原理
水平导向钻机的工作原理是：在施工时，按照设计的钻孔轨迹（一般为弧形），采用可从地表钻进的钻机先钻一个近似水平的导向孔，在导向的时候对角度、方向、深度控制可通过发射器与接收器配合使用，通过接收器的数据显示，告知机台操作员进导向进行相应的调整，确保施工质量和安全。导向完成后在导向钻头后换上大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待铺设工作管线，然后进行反向扩孔，同时将待铺管线回拉入钻孔内，当全部钻杆被拖回时，铺管工作同时也就完成了。
施工现场布置图及截面图见下图：
西宁曹家堡机场土岛改造工程
定向钻进管线穿越铺设现场布置图
三、施工工艺
施工工艺流程如下：现场勘查→测量放线→穿越曲线设计→挖工作坑→钻机就位→钻导向孔→配置泥浆→扩孔→拖拉管→环境保护→地貌恢复。其中主要工序如下：
1、测量、放线：按照设计图指定的位置，用水准仪对所要穿越的渠道及施工现场（进钻点、出钻点）进行详细的高差测量。根据现场测量及计算，准确放线并开挖进钻点、出钻点工作坑。本次施工开挖进钻点、出钻点工作坑的坐标为V184+19/H88+5.5和V184+19/H93+0.5。钻进方向为从北向南。
2、穿越曲线设计：根据现场测量结果，计算出每根钻杆的钻进深度及角度并绘制出穿越曲线，为下一步安全准确导向钻进做好准备。
3、钻机就位：在挖好工作坑后将钻机停在入土点，在钻机的后面停放辅助吊车。首先进行钻机锚固，具体措施是在钻机前设置2m×1.5m×2m地锚箱，利用地锚箱上的四个锚点将钻机固定，并使用φ34 钢丝绳将地锚箱与辅助吊车连接定固。地锚箱采用钢结构，地锚箱四个锚固点采用Ф110，长4米的钢管桩，为了防止锚杆打在地下管线或其他障碍物上，在钻机锚固前，对锚固区域用雷迪4000管线探测器进行地下管线检测，防止将锚杆打在地下管线上，发生设备破坏和人员伤亡。地锚和钢管桩之间牢固。（如下示意图）
4、钻导向孔：参照穿越曲线的数据，采用射流辅助钻进方式，由导向员、司钻员等相互配合，按设计轨迹钻进直到出钻点工作坑。为保证穿越的同心度、预扩孔及回拖工作的顺利进行，钻导向孔时要通过发射器与接收器互相配合，通过接收器接收到的信号（角度、深度、方向）显示，导向员及时告知司钻及时进行相应参数调整。开钻前经过对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。探头装入探头盒后，标定、校准后再把导向钻头连接到钻杆上，转动钻杆测试探头发射信号是否正常，回转钻进2m后方可开始按照设计轨迹进行穿越。
5、配置泥浆：泥浆是粘土颗粒分散在水中形成的溶胶—悬浮体系。此次施工采用水基泥浆作业，作为钻进冲洗液，使用优质的膨润土和纤维素、纤胺、钻液包配置泥浆，严格按照比例25：1（水与膨润土）经搅拌系统搅拌成泥浆注入孔洞内，具有润滑钻具、稳定孔壁、降低回转扭矩和回拉力，降低拖管时管道和洞壁的摩擦系数、冷却钻头和发射器、携带土屑、减少腐蚀、固孔护管等作用。
6、扩孔
（1）在导向孔完成后必须扩孔。扩孔必须采取分级扩孔，最终将孔扩到回拖管线的1.2—1.5倍左右，即为满足6根110mm管的回拖可选用直径500mm的孔，分三级扩孔，导向孔160mm，第一级为250mm，第二级350mm，第三级500mm。
在管件端先将扩孔器装在导杆组的尾端，扩孔器由钻掘机组以旋转方式沿已形成的导孔回拉，回拉时钻掘液泵通过导杆提供钻掘液给扩孔器，扩孔器使用本身的喷嘴喷出钻掘液，润滑扩孔器及填充支撑已扩大的孔壁，并与扩孔过程中所刮下沙土混合，一起挤出到两端的泥浆坑。第一次扩孔完成后，再用大直径扩孔器扩孔。每扩一次孔需要倒运一次钻杆、回扩头及辅件至出钻端一侧，采取钻杆循环。在最后一次扩孔完成的时，观察机台上扭力表指数是否达到10mPa以下，如果扭力没有达到这个标准还需要继续进行扩孔，直到扭力减小，才可进行管线回拖。
（2）扩孔钻具组合
扩孔时的钻具组合包括钻杆、扩孔头、旋转接头和回拉钻杆。
钻杆是钻具组合的关键部件，它可以提供作用在反向扩孔钻头的回拉力、回转扭矩、及钻进泥浆，因此，它应具备高强度、高弹性、耐高压等基本特性。在反向扩孔及回拉管线时，钻杆承受较大的拉力和扭矩，同时钻杆是在弯曲和回转状态下工作，因此对钻杆的要求较高。
扩孔钻头：反向扩孔钻是钻具组合的最重要的部件，所有其它部件均需按钻头的负荷来设计。常用的扩孔钻头型式有以下几种：快速切削型扩孔钻头；牙轮扩孔钻头；金刚石扩孔钻头。
旋转接头与回拉钻杆：旋转接头放置在反扩钻头之后和回拉钻杆或待铺设的管线之前，它的作用是在反向扩孔时，实现扩孔钻头旋转，而连接在旋转接头后面的钻杆或待铺设的管线不回转。回拉钻杆的作用在于下一次的扩孔钻进。
7、拖拉管：扩孔完成后即可进行管道回拖。扩孔器的尾端固定一只旋轴并将预埋管连结在旋轴上，管件端的工程师在预埋管准备好可以回拉，并重复检查完每个环节是稳固及可以活动的部分可以旋转之后，即 可以用对讲机通知钻掘机组端的工程师。在钻掘机组回拉下扩孔器会先进入管件端的出口坑，在此之前先使用泵将钻掘液经由导杆组送进扩孔器以确定扩孔器中所有的喷嘴都是畅通的，通过连续的泵压力、旋转及控制即可进行预埋管的安装，当所有的导杆在钻掘机组端一一被取下后预埋管即可完成安装。当扩孔器穿过地下孔抵达钻掘机组时操作者必须谨慎控制旋转扭力及钻掘机组的拉力负载，以确保预埋管不被拉坏。
具体方法为：
拖管采用专门的回拖器，同时采用边打泥浆边旋转回拖的方法。从而保证钢管防腐层不被破坏。旋转分动器采用特制的结构。扶正器与工作管的连接要牢固，并要求工作管与拉管器的连接要牢固、安全、密封，做到可靠。采用小比重高粘度泥浆，加入适合地质结构的泥浆处理剂和管孔润滑剂等措施以减少回拖时的阻力，减小钻机工做负载。在管段回拖前，验证扩孔后孔内是否有充足泥浆，以便回拖中起到护壁润滑作用。经确认管段焊接、防腐合格后，将管段拖入端与回拖器连接牢固，检查所有回拖系统（含设备、工艺保障措施）是否处于最佳状态。回拖前，在待回拖管段下，利用吊车配合，以防止在回拖中擦伤钢管外壁防腐层。回拖启动后，要作到平稳、匀速（回拖中不能停留），速度控制在0.08m/s。操作手时刻观察回拖压力变化，及时上报，以便采取必要措施，使钢管顺利回拖成功。
四、进场主要施工机械及设备
DDW-550型微控钻机主要性能参数：
转速（r/min） 0-100
扭矩（N.m） 25000
最大推力/拉力（kN） 550
钻杆规格（mm） φ89×6000
导向孔直径（mm） φ160
钻杆长度（m） 6.0
五、质量保证措施
1、现场勘察、测量要详尽，确保施工安全和满足质量要求。
2、合理放置钻机，严格调整钻具入射角。
3、每0.5米要有一个导航控制点，如发现偏差及时纠正与调整，经纠正与调整后，应加密导航控制点，确保导航钻孔轨迹和设计轨迹相一致。
4、有关人员要认真学习各种机具设备的使用说明，准确判断孔内一切情况。
5、强化全员质量意识是提高工程质量的关键。提高全员素质是提高工程质量的基础。
6、司钻人员和导航员工作要互相配合，司钻人员应服从导航员指令，施工出现异常情况时两者共同研究，取得共识后，继续工作，不得擅自主张工作。
7、不越级扩孔。孔壁不好时，精心配制泥浆，保证孔内质量，不为拉管留下孔内隐患。
8、拉管时管材与钻孔在同一中心线上。
9、全体施工人员应认真学习有关文件、施工设计及有关技术规范，增强质量意识。
10、技术负责人施工前要对操作人员进行技术交底，强调质量标准与要求。
11、开工前落实各级人员的岗位责任制，做好技术交底，使每个施工人员对工程的总体要求明确，对岗位技术要求有深刻的了解。
12、施工工地设立专门质监员，其职责处在工程处主任与技术负责的领导下，对工程质量进行全面监督，对未达到要求的有权行使否决权。
13、施工工地，机班长有责任和义务严格按照技术要求精心施工，主动协助上级质量监督部门的检查。
14、每道工序严格把关，建立起施工质量验收单制度。
15、施工地应有业主认可的专门监理工程师全面监督施工质量。
六、不停航施工安全控制措施及预案
施工中必须坚持“安全第一，预防为主”的方针，做到安全为了生产，生产必须安全。工地设专职安全员一名，并建立安全管理组织，对生产全过程进行安全管理。安全员不到岗，安全机构不健全不得开动设备，不得生产。认真贯彻落实安全生产的条例，注意做到以下准则：
1、进场人员、机械办理进场证，并进行安全教育。进场人员着反光背心，戴安全帽。进场机械车辆顶部设置黄色旋转顶灯，车速不超过20km/h。每日安检后进入是施工指定位置。
2、办理《开挖审批单》，根据审批单的描述，采用人工开挖探测电缆方法，在施工涉及到的区域中挖探沟，如没有电缆埋设，立即回填开挖土方，如发现电缆即刻亮明，开挖出土方弃之围界内。探明通讯、助航灯光等地下措施的布置情况，并绘制平面布置图。上报监理、指挥部、电缆管线使用单位，分析是否影响施工，提出处理方案。
3、机械车辆按指定线路进入施工区域，并配备三名的安全员值守确保施工安全和控制区各项设施的安全。
4、撤场时恢复升降带平整区的平整，无杂物。对进场的人员、机械和用具进行清点，确认控制区内无遗漏。
5、场区电路的安装，故障的排除均应由持证上岗的电工负责。凡未受过专门训练的人员不得上岗。电线，电缆均需严格检测，如有破损、漏电、短路等现象必须消除；
6、按照规定要求，所有进入控制区内的车辆必须配备灭火器，当日施工区域内配足消防器材。
7、严格执行施工操作规程，技术工程必须是经过培训取得合格证的人员上岗，无证人员不得上岗；
8、地面崩裂的防范措施
水平定向穿越引起地面崩裂一般只在（钻机）入土点发生。其主要原因可能是出、入土点距堤坝过近、孔内泥屑堆积过多、局部塌孔、回拖速度过快等；
防范措施是保证出、入土点距地面的安全距离，控制回拖速度。
9、设备突发故障的防范措施及预案
根据不停航施工要求，必须保证施工中关键设备出现故障时，有备份替代设备，并且制定应急措施，保证施工过程中不因任何设备出现故障或其他任何原因而影响施工，从而产生影响航班正常飞行或安全的隐患。其措施和应急预案如下：
所有进入控制区施工的机械设备，每天必须进行维护保养，使之处于最佳状态。严禁带故障设备进入施工现场。在施工现场备用一台50T汽车吊、1台8m长平板拖车、1台推土机和钢丝绳。并且在进场前进行预吊装试验，确保吊装的安全性。设备出现故障，无法自行出场时；利用汽车吊将故障设备吊装在板车上，安全、迅速的运输出控制区；若汽车吊或平板拖车出现机械故障无法进场救援，推土机强行将故障设备拉出控制区或放置在机场指定的安全区域。
七、结语
民航机场改扩建施工中穿越跑道进行管线铺设的施工要求较多，以往的做法是绕跑道道面进行布设，定向钻进管线穿越的施工方法大大节省了管线长度和施工时间，最重要的是施工过程对民航机场跑道的正常运行不造成任何影响。本文结合不停航施工要求和定向钻进管线穿越的技术，可以作为类似工程的参考。
参考文献：
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[2]定向钻穿回拖大口径管线的发送技术 非开挖技术：中国地质学会非开挖技术专业委员会 2009年第4期 肖瑞金 王智勇 裴克君 2009
[3]定向钻进管线穿越铺设技术规范 中国非开挖技术协会 2002
[4]潘溪平 民航机场飞行区扩建工程不停航施工项目管理 管理工程学报 2005
论文作者:余东
论文发表刊物:《基层建设》2017年第31期
论文发表时间:2018/1/31
标签：钻杆论文; 管线论文; 钻机论文; 钻头论文; 泥浆论文; 导向论文; 控制区论文; 《基层建设》2017年第31期论文;