水平定向鉆的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避與故障處理

金昊

【摘要】風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避意味著在規(guī)劃階段識(shí)別出主要風(fēng)險(xiǎn)因素，并且規(guī)避這些風(fēng)險(xiǎn)因素。如果無法規(guī)避或者避免，則需要采用合理的方法進(jìn)行故障處理并成功的對(duì)其加以解決。如果現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生問題，則承包商必須具有充分的智慧、應(yīng)變能力和創(chuàng)新能力對(duì)其加以解決。本文明確了水平定向鉆施工過程中可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，闡述了故障處理途徑，提出了減輕所遇問題的指導(dǎo)意見。

【關(guān)鍵詞】水平定向鉆;風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避;故障處理

隨著我國經(jīng)濟(jì)和城市化建設(shè)的迅速發(fā)展，非開挖技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。水平定向鉆機(jī)就是被廣泛使用的一種非開挖設(shè)備，主要用于穿越公路、鐵路、建筑物、河流，以及在鬧市區(qū)、文物保護(hù)區(qū)、農(nóng)作物和植被保護(hù)區(qū)等不易開挖的條件下，進(jìn)行供水、煤氣、電氣、電訊、天然氣、石油等管線的鋪設(shè)或更新。其工作過程是通過計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行導(dǎo)向和探測(cè)，先鉆出一個(gè)與設(shè)計(jì)曲線相同的導(dǎo)向孔，然后再將導(dǎo)向孔擴(kuò)大，把管線回拖到擴(kuò)大了的導(dǎo)向孔中，完成管線穿越的施工過程。

1.潛在風(fēng)險(xiǎn)

一般來說，業(yè)主、管理部門和承包商最關(guān)心的重大風(fēng)險(xiǎn)包括：

鉆孔失敗

施工人員和普通民眾的安全

對(duì)環(huán)境、自然資源或者歷史文化資源的破壞

地表隆起以及建筑物或道路損壞

地表的塌陷和沉降

冒漿

破壞已有的公共設(shè)施

2.故障處理和減輕損失

2.1鉆孔失敗

業(yè)主主要擔(dān)心的就是鉆孔的失敗。如果管線的安裝并非至關(guān)重要的考慮，那么項(xiàng)目一般都會(huì)被擱置。如果項(xiàng)目無法完工，那么通常就是拖延和索賠，而業(yè)主仍然必須找到一種方式來滿足預(yù)期項(xiàng)目的功能，例如開挖或跨越管線。以下因素都有可能導(dǎo)致鉆孔的失敗。

循環(huán)鉆井液的漏失

障礙物

液壓鎖

穿越曲線線性度問題

鉆孔坍塌

管線破裂

鉆桿故障或孔底鉆具故障

2.1.1 循環(huán)鉆井液的漏失

如果遇到空洞或者裂縫較發(fā)達(dá)的地層、鉆孔坍塌、鉆進(jìn)或者回?cái)U(kuò)過快以及采用的鉆井液配比不正確，會(huì)發(fā)生循環(huán)鉆井液漏失。尤其重要的是鉆井液的性質(zhì)、鉆井液的體積以及鉆進(jìn)的速度等因素一定要與地層的情況相符，這樣對(duì)于保持鉆井液的環(huán)流和鉆孔的穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的意義，因而可以最大限度地提高穿越的成功概率。

2.1.2障礙物

如果遇到障礙物，并且采用了所有符合實(shí)際的措施之后，鉆頭或者擴(kuò)孔器以及管線無法穿透這個(gè)障礙物，那么鉆孔就有可能失敗。潛在的障礙物包括：卵石、礫石、大石塊以及建筑廢料或地基。

如果在規(guī)劃階段識(shí)別了潛在地障礙物，那么最佳的辦法就是通過調(diào)整鉆進(jìn)規(guī)劃路徑來避開它們。如果無法更改路徑，那么何種應(yīng)對(duì)措施方為適當(dāng)就取決于遇到這些障礙物地頻繁程度，障礙物的類型、尺寸以及它與鉆進(jìn)規(guī)劃路徑之間的相對(duì)位置，以及地表的限制條件。此類應(yīng)對(duì)措施也取決于合同文件中有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)狀況偏差以及潛在障礙物處理的條款規(guī)定。

概括的說，經(jīng)過障礙物時(shí)可以采取的措施包括以下幾個(gè)方面：

在可能的情況下將鉆孔路徑移到一個(gè)更為合適的地方，最好在規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段采取這種方法，而不要在遇到障礙物之后才臨時(shí)制定應(yīng)急措施，這樣會(huì)造成工期的耽誤和成本的浪費(fèi)。

調(diào)整鉆具的鉆進(jìn)速度和泥漿泵的輸送速率，在試圖要穿過或者經(jīng)過障礙物時(shí)要緩慢推進(jìn)，不要發(fā)生嚴(yán)重的路徑和斜度的變化，造成穿越曲線的嚴(yán)重變化。

將鉆桿抽回，重新定向，以轉(zhuǎn)向的方式繞過障礙物。

如果可以接近障礙物的話，則從地表開挖將障礙物清除。

可以嘗試固定一個(gè)口徑較大的擴(kuò)孔器，然后以反向擴(kuò)孔對(duì)障礙物進(jìn)行擴(kuò)孔，穿透障礙物，或者將障礙物清理出原來的位置。

2.1.3液壓鎖

液壓鎖是鉆井液環(huán)流從鉆孔斷流時(shí)發(fā)生的一種現(xiàn)象。在施工過程中，如果沒有將足夠的鉆井液泵入鉆孔，或者使用不良的鉆井液就回出現(xiàn)。經(jīng)由擴(kuò)孔器打入鉆井液如果完全滯留在鉆孔中，而沒有流出時(shí)，液壓鎖便回發(fā)生。被泵入鉆孔的鉆井液在沒有排放路徑的情況下回開始增壓，壓力會(huì)使管子無法移動(dòng)，直到鉆井液找到排放路徑為止。當(dāng)液壓鎖發(fā)生時(shí)，液體會(huì)停止流動(dòng)，回拖力會(huì)增大到鉆機(jī)的最大限度，而旋轉(zhuǎn)壓力會(huì)變得非常低。

應(yīng)該采取的以下措施來減輕液壓鎖：

保持鉆井液的環(huán)流。

沿著鉆孔的路徑，在懷疑的受壓區(qū)開挖“排氣孔”以釋放壓力。受壓區(qū)一般都在鉆頭或擴(kuò)孔器的后面。

等待幾分鐘讓壓力降低后再行鉆進(jìn)，此時(shí)泥漿泵的輸送速率和鉆進(jìn)速度要降低。壓力完全排放干凈，所需時(shí)間從幾分鐘到幾小時(shí)不等。

2.1.4穿越曲線線性度問題

如果定位和控向不精準(zhǔn)，或者因?yàn)榈貙訝顩r司鉆無法正確的執(zhí)行控向員轉(zhuǎn)向指令，那么穿越曲線就有可能發(fā)生線性度的問題。除此之外，發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)也可能因?yàn)楦蓴_的問題而失真，這樣也導(dǎo)致鉆孔的定位不準(zhǔn)。采取以下措施可以減輕這些問題：

更換與地層狀況適宜的正確的鉆頭和鉆具。

采用抗干擾能力更強(qiáng)的發(fā)射器，這種方式有可能會(huì)降低干擾的影響。

控向人員在發(fā)射器通過問題區(qū)域時(shí)采用人工磁場(chǎng)等有效的技術(shù)，在干擾區(qū)域進(jìn)行發(fā)射器的跟蹤定位，這樣可以保持定位更為準(zhǔn)確有效。

如果存在主動(dòng)干擾，可以關(guān)閉干擾源或者降低其干擾強(qiáng)度。

2.1.5鉆孔坍塌

鉆孔坍塌的誘因有多種，并且嚴(yán)重影響著鉆進(jìn)施工的成功機(jī)率。在水平定向鉆作業(yè)中，軟質(zhì)和松散的土質(zhì)尤其會(huì)產(chǎn)生高度的坍塌風(fēng)險(xiǎn)。鉆孔的坍塌會(huì)直接導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)扭矩和鉆進(jìn)推拉力的增大，并且會(huì)降低鉆井液從鉆孔中的流出量，甚至導(dǎo)致鉆井液斷流。為了減輕這種問題：

從坍塌區(qū)域恢復(fù)鉆井液環(huán)流，增加鉆井液的濾失控制和膠凝強(qiáng)度，然后繼續(xù)緩慢的鉆進(jìn)。

如果穿越卵石層或鉆進(jìn)路線上有大石塊，石塊容易從頂部或者側(cè)面掉入鉆孔。出現(xiàn)這種情況旋轉(zhuǎn)扭矩會(huì)立即增大，而且有可能根本無法進(jìn)行鉆進(jìn)、擴(kuò)孔或回拖。為了減輕這種問題：

如果這類問題在導(dǎo)向孔施工過程中發(fā)生，應(yīng)該把鉆桿抽回，直到旋轉(zhuǎn)扭矩恢復(fù)到正常值為止，然后可以緩慢的連續(xù)鉆進(jìn)。此時(shí)石塊有可能會(huì)被推入鉆孔周圍的地層，或者被鉆頭切碎并在鉆井液環(huán)流的攜帶下從鉆孔中流出。如果在預(yù)擴(kuò)孔過程中石塊掉入鉆孔，通常情況下仍可以繼續(xù)擴(kuò)孔。在管道回拖過程中大石塊掉入鉆桿上會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)扭矩增大，掉到管道上會(huì)導(dǎo)致回拖力增大。一般情況下仍可以繼續(xù)安裝管道，但有可能會(huì)導(dǎo)致管道損壞、防腐層損壞。在某些情下，管線回拖可能根本無法完成。

可以在鉆孔過程中可以安裝套管來避免卵石或者大石塊掉入鉆孔中。

2.1.6 管線斷裂，鉆桿故障或者鉆具故障

鉆孔的準(zhǔn)備不充分，質(zhì)量不過關(guān)或者在設(shè)計(jì)上存在缺陷，均會(huì)導(dǎo)致管線在安裝過程中發(fā)生斷裂。例如如果所選管子的壁厚不夠，會(huì)導(dǎo)致彎曲能力不足，這樣管線在回拖過程中就有可能發(fā)生斷裂。為了減小管線斷裂的可能：

對(duì)于管線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)盡量設(shè)計(jì)的保守一些，并且要遵守制造商提供的建議。

一定要采用正確的焊接程序和標(biāo)準(zhǔn)，并且在回拖前要對(duì)焊口進(jìn)行檢測(cè)。

導(dǎo)向孔的曲線要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行施工，滿足曲率半徑要求。在回拖之前，要對(duì)鉆孔進(jìn)行必要級(jí)數(shù)的擴(kuò)孔作業(yè)，使得鉆孔形成足夠好。

鉆桿的故障包括：桿體和絲扣的維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)，鉆桿的質(zhì)量低下，絲扣上的太緊，力矩過小或過大，在造斜而導(dǎo)致彎曲半徑過當(dāng)。為了減輕這樣的故障問題：

使用高質(zhì)量的鉆桿，并且鉆桿的尺寸要與鉆機(jī)的能力相匹配。

始終遵守鉆桿的使用、保養(yǎng)和維護(hù)方法。

制定鉆桿的檢測(cè)計(jì)劃，定期對(duì)鉆桿進(jìn)行檢測(cè)。

不要超過鉆桿的允許彎曲半徑，鉆桿的彎曲半徑越大，鉆桿的使用壽命越長。

要避免扭矩負(fù)荷過量而導(dǎo)致鉆桿停鉆，扭矩能量的釋放可能導(dǎo)致鉆具接頭松口。

在鉆進(jìn)時(shí)要避免鉆進(jìn)速度過快或過慢造成穿越曲線的拐點(diǎn)過多或者未達(dá)到設(shè)計(jì)的彎曲半徑，在擴(kuò)孔時(shí)也要避免在鉆桿和擴(kuò)孔器連接處發(fā)生動(dòng)態(tài)彎曲效應(yīng)。

盡量減少孔底鉆具中鉆具接頭的數(shù)量。

調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度，鉆進(jìn)速度，泥漿泵送漿速度，并且合理選擇鉆頭類型，最大限度延長鉆頭的壽命。

如果鉆具掉入鉆孔并無法取回時(shí)，如果可能應(yīng)重新選擇一條鉆進(jìn)路徑。

2.2地表隆起以及建筑物、道路損壞

地表隆起一般都是因?yàn)殂@井液環(huán)流從鉆孔中斷流之后泵入過量的鉆井液造成的，此時(shí)將引起地層迅速增壓從而導(dǎo)致地表隆起。如果在地表覆蓋土不足的情況下，采用桶式擴(kuò)孔器進(jìn)行擴(kuò)孔，鉆孔中的切削的土壤會(huì)被擴(kuò)孔器向四周擠擴(kuò)，可能會(huì)導(dǎo)致地表向上隆起。另外一個(gè)原因是擴(kuò)孔或回拖管線速度過快，此時(shí)擴(kuò)孔器切削下的碎屑無法與泥漿充分混合，更無法被循環(huán)鉆井液攜帶出鉆孔。為了減輕這一問題：

退回鉆頭或者擴(kuò)孔器，恢復(fù)鉆井液環(huán)流，然后在繼續(xù)作業(yè)。此時(shí)要降低鉆進(jìn)和擴(kuò)孔的速度，同時(shí)要監(jiān)控返漿中固體物質(zhì)的含量，然后根據(jù)返漿的情況和地質(zhì)情況調(diào)整泥漿配方和送漿速率。

如果無法維持鉆井液的環(huán)流，應(yīng)該計(jì)算出鉆孔的體積，并且盡量限制泵入的鉆井液體積不要超過鉆孔的體積。

在無環(huán)流的鉆孔和擴(kuò)孔中，要時(shí)刻注意仔細(xì)監(jiān)控泥漿壓力的變化，并且沿穿越路徑巡視，監(jiān)控毗鄰的建筑物和設(shè)施。

在使用桶式擴(kuò)孔器回?cái)U(kuò)時(shí)，要注意孔洞上覆蓋土的厚度，同時(shí)要仔細(xì)監(jiān)控泵入鉆井液的體積。桶式擴(kuò)孔器不太適用干燥堅(jiān)硬的土壤。

鉆井液環(huán)流從鉆孔中斷流后，如果泵入過量的鉆井液，則會(huì)引起地層的迅速增壓從而導(dǎo)致相鄰建筑物的移位，為了避免對(duì)建筑物和公共設(shè)施造成損壞，重點(diǎn)要降低鉆進(jìn)和回?cái)U(kuò)的速率以及泵送泥漿的速率。

2.3地表塌陷或沉降

與地表隆起或者鼓包相比，地表沉降雖然不常見，但如果發(fā)生沉降，后果卻要比輕微鼓包要嚴(yán)重的多，行人可能會(huì)因此受傷。發(fā)生沉降的誘因包括：

在松散的沙質(zhì)或者非常柔軟的土質(zhì)中，如果大量使用稀薄的鉆井液，則鉆孔上方可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的凹陷。

在大口徑淺地表鉆進(jìn)作業(yè)中，鉆孔環(huán)型空間內(nèi)的鉆井液加注不充分。尤其會(huì)發(fā)生在一般松軟土質(zhì)中。

要避免或者減輕沉降：

要使用合適的鉆井液，并且鉆井液流速要在容許的范圍之內(nèi)。保持環(huán)型空間內(nèi)鉆井液流速足以將碎屑從鉆孔內(nèi)攜帶出。

確保鉆孔上方覆蓋土的厚度足夠。

鉆孔的環(huán)型空間要徹底充滿鉆井液。

2.4冒漿

冒漿是一個(gè)業(yè)主和管理部門主要關(guān)注的問題，也是令承包商棘手的問題。如果在施工過程中出現(xiàn)冒漿，很容易引發(fā)江河水體的污染，魚塘耕地的污染，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)和生活造成損失，帶來危害，處理不好的話還會(huì)造成重大的社會(huì)影響。應(yīng)該說明的是：鉆井液中一般含有水、膨潤土和化學(xué)藥品，膨潤土是一種天然存在的無毒粘土礦物質(zhì)。以下的因素可能會(huì)增大冒漿的風(fēng)險(xiǎn)：

覆蓋土厚度較小，這樣就降低了地表的抵抗壓力。

鉆井液過于稀薄。純凈的水或稀薄的鉆井液在沙質(zhì)地層中的滲透距離較遠(yuǎn)，這樣鉆井液可能會(huì)在壓力的作用下到地表。

因鉆孔坍塌而導(dǎo)致堵塞、循環(huán)鉆井液漏失，并且在堵塞處發(fā)生憋壓。

擴(kuò)孔和回拖速度過快。鉆機(jī)推進(jìn)和回拖速度必須確保擴(kuò)孔器能夠履行其工作職責(zé)，一方面形成尺寸適當(dāng)?shù)你@孔，另一方面要把碎屑和泥漿充分混合，帶出鉆孔。如果鉆孔作業(yè)進(jìn)展的過快，那么泥漿泵可能無法跟上擴(kuò)孔進(jìn)度，從而導(dǎo)致碎屑和鉆孔清理不足。這樣就可能造成兩方面的影響：一是擴(kuò)孔器施加過量的作用力會(huì)導(dǎo)致鉆孔周圍覆蓋土的斷裂;二是鉆孔內(nèi)碎屑清理不充分導(dǎo)致鉆孔堵塞、憋壓。這樣兩個(gè)影響都會(huì)導(dǎo)致冒漿。

2.5破壞現(xiàn)有的公共設(shè)施

破壞現(xiàn)有的公共設(shè)施的誘因包括不充分的規(guī)劃與調(diào)查、未曾預(yù)見的干擾和不合規(guī)范的鉆進(jìn)規(guī)程。不充分的規(guī)劃與調(diào)查會(huì)導(dǎo)致公共設(shè)施的定位錯(cuò)誤或者未能預(yù)見出已有公共設(shè)施;未曾預(yù)見的干擾則會(huì)導(dǎo)致鉆進(jìn)誤差。需要考慮和調(diào)查的地下公共設(shè)施包括：

電力電纜和光纜。

自來水管線。

燃?xì)夤芫€。

污水和雨水管線。

在施工過程中不可能預(yù)計(jì)到項(xiàng)目可能發(fā)生的所有風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)遇到問題后，所采取的減輕方案也不可能總是成功的。但如果能夠在項(xiàng)目早期發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險(xiǎn)和問題，就能針對(duì)預(yù)期風(fēng)險(xiǎn)制定出詳細(xì)的風(fēng)險(xiǎn)解決方案。一份深思熟慮的應(yīng)急方案不僅可以作為一個(gè)起點(diǎn)，而且在給定的情況下，還可以縮短對(duì)各種選擇進(jìn)行權(quán)衡，并且決定采取何種行動(dòng)的延誤，將水平定向鉆的風(fēng)險(xiǎn)損失降低到最低程度。