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某工程定向钻穿越河流施工事故及处理

某工程线路全长460km，设计压力6.3MPa，管径Φ610mm。定向钻管材采用X60 直缝埋弧焊钢管。河流定向钻穿越施工开始于2005 年11 月，2006 年7 月结束共完成12 条大中型河流穿越。其中出现了4 次定向钻事故，最终事故都顺利解决。尽管事故的出现原因不同，但总结事故的教训对定向钻穿越的认识更上台阶。
1 淮河穿越断杆事故
1.1 概述
    淮河穿越是本工程的关键控制点。穿越位置位于淮河上游，淮河主河槽、北侧滩地、北岸生产圩堤采用定向钻穿越，南侧滩地和南岸天然垄岗采用开挖方式通过。淮河定向钻穿越段水平长度为1050.2m。
1.2 穿越层位
    淮河穿越处河床第③层为较厚的粘土层，土层分布均匀连续，作为主河槽定向钻穿越的主要地层。确定定向钻穿越段敷设的曲率半径为920m（1500D），穿越主槽水平段管底设计标高为7.4m。
1.3 事故情况
    淮河穿越工程施工，于2006 年1 月27 日12时07 分开钻, 2006 年1 月29 日10 时34 分当钻进第37 根钻杆时，机具出现巨大异响，同时仪表显示扭矩降至6000 磅•英尺以下，控向信号全部消失。经外部检查，发现控向信号线松动，现场研究后，推断为钻杆出现故障。为进一步判定是否钻杆断裂，事故单位采取回抽钻具的方法进行确定，12 时30分当抽回第五根钻杆时(以入土点为基准)，抽至第六根钻杆发现距母扣端约2m 处，断裂处里程为42+978.11km，深度在7—8m 之间。
1.4 事故分析
    钻杆本体断裂。钻杆断裂影响因素很多，设计时，宜提出钻杆使用前应经检查合格才能施工的要求。断裂处到入土点共5 根钻杆，第6 根钻杆断裂处距母扣端约2m，淮河穿越φ610 主管线穿越为入土角11°，每根钻杆长度平均为9.6 米，距入土点水平距离= 钻杆数× 单根长度×cos 入土角+2m=5×9.6×cos11°+2=49.11m。根据现场勘查及导向孔穿越资料显示，断裂点距离地表7.4 米，该断点深度应在7—8m 之间。
1.5 事故处理
    通过计算确定断裂点位置，大开挖方式找到断点，然后用焊接法连接断裂钻具，抽出并更换断裂的钻具，继续实施穿越施工。
开挖补救长度为60m，根据资料显示，开挖区域距地表6.3m 的层段为粘土层，6.3m 以下为中砂层，地下水位位于地表6.5m 以下。施工单位7 天后完成开挖顺利将断点后20 余根钻杆回拖，重新进行定向钻穿越施工，1 个月后顺利完成淮河穿越。
2 汉阳河定向钻穿越导向孔遇阻
2.1 概述
    汉阳河沿管线北岸堤顶高程27.43m，堤顶宽2.50m 左右；南岸堤顶高程27.95m，堤顶宽5.70m 左右。河床最低处高程17.01m 左右，河水面宽56.00m左右；管线穿越位置河段顺直，河床与岸坡稳定，水流平缓。定向钻穿越段水平长度为518.0m。
2.2 地质情况
    共划为9 个工程地质层，各层特征综述如下：①-1 素填土、①-2 素填土、①-3 素填土、②粉质粘土、③淤泥质粉质粘土④粉质粘土、⑤粉质粘土、⑥粉质粘土夹粉土、⑦粉质粘土、⑧粉质粘土夹碎石（残积土）、⑨中等风化灰岩
2.3 穿越层位
    依据穿越处上下游两地质剖面推算断面资料，设计以较大入土角度及穿越曲率半径进行设计，避开不适合定向钻穿越的①-1、①-2、①-3 层，最终确定第①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧层为定向钻通过层位，
以地质剖面最浅处的河床埋深，计算穿越水平段穿越⑧层，河心段最低点管顶覆土厚度约14.3m。
2.4 事故情况
（1）第一次钻进情况：2005 年1 月7 日凌晨，导向孔钻进105 米时，地下遇到硬物，穿越曲线所处位置为⑤层粉质粘土遇阻。
（2）第二次钻进调整角度，抬高约3m，1 月8 日下午，调整钻机进行导向孔钻进，当钻进第10 根钻杆时，钻进再次受阻。
（3） 第三次调整角度同时平移约1m，钻进130m 遇阻。
（4）第四次：1 月8 日晚班，钻机向光缆轴线左侧一米平移后进行导向孔钻进。当钻进140 米时，钻进再次受阻。
（5）第五次：1 月9 日，经与业主、监理和设计各方协调，决定把钻机向右平移到探孔轴线上进行钻孔平移25 米。6 点钟开始，按照设计曲线重新钻进，当钻至90 米时，仍出现前几次钻孔困难的情况。
2.5 事故分析
    由于场地地质情况复杂，遇阻处原地质分析为粉质粘土：黄褐色，硬塑N=19.4 击，局部可能出现突起基岩。由于规范要求探孔间距为双侧100m 交错布孔，在100m 范围内出现了突起的基岩，后来的地质表明了此判断。
2.6 事故处理
    如果继续采用定向钻穿越需使用岩石钻机，施工周期延长，施工风险大投资较高，汉阳河河堤等级低，水面宽度约40m，水利部门同意开挖河堤，根据专家会审建议采用大开挖穿越汉阳河，后施工单位用1 个月的时间内完成了大开挖穿越。
3 府河穿越回拖遇阻
3.1 概述
    府河定向钻穿越起点位于武汉市黄陂区上涝河村，终点位于武汉市东西湖区柏泉农场刘家墩村东面北塞湖边之间的农田中，定向钻穿越段水平长度为1577.7m。
府河穿越处勘探深度内共划为10 个工程地质层：①素填土；②淤泥质粉质粘土；③粉质粘土；④粘土；⑤粉质粘土；⑥粘土混砾砂；⑦粘土；⑧粘土；⑨粉砂；⑩角砾
3.2 穿越层位
    府河采用定向钻穿越比较适宜的第⑦、⑧层通过。穿越入土角10°30′，出土角6°。河心段最低点管顶覆土厚度约15.0m。穿越曲率半径为920m（1500D）。
3.3 事故情况
    施工单位提出在不增加投资的情况下出土点后移65m，减少水塘征用，设计从各方面考虑建议延后距离不应超过45m，要求在凹地采取措施，保证施工顺利完成。同时提出在管道回拖时是否造成影响，请施工单位考虑。但施工单位最终后延65m。2006 年3 月施工单位顺利完成通讯套管的穿越，并且在3 月完成主管道扩孔工作，在2006 年4月5 日回拖剩余160m 时遇阻；由于回拖管道水平为弧线，施工单位临时采取措施：摆正未回拖管道，失败后采取向管道注水增加管道重量，减少上摩擦力继续回拖，仍失败。
3.4 事故分析
    由于穿越距离长，在回拖过程中出现阻力增加的情况，遇阻点的位置为回拖抬头段，造成穿越回拖遇阻的可能情况是塌孔或者清孔不净。
3.5 事故处理
    根据计算遇阻点位置为穿越抬头段点，此处为60×200m 的藕塘，藕塘深度约4m，管道在此处深度约22m，根据专家讨论的结果采取先开挖14m 后下8m 深的沉井方案，利用设备探测管道回拖端部，找到遇阻管道后将剩余管道沟埋方式完成穿越工程。
根据确定的方案施工单位请当地的水利部门施工单位进行开挖，开挖到预定位置发现地质情况良好、地下水量少，改变了下沉井的方案，直接开挖到遇阻点。经过1 个多月的施工完成了穿越工作。
4 慑水河扩孔卡钻事故

4.1 概述
    滠水定向钻穿越区位于武汉市黄陂区王家河镇南部，滠水河下游，其起点位于王家河镇冯家桥村农田中，终点位于河西岸潘家畈村的农田中。穿越处河流走向为南北走向，东岸与西岸生产大堤间宽度0.35km，水面宽度约110m，最大水深约4m，河床最低处高程16.34m，水流较平缓，定向钻穿越段水平长度为836.4m。
滠水穿越处勘探深度内共划为5 个工程地质层共7 个工程地质亚层：①素填土层；②粉质粘土层；③粉质粘土层；④中、粗砂层；⑤碎石土层；⑥-1全风化千枚岩层；⑥-2 微风化千枚岩层；⑦-1 强风化角砾岩层；⑦-2 微风化角砾岩层。
4.2 穿越层位
    滠水河采用定向钻穿越比较适宜的地层是第⑥层中风化千枚岩（软质岩）。该层强度低（其饱和单轴抗压强度fr=13.02MPa ），易成孔，孔壁稳定，管线宜利用该层通过。
    滠水定向钻穿越入土角11°20′，出土角5°30′（适当增大出入土角度，减少管道在卵石层中穿越的长度，降低施工风险，均符合规范要求）。穿越河床最低点处管道埋深约22.0m。穿越曲率半径为730m（1200D）。
入土点东岸卵砾石层厚度约5m，寻找含卵石层含量最少，厚度最薄的地方作为入土点，采取夯管锤夯钢套管Φ1220 d=20mm 措施穿越含卵砾石层；出土点在西岸，适当调整出土角度和出土点，可使管线避开卵砾石层和角砾岩层。
4.3 事故情况
    2006 年3 月初，完成光缆（硅芯管）套管定向钻穿越。2006 年3 月初～2006 年4 月底，完成第一遍及第二遍扩孔。2006 年4 月底～2006 年5 月初，开始第三遍，5 月3 日扩孔受阻。卡钻处距离套管末端不远处，卡钻点距地面深度16m。
4.4 事故分析
    根据当地地质专家介绍，湖北省曾对该区域进行过地质普查，在本穿越处大约7km2 范围内全部为变质岩，地质复杂、裂隙发育。
由于采取夯管锤夯钢套管Φ1220 d=20mm 措施穿越含卵砾石层，套管与孔交接处泥浆压力存在变化，在扩孔2 遍后碎石大量聚积在套管端部造成卡钻事故。
4.5 事故处理
    根据计算卡钻处距离套管末端不远处，此处卡钻点距地面深度16m，根据专家讨论的结果采取开挖找到卡钻点后，再进行扩孔、回拖。
根据确定的方案施工单位请当地的水利部门施工单位进行开挖，开挖到预定位置发现地质情况与设计基本相同，经过1 个多月的施工完成了穿越工作。
5 建议
（1）长距离定向钻穿越的设计，扩孔的次数应跟穿越的地质情况相紧密结合，比如穿越的地质情况为胶结的粘土层和中砂层，成孔性很好，孔不易塌陷，要求的扩孔次数可以多些；穿越的地质情况为松散的砂层，孔很容易塌陷，若扩孔次数太多，对造成孔径太大，进而影响到地面的沉陷。
（2）对长江、黄河、珠江、海河等我国重要的河流，水利部门相当重视，定向钻设计不能穿越大堤。只有当同时具备小管径、粘土地层、穿越很深的条件才可以考虑穿堤。
（3） 出入土点距大堤距大堤的距离多少为宜，太近了对大堤的影响非常大，远离大堤，钻孔在大堤下面深一些，对大堤的稳定性有一定好处，但远离大堤会造成堤下面存在穿越形成的软弱带，建议距大堤的距离控制在120-150m。
（4）在设计阶段应提出钻机的能力要求，应比总摩擦阻力大2.5~3 倍。同时时，宜提出钻杆使用前应经检查合格才能施工的要求。
（5）设计过程中要充分考虑各种因素，尽量使设计完美，不要为业主的倾向性意见所左右，要从大局出发，考虑设计、施工的可行性，尽量以节省投资、节约工期为原则。