CN108301806A - 一种水平定向钻环空部灌浆施工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平定向钻环空部灌浆施工方法及装置，其中，一种水平定向钻环空部灌浆施工方法，包括：在管线回拖后，在环空部中对环空部进行分段灌浆从而封堵环空部。每段环空部中设置有灌浆部，灌浆部沿其所在段的环空部长度方向绕灌浆部周向多方向灌浆和/或向单一方向灌浆。本发明能有效修复穿越管线对附近地层产生的破坏，特别是在堤坝之下时，可避免堤坝的损坏，保证了堤坝的渗透稳定性、堤坡抗滑稳定性，大大减小堤顶不均匀沉降。

Description

一种水平定向钻环空部灌浆施工方法及装置

技术领域

本发明涉及建筑领域，特别涉及一种水平定向钻环空部灌浆施工方法及装置。

背景技术

水平定向钻穿越施工是一种新兴的地下非开挖管道施工技术，与其他的管道施工方法相比，具有施工简便、快速，对自然环境影响小、施工期可预测等诸多优点。目前，在石油、天然气、自来水、电力和电信部门，水平定向钻已是一种得到广泛认可的铺管施工技术，采用定向钻技术穿越河流及堤坝施工将越来越普遍。

水平定向钻穿越施工主要有以下3个步骤：

图1为水平定向钻穿越施工的导向孔施工示意图。导向孔施工。导向孔施工是按照设计的穿越曲线，从进口连续钻一小孔，使钻杆1连通到出口。连接钻杆1的钻头2上设有两个泥浆喷嘴，在钻机产生的推力和扭矩带动钻杆1使钻头2转动前进的同时喷嘴喷出高压泥浆先冲切周围土体，便于钻头前进，同时泥浆渗入周围土体，增强土体结构。整个钻进过程由计算机完成位置测定、造斜和纠偏三项措施动态控制，使钻头2按设计方向前进，形成一条平滑曲线。

图2为水平定向钻穿越施工的预扩孔施工示意图。导向孔完成后，在出口卸掉钻头2及方向测量仪3，在钻杆1上连接合适的扩孔器4进行扩孔，扩孔器4在旋转扩孔的同时，喷出一定配比的泥浆，使泥浆先充满整个通道。其目的既是泥浆护壁，使周围的土体结构进一步得到加强而不坍塌，也是管线5回拖时起到润滑作用，以减小管线5回拖力。扩孔时，在钻机端每卸1根钻杆1，在出土端就接上1根钻杆1，以保证在任何时刻钻孔中保持完整的钻柱。按此方法钻扩直至钻孔达到要求的直径为止。一般扩成孔的直径为穿越管线5直径的1.3～1.5倍。

图3为水平定向钻穿越施工的管线回拖施工示意图。扩孔完毕后，进行管线5回拖时扩孔器4呈旋转状，一边喷泥浆一边向钻机一侧回拖，使管线5随扩孔器4回到钻机前的入土坑。当管线5回拖完工后，管线5与周围泥浆、孔壁紧密结合为一体，泥浆充满管壁与孔壁之间。

穿越管线产生的问题：

从以上施工过程不难看出，穿越管线5对附近地层产生很大的破坏作用，当位于堤坝6之下时，必将对堤坝6产生不利影响。

实事上，穿越管线5对堤坝6产生的不利影响主要源于施工过程及在管线5与扩孔孔壁7之间的环空部8存在空洞(如图4所示)，主要体现在渗流、稳定与沉降等三个方面：

(1)穿越管线5处易形成集中渗漏通道。图5为渗漏原理的示意图。土体从上往下主要由粉质粘土层10、淤泥层11、中粗砂层12以及风化土层13组成，穿堤管线5与土的接触面往往因受到扰动而发生变化，随着后期环空泥浆固结和土体蠕动变形，在管线5周围形成软弱带，水从中粗砂层渗流到土与管线5管壁的接触面并可能会沿土与管线5管壁的接触面产生集中渗漏通道，发生渗透破坏，造成堤坝6工程失稳。当出现极端不利情况时，环空部8泥浆固结收缩后形成空洞，将产生集中渗漏通道。

(2)施工过程中泥浆压力一般情况下远大于土层有效应力，常出现地表冒浆现象，甚至出现地表隆起，扰动后的土近于软土，抗剪强度指标大大降低。由于管径较小(一般1m左右)，埋深较大(一般超过10m)，单根管线5对堤坝6结构稳定不会产生较大的影响。但当成排布置数根管线5时，整体影响宽度可达20m以上，足以影响堤坡抗滑稳定性。

(3)管线5外周与扩孔孔壁7之间的环空部8，充满泥浆钻液，具有含水量高、渗透性弱微、压缩性大、抗剪强度低、固结时间长、灵敏度高、扰动性大等性质，其工程性质类似于软土。这种浆土混合物在自重及上覆土压力作用下将产生很大的固结沉降，稳定沉降量为初始土层厚度的50～80％，具有大变形非线性的固结特征。在其固结过程中伴随着收缩而形成空洞，造成堤坝6不均匀沉降甚至坍塌。从环空泥浆固结的角度分析，环空泥浆的固结包括孔壁与管线5外侧之间的浆土泥合物的固结和孔壁外侧土体的固结。这两种固结引起的沉降分别为应力重分布引起的沉降与周围土体固结沉降。在实际情况中，这两种沉降是同时存在和发展的。当有数根管线5并排穿越时，将形成叠加效应，如果分布淤泥或淤泥质土，甚至可导致堤坝6失稳，其危害更是难以估量。

事实上，施工后管线5实际轨迹与设计轨迹9存在较大的偏差。根据CECS382:2014《水平定向钻法管道穿越工程技术规程》，允许水平限差为±(0.1+0.05H)，垂直限差为±(0.2+0.05H)。当管线5最大埋深H较大时，如50m，水平、垂直限差将接近3m。由于地层千差万别，复杂多变，实际水平、垂直偏差可能更大。

对环空部8的处理，通常采取的措施有以下几种。一是在地面沿管线布置灌浆机构，但灌浆范围及深度不易精确控制，为避免钻头击中管线造成不必要的损失，灌浆机构往往距离管线较远，难以灌入管线四周的环空部8，尤其是管线底部。因此，从地面布置灌浆机构进行灌浆的效果不佳，难以达到封堵环空部位的目的。

二是在工作井管线四周灌浆，但只能在入口处以下几米有限的深度范围内有效，当穿越深度达十几米甚至几十米时，该种方法无能为力。

三是入口处明挖后回填粘性土。该种方法处理深度更浅，难以达到理想效果。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种水平定向钻环空部灌浆施工方法及装置，其可准确均匀地将环空部完全填充密实，避免由于环空部存在空洞影响地表和地面设施。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种水平定向钻环空部灌浆施工方法，包括：

在管线回拖后，在环空部中对环空部进行分段灌浆从而封堵环空部。

优选的，每段环空部中设置有灌浆部，灌浆部沿其所在段的环空部长度方向绕灌浆部周向多方向灌浆和/或向单一方向灌浆。

优选的，每段环空部中设置一个或两个以上的灌浆部，各灌浆部沿环空部周向设置实现绕环空部周向灌浆。

优选的，当每段灌浆达到设定灌浆量、灌浆压力且孔口或地表有回浆时，停止灌浆。

优选的，灌浆顺序为从环空部延伸方向的中部向两端逐段灌浆。

优选的，每段环空部中分别设置至少一个灌浆部，灌浆部具有防止环空部中的泥浆进入的堵头或单向阀，灌浆时在灌浆压力下所述堵头或单向阀打开，灌浆完成后封堵进浆口；

各灌浆部分别对应各段环空部固定在管线上，当管线回施后，各灌浆部即处于各段环空部中。

一种水平定向钻环空部灌浆装置，包括：沿环空部延伸方向设置于环空部中并用于对环空部进行分段灌浆的灌浆管。

优选的，灌浆管的灌浆口包括沿灌浆口所在段的环空部长度方向开设的灌浆孔，每个灌浆孔在灌浆管圆周方向上相错开或均开设在同一直线方向上。

优选的，灌浆管包括多个，各段环空部中设置有一个或两个以上的灌浆管的灌浆口；

各段环空部中设置一个灌浆管的灌浆口时，灌浆口为环状体，环状体套装于管线上，环状体周向开设有多个灌浆孔；

各段环空部中设置两个以上灌浆管的灌浆口时，各灌浆口沿环空部周向设置或各灌浆口沿环空部周向设置且沿环空部长度方向相错开。

优选的，各灌浆口上设置有防止环空部中的泥浆进入的单向阀或灌浆时在灌浆压力下打开的堵头，灌浆管固定于管线上。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明能有效修复穿越管线对附近地层产生的破坏，特别是在堤坝之下时，可避免堤坝的损坏，保证了堤坝的渗透稳定性、堤坡抗滑稳定性，大大减小堤顶不均匀沉降。本发明能在管线与扩孔孔壁之间的空洞即环空部中能够准确且均匀地灌浆，将整个环空部完全填充密实，避免由于泥浆钻液固结过程中收缩而形成空洞，造成堤坝渗透破坏、堤坝滑坡及不均匀沉降甚至坍塌。

2、本发明针对性强。针对沿管线分布的环空部，将可能出现的隐患部位直接用水泥浆灌填密实，不留孔洞，不留死角，从根源上消除隐患。

3、本发明可保证灌浆质量。由于管线较长，沿管线外周均可存在环空位，分段进行灌浆，可仅在各灌浆管位于各分段的环空部的位置开设灌浆口，减少沿程压力损失，使各个部位灌浆质量得到保证。

4、本发明施工方便。在管线外周提前布置灌浆管，灌浆管可随同管线一同敷设，当在管线回拖完毕后，各灌浆管即到达设定位置，可见本发明施工方便快捷。

5、本发明的造价低廉。仅在管线外周布置数根灌浆管，随同管线一同敷设，与从地面沿线布置灌浆机构进行灌浆相比，造价成本得到大幅降低。

附图说明

图1是水平定向钻穿越施工的导向孔施工示意图；

图2是水平定向钻穿越施工的预扩孔施工示意图；

图3是水平定向钻穿越施工的管线回拖施工示意图；

图4是环空部的横截面示意图；

图5是渗漏原理的示意图；

图6是本发明的环空部分段后在各段环空部中设置灌浆部的示意图；

图7是各段环空部灌浆后的示意图；

图8是出浆口间在灌浆部周向上相互错开设置的示意图；

图9为中部向两端孔口方向灌浆的示意图；

图10是本发明的水平定向钻环空部灌浆装置的一个实施例的示意图；

图11是图10的水平定向钻环空部灌浆装置灌浆后的示意图；

图12是本发明的水平定向钻环空部灌浆装置的又一个实施例的示意图；

图13是本发明的水平定向钻环空部灌浆装置的再一个实施例的示意图；

图14是本发明的水平定向钻环空部灌浆装置的又一个实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

一种水平定向钻环空部灌浆施工方法，包括：

在管线回拖后，在环空部中对环空部8进行分段压力灌浆从而封堵环空部8。当每段灌浆达到设定灌浆量、灌浆压力且孔口或地表有回浆时，停止灌浆。

图7各段环空部灌浆后的示意图。本实施例中，从环空部8延伸方向上，将环空部8分成若干段，并分别对每段环空部8从内部进行灌浆从而封堵环空部8。每段环空部8的灌浆过程可为间歇灌入。

图6为本发明的环空部分段后在各段环空部中设置灌浆部的示意图。作为一个优选的方案，每段环空部8中设置有灌浆部14，灌浆部14可以是管道等，灌浆部14沿其所在段的环空部8长度方向绕灌浆部14周向多方向出浆(灌浆)和/或向单一方向灌浆。选择绕灌浆部14周向多方向出浆(灌浆)优点为可全面将环空部8灌满浆液15，保证不同部位均可灌浆密实，向单一方向灌浆则可满足在特殊情况下有针对性的对特殊情况或特定部分进行灌浆，本实施例中，可一部分绕灌浆部14周向多方向出浆，一部分向单一方向灌浆，具体可根据本领域技术人员按实际情况确定而设置。

绕灌浆部周向多方向出浆(灌浆)时可选择如下方案实现，优选的，每段环空部8中设置一个或两个以上的灌浆部14，各灌浆部沿环空部8周向设置实现绕环空部8周向多方向出浆(灌浆)。每段环空部8设置一个灌浆部时，可实现单向出浆，但该一个灌浆部可以是设置成一个环状体，其沿周向开设多个出浆口16，将其套装于管线上，在灌浆时，灌浆可从各出浆口16喷出，从而达到绕环空部8周向多方向出浆(灌浆)。

还需要指出的是无论是采取一个还是多个灌浆部14，如图8所示，图8是出浆口间在灌浆部周向上相互错开设置的示意图。灌浆部14都可以沿其长度方向在灌浆部14外表面上开设多个出浆口16，出浆口16间可以在周向上相互错开，从而实现在环空部8延伸方向上多位置出浆(灌浆)。

本实施例中，灌浆顺序为从环空部8延伸方向的中部向两端逐段灌浆。具体的，图9为中部向两端孔口方向灌浆的示意图。可以从环空部8中部17即最深处开始进行灌浆，当灌浆达到要求时，停止该段的灌浆，然后再向环空部8两端孔口18方向分别逐段灌浆，可将环空部8中的空气排出，从而保证灌浆密实。

本实施例中，每段环空部8中分别设置至少一个灌浆部14，灌浆部14具有防止环空部8中的泥浆进入的堵头或单向阀，灌浆时在灌浆压力下所述堵头或单向阀打开，灌浆完成后封堵进浆口。

本实施例中，各灌浆部分别对应各段环空部固定在管线上，当管线回施后，各灌浆部即处于各段环空部中。具体的，各灌浆部14固定于管线5上，当管线5穿越环空部8时，灌浆部14即随之进入环空部8，当管线5牵引到位时，各灌浆部14即处于各段环空部8中。

图10是本发明的水平定向钻环空部灌浆装置的一个实施例的示意图；图11是图10的水平定向钻环空部灌浆装置灌浆后的示意图。本实施例中包括：沿环空部8延伸方向设置并设置在环空部中用于对环空部8进行分段灌浆的灌浆管19。

图12是本发明的水平定向钻环空部灌浆装置的又一个实施例的示意图。灌浆管19包括多个，各灌浆管19围绕管线5外周设置，各段环空部8中可设置有一个或两个以上灌浆管19的灌浆口20，各灌浆口20沿环空部8周向设置。

本实施例中，每段环空部8设置有灌浆管19的灌浆口20，灌浆管19的灌浆口20包括沿灌浆口20所在段的环空部8长度方向开设的灌浆孔21，每个灌浆孔21均开设在同一直线方向上，达到向单一方向灌浆，可满足在特殊情况下有针对性的对特殊情况或特定部分进行灌浆。

上述实施例中，灌浆管19的数量既可以为一个也可以为两个以上，灌浆管19分别固定于管线5上。

图13是本发明的水平定向钻环空部灌浆装置的再一个实施例的示意图。其中，灌浆管19沿其所在段的环空部8长度方向，绕灌浆管19的灌浆孔21在灌浆管19圆周方向上相错开设置，可达到周向多方向出浆(灌浆)。绕灌浆管19周向多方向出浆(灌浆)优点为可全面将环空部8灌满浆液15，保证不同部位均可灌浆密实。

本实施例中，需指出的是绕灌浆管19周向多方向出浆(灌浆)时还可选择如下方案实现，优选的，每段环空部8设置一个或两个以上的灌浆管19的灌浆口20，各段环空部8中设置两个以上灌浆管19的灌浆口20时，各灌浆口20沿环空部8周向设置实现绕环空部8周向多方向出浆(灌浆)。每段环空部8设置一个灌浆口20时，可实现单向出浆，但该一个灌浆口20可以是设置成一个环状体，其沿周向开设多个灌浆孔21，将其套装于管线上，在灌浆时，灌浆可从各灌浆孔21喷出，从而达到绕环空部8周向多方向出浆(灌浆)。

图14是本发明的水平定向钻环空部灌浆装置的又一个实施例的示意图。本实施例中，各段环空部中设置两个以上灌浆管的灌浆口20，各灌浆口20沿环空部周向设置且沿环空部长度方向相错开。这样不仅能达到绕环空部8周向多方向出浆(灌浆)且能沿长度方向对各部位灌浆。

还需要指出的是无论是采取每段环空部8中设置一个还是多个灌浆口20，灌浆口20都可以沿其长度方向在灌浆管19外表面上开设多个灌浆孔21，灌浆孔21间可以在周向上相互错开，从而实现在环空部8延伸方向上多位置出浆(灌浆)。

本实施例中，各灌浆口20上设置有防止环空部8中的泥浆进入的单向阀或灌浆时在灌浆压力下打开的堵头，灌浆管固定于管线上。

施工中，灌浆顺序为从环空部8延伸方向的中部向两端逐段灌浆。具体的，图9为中部向两端孔口方向灌浆的示意图。如图9所示，可以从环空部8中部17即最深处开始进行灌浆，当灌浆达到要求时，停止该段的灌浆，然后再向环空部8两端孔口18方向分别逐段灌浆。

每段环空部8分别设置至少一个灌浆管19的灌浆口20，灌浆孔21上具有防止环空部8中的泥浆进入的堵头或单向阀，灌浆时在灌浆压力下所述堵头或单向阀打开，灌浆完成后封堵进浆口；

各灌浆管19固定于管线5上，当管线5穿越环空部8时，灌浆管19即随之进入环空部8，当管线5牵引到位时，各灌浆管19即处于各段环空部8中。

在管线回拖后，从环空部8延伸方向上，将环空部8分成若干段，并分别对每段环空部8进行灌浆从而封堵环空部8。每段灌浆当达到设定灌浆量、灌浆压力且孔口或地表有回浆时，停止灌浆。每段环空部8的灌浆过程可为间歇灌入。

本发明能在管线与扩孔孔壁之间的空洞即环空部中能够准确且均匀地进行压力灌浆，将整个环空部完全填充密实，避免由于泥浆钻液固结过程中收缩而形成空洞，特别是在有数根管线并排穿越时，将形成叠加效应，如果分布淤泥或淤泥质土，甚至可导致地面塌方，而当环空部上方是堤坝时，可导致堤坝不均匀沉降、失稳甚至坍塌，本发明能有效减小空洞体积，对保证堤坝安全是行之有效的补救措施。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水平定向钻环空部灌浆施工方法，其特征在于，包括：

在管线回拖后，在环空部中对环空部进行分段灌浆从而封堵环空部。

2.根据权利要求1所述的水平定向钻环空部灌浆施工方法，其特征在于，每段环空部中设置有灌浆部，灌浆部沿其所在段的环空部长度方向绕灌浆部周向多方向灌浆和/或向单一方向灌浆。

3.根据权利要求1或2所述的水平定向钻环空部灌浆施工方法，其特征在于，每段环空部中设置一个或两个以上的灌浆部，各灌浆部沿环空部周向设置实现绕环空部周向灌浆。

4.根据权利要求1所述的水平定向钻环空部灌浆施工方法，其特征在于，当每段灌浆达到设定灌浆量、灌浆压力且孔口或地表有回浆时，停止灌浆。

5.根据权利要求1所述的水平定向钻环空部灌浆施工方法，其特征在于，灌浆顺序为从环空部延伸方向的中部向两端逐段灌浆。

6.根据权利要求1所述的水平定向钻环空部灌浆施工方法，其特征在于，每段环空部中分别设置至少一个灌浆部，灌浆部具有防止环空部中的泥浆进入的堵头或单向阀，灌浆时在灌浆压力下所述堵头或单向阀打开，灌浆完成后封堵进浆口；

各灌浆部分别对应各段环空部固定在管线上，当管线回施后，各灌浆部即处于各段环空部中。

7.一种水平定向钻环空部灌浆装置，其特征在于，包括：沿环空部延伸方向设置于环空部中并用于对环空部进行分段灌浆的灌浆管。

8.根据权利要求7所述的水平定向钻环空部灌浆装置，其特征在于，灌浆管的灌浆口包括沿灌浆口所在段的环空部长度方向开设的灌浆孔，每个灌浆孔在灌浆管圆周方向上相错开或均开设在同一直线方向上。

9.根据权利要求7所述的水平定向钻环空部灌浆装置，其特征在于，灌浆管包括多个，各段环空部中设置有一个或两个以上的灌浆管的灌浆口；

各段环空部中设置一个灌浆管的灌浆口时，灌浆口为环状体，环状体套装于管线上，环状体周向开设有多个灌浆孔；

各段环空部中设置两个以上灌浆管的灌浆口时，各灌浆口沿环空部周向设置或各灌浆口沿环空部周向设置且沿环空部长度方向相错开。

10.根据权利要求7所述的水平定向钻环空部灌浆装置，其特征在于，各灌浆口上设置有防止环空部中的泥浆进入的单向阀或灌浆时在灌浆压力下打开的堵头，灌浆管固定于管线上。