【摘 要】大唐海阳徐家店风电场一期工程35KV电缆急需下穿蓝烟铁路K116+629处，以便汇集铁路南北两侧风电场发出的电力并输出。作者从现场查勘、初步方案设计、施工图会审、签订合同到项目管理，参入了全过程。最终按设计要求，采用一台XZ-680型水平定向钻机高效、快捷地完成了本工程。本文对重点环节进行了总结与分析。以期该技术能在铁路施工中得到推广和应用。

【关键词】岩石钻具；轨迹设计及修正；有线导航；洗孔及回拖

XZ680 horizontal directional drilling machine in the blue smoke railway （K116 + 629） additional

Application of Protective Facilities in Engineering

Wang Hong

（Jinan Railway Bureau Design Institute Jinan Shandong 250000）

【Abstract】Datang Haiyang Alex shop wind farm phase I project of 35KV cable should be wearing Lanyan railway K116+629， to collect the railway on the South and north sides of wind farms and power output. The author from the site survey， preliminary design， construction drawing review， the signing of the contract to the project management， participate in the whole process. Finally according to the design requirements， using a XZ-680 type horizontal directional drilling efficiency， quick completion of the project. This paper summarized and analyzed the key link in order. This technique can be extended and applied in railway construction.

【Key words】Rock drilling tool trajectory design and correction；Wire navigation；Hole cleaning and back dragging

1. 前言

（1）隨着社会文明的进步和科学技术的发展，使得现代城市的基础设施建设显得尤为重要，而健全的地下管网已成为一个现代化城市的显著标志，由此引发了非开挖管线铺设技术的广泛应用和大力推广。尤其是近几年，随着我国工业制造业的快速发展，各种大吨位超扭矩水平定向钻机大量涌入市场，促使我国的非开挖行业得到了迅猛发展，对传统的开挖法施工进行了彻底的技术革命，它有效解决了河流、道路、铁路和在现有建筑物下铺设管道的难题。我们只有不断地学习新技术、应用新技术、推广新技术，才能满足日益增大的市场需求，让它更有效地服务于城市建设及铁路建设。

（2）本文就大唐海阳徐家店风电场一期35KV电缆下穿蓝烟铁路（K116+629），采用徐工XZ-680型水平定向钻机穿越中-微风化角闪岩层铺设219mm钢套管获得成功的施工案例进行简要分析与介绍。

2. XZ680型水平定向钻机特点

XZ680型水平定向钻机主要技术参数如下：康明斯250KW发动机，齿轮齿条行走马达，最大回拖力/给进力为680/680KN，动力头最大扭矩27000Nm，动力头转速0-100r/min，动力头行进速度20m/min，最大回扩孔直径1350mm，钻杆长度（单根）6m，钻杆直径114mm，入土角度10～18°，泥浆最大流量600L/min，泥浆最大压力100bar，整机质量23000KG，外

型尺寸（长*宽*高）11500*2800*3000mm。该钻机采用PLC控制、电液比例控制、负荷敏感控制等多项先进的控制技术。双速动力头：钻进、回拖可低速运行，空载往返时，可倍速滑动，工作效率高。动力头转速高，成孔效果好，施工效率高。发动机具有涡轮增矩特性，遇到复杂地质时，能瞬时增加动力，确保钻进功率，能单手柄控制推拉和旋转等多种作业。具有绳系控制器，单人就能进行钻机的装卸车作业；安全高效、专利技术的浮动式虎钳，可有效延长钻杆的使用寿命。还具有发动机、液压参数监测报警及多种安全保护，有效保护操作者和机器的安全。钻机本身备有20KN自卸吊，作业快捷、高效。总之，该机性能先进，工作效率高，操作舒适，关键部件采用国际化配套，是供水、煤气、电力、电讯、暖气、石油、天然气等行业施工的理想设备。

3. 工程概况

3.1 工程概况。

3.1.1 概况：

（1）本工程位于蓝烟线K116+926处，新建1-DN219mm钢套管作为大唐海阳徐家店一期工

程35KV电缆穿越铁路通道，防护套管与线路夹角为78°，全长为177.26m。

（2）套管采用定向钻施工，入土点在蓝烟下行线外侧，距离下行线路基坡脚68.12m，入土角16°；出土点在蓝烟上行线外侧，距离上行线路基坡脚49.9m，出土角8°。

（3）该处为路基地段，管顶距上行线路基坡脚处垂直距离为5.09m，管顶距下行线路基坡脚处垂直距离为7.17m。管顶至上、下行线轨面高度分别为H上=16.44m，H下=13.56m。套管穿越轨迹两端为直线，中间为曲线，曲率半径500m，长度为29.73m。如图1所示：

图1

3.1.2 地质：

套管穿越地质层自地面往下依次为强风化片岩层、中风化片岩层、中风化角闪岩层、微风化角闪岩层，其中在铁路路基范围内穿越中-微风化角闪岩层，其基本承载力为1000KPa。

3.1.3 水文：厂区地下水主要为基岩裂隙水，施工期间未见地下水。据调查，水位埋深大于20m。

3.2 线路情况。

本工程位于蓝烟铁路海阳站-桃村站区间。蓝烟铁路为国铁Ⅰ级，双线电气化铁路。套管穿越地段为直线区段，上下行均为P60无缝线路，碎石道床，Ⅲ型混凝土枕，路基为路堤结构，路堤高度约7m。

3.3 技术标准。

该防护套管设计为DN219mm、壁厚8mm的螺旋焊缝钢管，外壁采用了PE加强级外防腐，设计使用年限50年。

3.4 主要工程数量。

定向穿越1-DN219mm钢制防护套管：177.26m。

3.5 主要施工方案。

导向施工采用有线导航，自蓝烟线下行线侧进行导向孔施工。然后使用250mm岩石扩孔器和350mm岩石扩孔器进行两次逐级预扩孔。拖管前利用大量泥浆进行两次洗孔，施工完成后防护套管两端与电缆间采用水泥砂浆封堵。

3.6 施工等级。

邻近营业线B类。

3.7 项目管理。

青岛铁路工程建筑有限公司凭着雄厚的技术实力、先进的设备、科学的施工组织及经济合理的施工费用，通过工程招投标承揽了此项工程。山东济铁设计咨询有限公司（济南铁路局设计所）进行了全过程项目管理。山东济铁工程建设监理有限责任公司进行了工程监理。

4. 方案设计

4.1 工程地质勘察。

（1）水平导向钻进技术的应用中重要的一环是泥浆配置，泥浆配置的好坏关系到施工过程中成孔的优劣，也影响着工程的成功与失败。因此在方案设计之前必须全面的了解施工地段的土质情况。由此，业主委托中铁十局集团有限公司济南勘察设计院提交了《工程地质勘察报告》。

（2）从该勘察报告看，入钻段和出钻段均为强风化片岩及中风化片岩。铁路路基正下方（也就是水平段）均为中-微风化角闪岩；本段岩石虽硬，便于成孔，但岩石本身脆性大，钻头扩孔过程中极易形成或堆积岩屑。因此在施工过程中必须使用大量膨润土护壁和携带岩屑，以保证工程成功。

4.2 导向轨迹设计。

根据工程沿线地段的地质情况、现场自然地貌平面图、断面图、铁路局有关规定及业主的要求，我们首先在微机上利用先进的工程规划软件，经过精确的计算，设计出最优化的钻进轨迹，作为施工图设计文件。同时规划软件也自动生成了导向过程中每根钻杆的参考深度、角度及左右偏差，可在施工过程中作为参考。导向孔轨迹参数表（略）。

4.3 扩孔及回拖设计。

鉴于本工程管线铺设距离较长，埋深较大、且地质情况复杂、岩石很硬等特点，我们计划采用250mm、350mm两个牙轮钻头进行预扩孔，最后利用350mm牙轮钻头带管回拖。

5. 施工过程

5.1 原有地下管线保护。

铁路施工不同于一般施工，为了保证行车安全，首先要组织工务、电务、通信、供电、接触网等相关设备管理单位到施工现场确认地下管线埋设情况，然后由人工开挖露出地表并有效保护，确认100%无差错后方可进行下道工序。

5.2 测量放线。

采用GPS测量系统，按照施工图设计要求进行放线。保证防护套管与线路呈78°相交。入钻点、出钻点逐一标注并埋设好固定木桩。铁路路基上行线坡脚点和下行线坡脚点是关键控制点，要重点标注。同时利用GPS把每根鉆杆（每6m一根）预计到达点投影到地面上，并标注好位置和深度，便于后期导向控制。

5.3 钻机就位。

利用GPS定位系统，保证钻机、入钻点、出钻点呈一直线，并与铁路呈78°夹角。钻机下面埋设长6m、宽4m，40mm厚钢板，并通过钢丝绳与钻机相连。钻机前面埋设地锚箱（长2m、宽1.5m、高2m），地锚箱与钻机固定在一起，防止钻机在推进、钻进和回拖时因受力而产生移位。

5.4 导向孔施工。

（1）本工程我们选择了功率较大的徐工XZ-680型水平定向钻机进行导向孔作业，入土角按16°入钻。由于岩石十分坚硬，钻进至60m（10根钻杆），离下行线路基坡脚尚有8.12m距离时，钻进深度出现上浮，满足不了设计要求，况且进尺极慢。凭经验估计泥浆马达前面的开孔钻头（三牙轮钻头）出了问题。果不其然，退出钻杆及泥浆马达后发现，三牙轮钻头有两个牙轮已出现松动，合金基本磨光磨掉了，这就是不进尺的原因，并导致了钻头上浮（因为上层是较软的强风化片岩）。

（2）此后，我们换上备用的开孔钻头继续导向施工，一切正常，严格按照设计轨迹推进，不足半天，导向钻头已过蓝烟上行线路基坡脚控制点，尚有50米即可到达出钻点。

（3）第三天，导向钻头顺利出钻，出钻角度8°。分析导向记录表（略），所有数据均满足设计要求。

（4）尤为重要的是，穿越铁路是不允许工作人员进入外围栅栏以内的，否则触犯铁路交通运输法。因此，导向施工时采用有线导航，保证导向信号强，导向仪可以显示角度，技术人员通过角度计算，换算出过铁路这59.24m的距离需要钻进多少根钻杆，每根钻杆的角度、钻头的深度，照此参数钻进施工，可以不上铁路导航。实践证明，这是可行的，也是安全的。

5.5 扩孔。

5.5.1 回扩。

在扩孔过程中，我们分别用250mm牙轮钻头、350mm牙轮钻头扩孔器进行回扩，并按不同性质的岩层，使用不同泥浆配比和流量。经过250mm、350mm扩孔器两次回扩后，我们发现两次回扩都在第12根钻杆至22根钻杆（自入钻点至出钻点算起）之间，参数出现变化，都达到峰值，扭矩达12800Nm，拉力达360KN，比正常扭矩9500Nm，拉力180KN高出不少。经过对比记录数据和地质报告分析，我们认为，本段正好处在铁路正下方，施工深度最深达16.5m。岩石最硬（单轴抗压实验值为120MPa），属微风化角闪岩，岩性也最脆，孔内存有大量的岩屑（最大达花生米大）未能悬浮在泥浆中排出而是沉积在该处孔洞内，也就是造成每次扩孔至该处时扭矩和拉力均增大的原因。

5.5.2 正扩。

根据上述情况，我们改变原扩孔方案。一是重新配置泥浆，提高泥浆比重，并加大泥浆泵流量。二是双钻头串联，350mm岩石扩孔器放在前面，从钻机方向向出钻点推扩（正扩），当钻头正扩至铁路正下方时，我们看到，越来越多的灰绿色、灰黑色的角闪岩碎屑随着泥浆大量从出钻点流出。由此可见，该措施取得了预期的效果。

5.6 洗孔。

岩石钻进施工尤其是坚硬岩石钻进施工，洗孔是必须的。本工程采用350mm岩石钻头进行了两次洗孔，同样是增加泥浆比重，加大泵量。洗孔时，入钻点和出钻点都分別携带出了大量的岩屑及碎屑。通过洗孔，钻机扭矩稳定在7500Nm，拉力稳定在100KN。

5.7 带管回拖。

洗孔完成后，立即进行带管回拖作业。由于导向、扩孔、洗孔各工序严格按设计实施，因此，拖管极为顺利。历时半个月圆满完成了全部工程量。最后通过业主验收，施工质量达到其验收标准。

6. 经验总结

本工程的顺利完成，不但使建设单位大大节省了投资，缩短了工期，也使施工单位从中积累和总结出了许多经验，尤其是在铁路施工方面。

6.1 铁路路基坡脚周围原先埋设的管网的保护是穿越铁路施工的重要一环，必须落实到位，且有专人24小时看护。

6.2 GPS放线定位是下穿铁路的唯一途径，没有他选。铁路交通运输法明文规定，任何单位和个人不得进入营业线内。

6.3 钻机位置固定的重要性：在大口径、长距离、下穿深等管道穿越工程中，钻机位置务必固定好，以免造成施工过程中钻机移位使钻机负荷增大甚至无法施工。

6.4 设计钻进轨迹应尽可能平缓，每根钻杆的斜度变化量也应尽量减少，复合曲率半径要求，以便回扩、回拖过程中阻力减少和管道经过造斜段时不致变形。

6.5 泥浆配置在工程中起着极为重要的作用，不同的地层需配置不同的泥浆比例，以便岩屑能悬浮在泥浆中顺利排出孔洞，同时对孔壁进行较好的保护，减小回拖过程中管道与孔壁的摩擦力。

6.6 回扩与正扩的结合使用，在对付特殊地层时有助于工程施工。

6.7 针对不同的地质情况，选择相适应的钻机型号，决定着工程成败。

7. 结束语

大唐海阳徐家店风电场一期35KV电缆下穿蓝烟铁路是我所在铁路施工方面利用非开挖技术成功应用的典范工程。利用该型号钻机高效、快捷、保质保量地圆满完成了艰巨的施工任务，深得业主好评；也为我所在今后的设计、项目管理等方面奠定了基础积累了经验。作者本人对该技术在将来铁路施工方面的推广及应用前景十分看好，也愿意为此项工作作出不懈的努力。