水平定向钻施工方法的应用

水平定向钻施工方法的应用

王海龙 1 赵莹莹 2

陕西省桃曲坡水库灌溉中心； 2、陕西世远建设工程有限公司

摘 要：水平定向钻进铺管技术是指使用水平定向钻机、控向仪器等设备，按预先设计的轨迹进行导孔钻进、扩孔和拉管，完成地下管道铺设的施工方法，本文通过对水平定向钻施工方法的案例实操，为我们以后类似项目提供借鉴参考。

关键词：钻孔；扩孔；回拖，水压试验

1 工程概况

大峪灌区引水提升改造三期工程施工一标项工程包括管道安装1805m、附属构筑物施工及监控系统安装。原实施方案供水管道材质为DN600球墨铸铁管。其中创意大道、十五号路、五典坡路和春林路，过路需增设DN1200钢筋砼Ⅱ级套管。

1.1、工程地质情况

工程地质勘探，沿线地层自上而下依次为第四系全新统人工填土（ ），上更新统残积（ ）古土壤及中更新统风积（ ）黄土组成。其野外特征见表1.1，埋藏条件及层位组合关系见附录№2。

各层地基土野外特征及埋藏条件 表1.1

1.2、地下水

勘察期间，钻孔深度内均未见地下水，管道施工可不考虑其影响。

1.3、不良地质作用

据近年来西安市地裂缝勘察的有关资料及本次工程地质调查，本场地无地裂缝通过。沿线场地从现地面下1.0m起算，地基湿陷等级为Ⅱ级（中等）～Ⅲ级（严重）。除此之外，未发现其它不良地质作用。

1.4、设计变更情况

本次变更主要因为外围施工环境的影响以及工期的要求，a、因雁翔路修路进展不顺，上游段部分管线设计埋深太浅、部分管线高于现状地面，下游段穿越原雁翔路，车流量大，无法进行明挖作业。b、加上治污减霾冬防要求，工程严重拖期,为满足工程工期要求，经变更剩余管道变更为定向钻施工。

2 定向钻施工

施工工艺原理：利用比钻杆外径略大的箭咀式小钻头打导向孔，钻杆从地面钻入，地面仪器接受由地下钻头传送器发出的信息，控制钻头的方向和深度，钻成准确的定位导向孔。再利用导向孔，反向回扩，回扩时只将设计孔径内的原状土搅碎。最后利用清孔设备清出孔道内泥土，形成安管的通道。在钻进先导孔和扩孔时注水润滑钻具，扩孔搅碎孔内原状土时，要将孔内土搅碎形成塑性泥浆，在清孔时借助于机具的挤压，在孔壁上形成光滑的一层护壁泥皮，用以平衡孔道内的固岩压力，最终造成稳定光滑的安管通道。孔道形成后利用拉力机将管节拽入孔道内，完成安装工作。

定向钻施工工序为：施工准备→测量放线→基坑开挖→设备就位→导向钻孔→预扩孔→清孔→回拖→压水试验→土方回填。

2.1施工准备

2.1.1 水、电、管材准备

水采用原大峪供水管线上规划航天大道绿化带内水源，经水泵抽入龙带引至各工作面的集水桶里；电采用柴油发电机；进场管材的强度及环刚度满足设计要求，具备进场检验的相关资料。

2.1.2 轨迹设计

钻进前依据设计图纸要求的管道内底标高和相对应的原地面标高先计算出钻杆应达到深度来确定定向钻钻孔轨迹。定向钻孔轨迹线段由造斜直线段、曲线段、水平直线段、（与管道排水坡度一致）等组成。

2.2施工测量

2.2.1、平面控制放线

平面控制及放线，依据现有边线，通过勘测方提供的控制点引测本工程的定位点，为保证施工各阶段控制点网，坐标及高程的准确，首先对各控制桩加以保护，同时要做闭合校核。

结合施工图纸管线定位坐标，通过全站仪进行施工放样确定管轴线。

2.2.2、高程控制

高程控制根据勘测方提供的水准点引测施工现场的高程控制点。根据本工程的实际情况，在现场选择固定的地方做临时水准点，并做好保护。

2.3基坑开挖

工作坑或接收坑的深度依据管道高程、所用扩孔钻机尺寸来确定，施工时采用水准仪测量控制。泄压坑设置每段中间位置，深度由所选位置管道高程决定。

K0+137~K0+388拉管坑深8m左右、K1+429~K1+805.8拉管坑深6m左右.深度较大，拉管钻进可采取设计缓冲段，地下坑内定位进行水平拉管的施工方法。工作坑、接收坑开挖尺寸为长5mX宽3m，泄压坑开挖尺寸为R=1000mm,所有坑深度根据拉管流水面高程确定。为保证工作坑内干燥和扩孔施工，在工作坑、接收坑、泄压坑中间设积泥坑，采用1m3挖机将多余泥浆清出坑外。

2.4设备就位

钻孔机安装在工作坑旁边，管道轴线可根据设计图纸及现场条件进行桩位放线确定，钻杆中心与管道轴线应一致。确定拉管机方位后，应固定好钻孔机。此时根据现场测得的井位深度以及钻孔机位置，确定钻杆造斜度，入土角应不超过15°。

钻机安装好后，应试钻运转并检测运转后的机座轴线及坡度是否有变化，借以检查钻机安装的稳固性和固定可靠程度。将泥浆系统与钻机相连，水电系统接入，施工前对管线穿越范围及周边的的建筑物进行详细的调查，防止地下障碍对工程实施造成影响；下锚前应在浅层地下管线前面开探槽，以免对地下管线造成破坏。

2.5导向钻进

　　导向孔施工是工程的重要阶段，它决定管道铺设的最终位置，其重要的施工环节是钻孔轨迹的监测和控制，本次钻进时钻具头部只安装略大于钻杆外径尺寸4cm的矛式钻头，对正既定孔位，监测对中误差达到规范要求，即可开动钻机钻进导向孔。钻进时人力扳拉推进要持力均匀，匀速前进。并应根据给进阻力的大小，判定地层内是否有硬物或土层的变化，以确定注水机给水压力和给水量。钻进时，当地层含水较大地层为砂层或粉质砂黏土，应不注水钻进，当地层较硬或无地下水时，则应提高注水压力。注水主要是起润滑和冷却钻具，减少钻进阻力作用。

　 当遇有硬质障碍物时应缓慢持力给进，当不能钻穿通过时，应记录钻具长度，确定障碍物的具体位置。如地面条件允许可从地面下挖探洞人工下去处理。地面条件不允许时，则只有整体偏移钻孔轴线。一般单个的硬物通过持续的压力注水钻进和搅磨即可通过，此时给进力应均匀不可强推进，防止钻孔偏移。障碍物的位置在钻进过程中应详细记录。

每个钻进班组均应做台班记录，要详细记录钻进长度、轴线偏差、机座校核、土质软硬、障碍物、作业人员等情况。钻进宜按上坡方向进行，以利排水和最后出土，并有利于保证钻孔质量。钻进先导孔工艺见图示。

　　 先导孔钻进示意图

导向钻进是非开挖定向钻进铺管的关键环节。导向钻按设计的深度；标高，随时监测，适时调整。钻进中采用轻压、慢转，注意控制钻头温度，切不可使探头过热。

施工中，施工员、质量员应全过程控制，桩位、管道走向、管道位置等及时复测，确保供水管道施工符合设计要求。

5.6预扩孔

　　导向孔钻进至接收坑，经测量检验，偏差在允许范围内时，卸下矛式钻头换装鱼尾式或三叉式扩孔钻头，开动回拉钻机扩孔。扩孔时人工给进要均匀，匀速回拉。同时注水机要连续注适量水，通过钻具搅拌孔内泥土造泥浆，用以保护成孔孔壁，保持围岩稳定，同时起到润滑作用。根据现场地质情况，采用刮刀式扩孔器。扩孔器尺寸为铺设管径的1.2~1.5倍，这样既能够保持泥浆流动畅通又能保证管线的安全、顺利的拖入孔中。

扩孔时地层土质较软时宜快速给进回扩，地层土质较硬时要匀速缓慢进行。回扩钻孔工艺见图示：

施工过程中，注意地下水位的变化，钻进施工时是否正常，注意土质变化及拉管机的压力，出现异常及时采取措施。

在每级扩孔过程中，为防止扩孔跑偏轨迹，采用回拖扩孔。扩孔时为保证管道可以顺利回拖，要使钻孔直径达到管径的1.3倍以上，并用泥浆护壁，防止钻孔坍塌，保证土体对管壁无损坏。

5.7清孔

在回扩钻孔时，在钻头尾部配装拉链（杆），钻孔回扩到达工作坑时，卸下扩孔钻头，在拉链（杆）一端换装拉泥盘，进行拉泥成孔工作。此项工序主要是拉运出扩孔搅碎的孔内土，形成光滑圆顺的安管通道。拉泥时，首次拉泥采用环形盘，反复来回拖拉后，如阻力减轻则在拉泥盘上加装横挡，再次入孔拉泥，逐次加封横挡，直至拉泥盘全封闭，并能轻松顺利拉出为止。

当地层土质较硬，以粘质土为主时，应先采用环形盘较窄的拉泥盘拖拉，使拽拉阻力变小拉泥盘拉出顺利后，再换上环形盘较宽的拉泥盘拖拉钻孔。拉泥盘环形盘的大小及加装横挡封闭的选择，应根据地层土质确定。最终成形的孔道内壁光滑圆顺，拖孔器拉泥清孔工艺见图示。

5.8回拖   PE管焊缝和管道强度检验合格后，即可进入回拖工序施工。首先用现场制作的“PE管封套”将管头密封，然后在管头后端接上回扩头，管后接上分动器进行接管，将管子回接到工作井后，卸下回扩头、分动器、取出剩余钻杆，堵上封堵头。

施工时，拉管机操作人员要根据设备数据均匀平稳的牵引管道，切不可生拉硬拽。

安管工艺见图示。

5.9压水试验

结合给水管道功能性试验规范进行压水试验，在此不熬述。

5.10工作坑、接收坑回填   工作坑及接收坑回填采用原状土回填，压实度按设计要求控制。施工期间清除工作泥浆，不得直接用作回填土。

水平定向钻进技术是一项施工新技术，它具有施工速度快、施工精度高、成本低等优点，广泛应用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等柔性管线铺设施工中，它适用于沙土、粘土等地况，不适宜地下水位较高及卵石地层，我国大部分非硬岩地区都可施工，本文通过对水平定向钻施工方法的案例实操，为我们以后类似项目提供借鉴参考。