地下管道水平定向钻施工技术

地下管道水平定向钻施工技术

王军博 

（中国水利水电第九工程局有限公司，贵州  贵阳  550081）

摘要：地下管道的施工，常规采用地面开挖，但在城市建设中，面临地面建筑物与地下构造物的影响，无法进行地面开挖，采用水平定向钻开挖可以完美的在不破坏地面建筑及不影响地面使用的情况下施工。水平定向钻施工是一种采用定向钻机和导向仪器，在预先确定的方向上通过导向钻进、扩孔、拉管等工艺过程实施管线敷设的非开挖施工方法。由于其施工速度快、对周围环境影响小、可穿越地下障碍物和地面建造物等特点得到了广泛的应用。本文通过对水平定向钻地下管道施工进行分析总结，为后续类似项目施工提供经验参考。

关键词：地下管道水平定向钻  导向孔 回拉扩孔

1  背景说明

项目主要标段包括：①黒峪水库、宏图河、凤鸣湖水系连通及清淤疏浚工程；②凤鸣湖东西支提升工程；③小庄河提升改造工程；④西城区水环境治理工程（管网）；⑤智慧水务工程。施工内容大致由6部分组成：①引调水（管道）连通工程（明挖埋设、顶管）；②明渠（河道）连通工程（清淤疏浚、河道开挖与回填、结构层）；②建筑工程（滨水茶室、便利店，物管用房，亲子活动中心，滨水咖啡馆、便利店，滨水书吧，凤鸣餐厅，停车楼等）；③空中栈桥及景观塔工程（桩基础，承台及墩台，上部钢结构，建筑装饰及附属等）；④景观工程（拆除与迁改，景观土石方工程，给排水，硬质驳岸，建筑小品，园路、停车场、活动场地等布置及铺装，绿化等）；⑤夜景亮化（园区基础照明、驳岸与水下亮化、铺装亮化、构筑、小品亮化、绿化亮化、建筑外立面亮化、栈桥亮化、情景亮化）；⑥工程信息化（硬件支撑体系、应用支撑体系、智能应用体系）。

2 导向钻孔设计

钻孔设计主要是根据工程要求、地层条件、地形特征、地下障碍物的具体位置、钻杆的入出土角度、钻杆允许的曲率半径、钻头的变向能力、导向监控能力和被铺设管线的性能等，给出最佳钻孔路线。本项目红线内采用钻机从中间往两头施工。设置三个工作井，钻机由中间往两边引孔，设计最大埋深2.5米，入土角度8-20度。导向孔设计是否合理对管线施工能否成功至关重要。

3  钻孔施工

3.1  钻机的选择

水平定向钻机无论大小，操作与用途都是相似的。对水平定向钻进穿越铺管的钻机来说，回转扭矩和回拖力是其主要参数，它们是根据工程大小及要求选择钻机的重要依据。

可以参考以下公式计算：F拉=πLf [D2γ泥/4 - dδ1 (D -δ1)]+K粘πDL。式中：F拉――计算的拉力，kN；L―穿越长度，m；f―摩擦系数，f=0.1～0.3；D―埋管直径，m；γ―泥浆密度，kg/m3；δ1―埋管壁厚，m；K粘―粘滞系数，K粘= 0.01～0.03。施工所用水平定向钻机额定回拖力可按设计回拖力计算值的1.5～3.0倍进行选取。

本项目钻机采用XZ320D水平定向钻机，发动机功率154kw，最大回拖和进给力为320kn，最大输出扭矩12kn•m，工作质量11.5吨，钻杆直径75mm，单根钻杆长度3m，并配有专用导向仪器及不停钻射流循环泥浆搅拌系统，可快速制备钻进用泥浆。

3.2  施工准备

（1）开钻前先开挖好工作坑，工作坑长度一般3.5米左右，宽度2.0米，深度至少1米。工作坑开挖完成后准备好泥浆搅拌桶，采用聚合物加强性泥浆，由优质膨润土泥浆加少量聚合物制成。该配方中膨润土和聚合物添加量约占泥浆质量的2%,扩孔拖拉中采用同样比例的泥浆，造壁性能良好。

（2）组装好钻头，校准好导向仪，检查导向仪显示的距离是否准确。将导向仪远离导向钻头，用卷尺实测导向仪同钻头之间的距离是否同导向仪显示相同，反复检测几次。如果两者距离相同则表示导向仪显示准确，可以开始钻孔施工，如果不一致则找出原因处理后方可施工。

（3）场地要求：钻机所在工作坑周边场地要求长度不大，但另一端工作坑场地必须有足够的长度来连接管道，至少能同两个工作坑之间的距离一样用来作为连接管道的工作场地。

3.3钻导向孔

3.3.1  监控原理

钻导向孔的关键技术是钻进过程的监测和控制。在钻进导向孔时能否按设计轨迹钻进，钻头的准确定位及变向控制非常重要。钻进过程中对钻头的监测方法主要通过随钻测量技术获取孔底钻头的有关信息。一般采用电磁波法，即在导向钻头中安装发射器，通过地面导向仪接收器测得钻头的深度、鸭嘴板的面向角、钻孔顶角、钻头温度和电池状况等参数，将测得参数与钻孔轨迹进行对比，以便及时纠正。地面接收器具有显示与发射功能，将接收到的孔底信息无线传送至钻机的接收器并显示，以便操作手能控制钻机按正确的轨迹钻进。目前，电磁波法在中小型钻机上应用较多，缺点是必须随钻跟综监控。电缆法在长距离穿越中，特别是地形复杂的工程中应用较多。优点是抗干扰能力强，不需要随钻跟踪；但其操作复杂，选用的信号线必须强度高（不易拉断）、耐磨、绝缘性能好。

本项目采用电磁波导向线仪来进行控制。钻直孔时给进加回转，造斜时只给进不回转。利用造斜或稳斜原理，在地面导航仪引导下，按预先设计的铺管线路，由钻机驱动带锲型钻头的钻杆，从A点到B点（见图-1）钻一个与设计轨迹尽量吻合的导向孔。

图-1 定向钻施工示意图

3.3.2 钻导向孔

开钻时采用轻压慢转，进人平直段采用轻压快转以保持钻具的导向性和稳定性。根据地层变化和钻进深度，适时调整钻进参数。施工过程中，密切注意钻进过程中有无扭矩、钻压突变、泥浆漏失等异常情况，发现问题立即停止施工，待查明原因并采取相应措施后再施工。钻进导向孔时，每2 ～3 m应进行一次测量计算，作出实际钻孔轨迹曲线图，发现与设计轨迹有偏差，及时进行纠偏钻进。曲线段钻进时，一次顶进长度宜小于0.5m，同时应观察延伸长度顶角变量且该变量应符合钻杆极限弯曲强度要求。施工中应采取分段施钻，使延伸长度顶角变化均匀。

3.3.3  导向孔纠偏

纠偏钻进是通过使用斜面钻头或定向高压水射流来实现的。纠偏钻进时，钻杆柱不转动，当钻具面向角调整到位后，钻机传到钻头的只有向前的推力，钻头斜面接触的土体被挤密，因而土体会给钻头斜面一个反作用力，反作用力使钻头偏斜。高压水射流纠偏钻进是由两种作用来控制的，一是斜面钻头的偏压导向作用，另一个是高压水射流的定向冲蚀作用。纠偏钻进时，钻杆柱不转动，高压水射流仅向一个方向射出而冲蚀土体，同时钻头斜面上受到的反作用力使钻头方向改变，从而实现定向钻进。

3.4  回拉扩孔

（1）回扩过程中必须根据不同地层情况以及现场出浆状况确定回扩速度和泥浆压力，确保成孔质量。导向孔钻成孔后，卸下起始杆和导向钻头，换上适当尺寸和符合地质状况的特殊类型的回扩钻头，使之能够在拉回钻杆的同时，又可将钻孔扩大到所需尺寸。一般采用逐级扩孔。预埋管径以内采用排土法扩孔，以外采用挤压法成孔，以保证铺管后地面不致于沉降，不留隐患。在回扩过程中和钻进过程一样，自始至终泥浆搅拌系统要向钻头和回扩钻头提供足够的泥浆。回扩过程中始终保持合适的泥浆量，对泥浆各性能参数进行不定期检测，以调整泥浆性能指标。

（2）扩孔器类型有桶式、飞旋式、刮刀式等。穿越淤泥粘土等松软地层时，选择桶式扩孔器较适宜，扩孔器通过旋转，将淤泥挤压到孔壁四周，起到很好的固孔作用。当地层较硬时，选择飞旋或刮刀式扩孔器成孔较好。一般要求选择的最大扩孔器尺寸按下述分级考虑或按铺设管径的1.2～1.5倍，这样能够保持泥浆流动畅通，保证管线能安全、顺利的拖入孔中。同径铺设时，导向孔完成之后，可直接回拖铺管。终孔孔径一般应为管线外径的1.2～1.5 倍。不同地层应采用不同的扩孔器，分级扩孔原则：一级φ200mm、二级φ250mm、三级φ300mm、四级φ400mm、五级φ500mm 等。根据设计的成孔直径，由小到大分级扩孔，直至扩到工艺要求的孔径。扩孔时钻机不断拆钻杆回拉，另一头工作坑位置不断加接钻杆直到扩孔器从钻机所在工作坑露出。

（3）在钻进回扩过程中，应及时做好施工原始记录，发现钻进时间、轴线角度、扭矩、顶拉力等异常情况，应立即停止施工，待查明原因并采取相应措施后再施工。

3.5铺管和管端处理

3.5.1  预埋管道材料

本工程采用6根直径160mm的HDPE管作为电缆的预埋管，管材连接要严格按电热熔施工要求施焊，回拖前应检查电热熔焊接质量，待焊接自然冷却、检查合格后方能进行拖管。

3.5.2  管道减阻措施

（1）当采用管道发送沟减阻时，应根据地形、出土角等确定发送沟开挖深度和宽度，发送沟的下底宽度宜比穿越管径大500mm，管道发送沟内应注水，最小注水深度宜大于穿越管径的1/3，应在回拖前将穿越管段放入发送沟。

（2）当采用托管架减阻时，应根据穿越管段的长度和重量确定托管架的跨度和数目，托管架的高度设计应满足预制管段弯曲曲率的要求，托管架的强度、刚度和稳定性应满足设计要求。

3.5.3  管道回拖

当扩孔器回拖到钻机所在工作坑以后，扩孔完毕，拆掉扩孔器重新接上钻杆，另一头工作坑一端的钻杆上，装上扩孔器与管前端通万向接、特制拖头等连接牢固，启动导向钻机回拉钻杆进行拖管，将预埋管线拖入孔内，完成铺管工作。在回拖管道过程中，密切注意孔内情况，钻机操作手应密切注意钻机回拖力、扭矩的变化。回拖应平稳、顺利，严禁蛮拖。管材要一次性拖入已成形的孔洞中，中途尽量避免停顿，以减小回拖的阻力在拖管的同时加入专用防润土进行泥浆护壁。在条件许可的情况下，可将全部管线一次性连接。

3.5.4  管端处理

当拖管结束后，采用挖掘机将扩孔器及管前端挖出，拆除扩孔器及万向接，处理造斜段，施工电力检查井，恢复原有场地，清场。

4 施工注意事项

4.1管道与建筑物或既有地下管线的安全距离

（1）当敷设在建筑物基础上方时，与建筑物基础的水平净距不应小于1．5m。

（2）当敷设在建筑物基础下方时，与建筑物基础的水平净距应大于持力层扩散角范围，扩散角不应小于45。

（3）在建筑物基础下敷设管线时，应经过验算后确定深度。

（4）与既有地下管线平行敷设时，管道外径大于200mm时，净距应为最大扩孔直径的2倍以上；管道外径小于200mm时，净距不应小于0.6m；

（5）从既有地下管线上部交叉敷设时，垂直净距应大于0.6m；如在淤泥质地层中穿越，垂直净距应大于1.0m。

4.2泥浆质量控制

铺管过程中孔内要始终充满足够的泥浆。泥浆不仅可以保持孔壁稳定，防止坍塌，还可以对铺管起到很好的润滑作用，大大减小管线与孔壁之间的摩擦阻力。非开挖泥浆的PH值一般应该保持在9～11。根据砂层、粘土层等各种不同的土层情况，应采用不同的配合比，回拉铺管中泥浆的作用要引起足够的重视。

4.3  塌孔预防

4.4.1  塌孔的原因分析

   （1）地质因素：非开挖施工在不稳定地层中施工时，当泥浆压力不能平衡地层压力时，就会发生塌孔。土层被钻具钻开时，孔壁被挤压产生的应力与泥浆液柱压力产生压差，当压差大于岩土屈服强度时就会产生剥落、塌孔，泥浆侵泡下这些现象会更加严重。

   （2）物理因素：扩孔速度过快，泥浆泵压力过大，钻孔内泥浆压力骤增；导向孔曲率半径过小，钻杆或扩孔器旋转挤压孔壁，带动泥浆冲蚀孔壁；导向孔上部地层漏失，地层压力释放，孔内泥浆液柱压力降低，导致塌孔。

4.4.2  塌孔的预防

塌孔的预防措施应首先满足两个条件：泥浆液柱压力大于等于岩土孔隙压力；尽量减少水渗入岩土或孔壁四周的水渗入。

（1）对于地质因素造成的塌孔预防措施有：增大泥浆密度，提高泥浆液柱压力以平衡地层压力；使用较大动塑比值的泥浆来保护孔壁。

（2）对于物理因素造成的塌孔预防措施有：开关泵避免过快，让钻杆尽量保持在恒定张力下工作，以避免液柱压力骤增以及钻具对孔壁的猛烈撞击。根据地下障碍物分布情况做好钻孔轨迹设计和扩孔程序，以避免因导向孔曲率过大引起的钻具回转挤压孔壁。合理控制泥浆密度和流变性能，使泥浆具有一定的液柱压力，保持泥浆的低返速，呈平板流型的状态。提高钻进速度，减少泥浆侵泡冲蚀的时间，同时保持泥浆均匀、性能稳定，严禁出现泥浆性能大幅度变化的情况。

5  结语

非开挖作为一种新型的地下管线建设方法，极大地降低了地下管线施工对交通、环境、基础设施、居民生活工作等造成的影响，减少动迁用房，缩短管线长度，有很大经济和社会效益，成为现代城市基础设施施工、建设、管理的一个重要组成部分。最近几年在我国得到迅猛发展，随着我国城市化进程的加快，非开挖铺管技术越来越受到人们的青睐。

参考文献：

[1] 李暑荣.非开挖管道施工技术应用浅谈.中国水运，2009第02期

[2] 曾聪，马保松.非开挖管道更换和修复技术.非开挖技术，2005年03月

[3] 吴坚慧.排水管道非开挖修复技术综述.城市道桥与防洪，2012年第8期