水平定向钻进管线铺设工法.doc

非开挖水平定向钻进管线铺设工法

1. 前 言
工程建设中地下管道施工通常采用明挖和非开挖进行，明挖施工在城市基础设施建设中通常受场地、交通、环境保护等因素制约多数无法进行；非开挖敷设管道技术在近年得到广泛的应用。由于它不需要开挖面层便能穿越地面建筑物和地下管线及公路、铁路、河道。这项技术的快速发展也使城市供水、燃气、电力、通信、排水工程施工时，对城区的交通、噪音、粉尘的危害和影响大大降低。
非开挖进行管线铺设施工中，顶管施工需建钢筋混凝土工作井、接收井，工序多，工期长，造价高，并存在较大安全风险；而采用非开挖水平定向钻进技术进行管线施工，能缩短工期，降低工程成本。是真正的安全、无污染、高效率的施工技术，目前水平定向钻进穿越地面及障碍物铺设管线技术正在我国蓬勃发展，为更好的推广该工艺，公司在水平定向钻进管线铺设的工程实践中，通过与安徽建工学院合作对设备局部改进，使该技术更适合多种复杂地质条件施工，并最终形成了一套高效的铺设工法。
为适用砂僵土中快速高效定向钻进技术，在凹槽扩孔钻头基础上进行改进，研发了砂僵土专用定向螺旋型钻头，具有如下特征：
钻头整体采用标准螺旋型，具有切削和扩孔双重功能；
钻头刀片采用矩形切削刀；
钻头前端设置梅花型喷射水眼，有利于保护砂僵土管道内壁；
在钻头上设置3道凹槽流线，极利于砂僵土形成的泥浆流动以及钻头冷却。
砂僵土专用定向螺旋型钻头，可减小扩孔阻力，提高切削刀在砂僵土中的耐磨性能和钻进效率，达到快速高效定向钻进效果。

图1 螺旋型钻头

2.工 法 特 点
　　2.1采用非开挖水平定向钻进技术，地上功能正常使用：穿过公路、铁路、机场可不阻断交通；穿过河流可保证河流通畅、不阻断通航、有利于排洪等。
　 2.2环保型施工：由于采用非开挖技术，减少了大量工程土的堆放，对环境影响最小。减少了地面开挖、恢复造成的浪费。　　
2.3缩短工期，节约工程成本：采用非开挖钻孔施工速度快，地上工程保护好，极大地节约了建设成本。
　 2.4节省劳力，安全可靠：与明挖开槽埋管相比较，明显减少了劳动力。定向钻机上配置钻杆自动装卸系统，定长的钻杆排列在一个“传送盘”上，使增加或卸下钻杆的操作可以在钻孔作业不停的状态下完成，加快了施工效率，施工安全，减轻了劳动强度等。
3. 适 用 范 围
水平定向钻进法的适用范围为：管径为300～1500mm；管线长度最大可达1500m，管材为钢管、PE管等。主要应用于穿越河流和水渠、街道、高速公路、铁路、机场跑道、海滩、岛屿、建筑物拥挤的地方、管线通道和运河等的石油、天然气、自来水、污水管线及其它流体的管线铺设和电力与电讯电缆的导管铺设等。

4. 工 艺 原 理
1. 采用矩形切削刀，提高在砂僵土中的耐磨性能；
2. 钻头整体采用标准螺旋型，具有切削和扩孔双重功能，到达减小扩孔阻力，提高钻进效率；
3. 钻头前端设置梅花型喷射水眼，有利于保护砂僵土管道内壁；
4. 在钻头上设置3道凹槽流线，极利于砂僵土形成的泥浆流动以及钻头的冷却，提高扩孔效率。
将定向钻机设在地面上，在不开挖土壤的条件下，采用探测仪导向，在不同地层和深度控制钻杆钻头方向，达到设计轴线的要求，先用导向钻具钻进小口径的导向孔，然后用回扩钻头经多次扩孔，拖拉管道回拉就位，完成管道敷设。

5.工艺流程及操作要点
5.1水平定向钻轨迹设计与原理
导向孔轨迹设计是在管线剖面图基础上，设计出钻孔的最佳曲线。根据开挖的工作坑、接收坑结合设计井位，按照设计管道水力坡度标高来设计钻进轨迹。不仅需要考虑避开穿越区域的地下管线，还要考虑到水文地质、地面环境、铺设管道的管径材质、穿越长度深度、钻机的性能等因素。管道施工的轨迹要满足设计要求，必须考虑入土点、出土点的斜直段、曲线段长度，严格控制水平穿越段各点标高。一般作业标高控制以每根钻杆为一个控制点，按设计管道水力坡度计算出钻进轴线上轨迹标高。入射角度根据已知数据科学计算，8-20°的入、出土角适用于大多数的穿越工程。如果单从施工的顺利程度考虑，在产品管线埋设深相同的前提下，造斜距离越长则轨迹曲线越平缓，有利于后续管的顺利回拖。
5.2施工艺流程
水平定向钻进穿越铺设施工普遍采用：首先钻进导向孔，然后扩孔，最后回拉铺管的施工技术，工艺如下图：

图2 水平定向钻进铺设管线施工工艺
5.3操作要点
5.3.1　施工准备
1　施工主要设备及拖拉管材料选择　
　根据地质和设计管径大小情况，选择合适型号的水平定向钻机；管材的强度及环刚度必须满足设计和施工阶段的荷载要求。
2　测量监测
　 布设监测点 量测地面、管线监测点，及时反馈信息，指导钻进施工技术参数的调整。
　环境监测。定时监测周边建筑、道路裂缝、水位等信息变化，及时直接预警、控制沉降量。
3 开挖工作坑和钻屑池
根据设计的导向孔轨迹，在距离检查井经计算好的距离处开挖一个入口工作坑，在距末检查井经计算好的距离处开挖一个出口工作坑，欲铺设的管线直径大，则出口坑必须延长成适合管道平直回拖的长槽。钻屑池位于入口坑附近，用于收集从入口坑流入的钻屑泥浆，市区也可用泥浆罐车。
对于地表始钻式钻机锚固在地表，出入口工作大小坑视管线埋深和管径适当调整。而坑内始钻式钻机的工作坑，因需要利用坑的前、后壁承受钻进中的给进力和回拉力，则必须对坑壁进行加强和支护。
5.3.2　导向孔与钻进施工
常用的孔内控制钻进方向的机构称为导向钻头，他在钻头底唇面采用非平衡结构设计，钻头唇面是一个斜面，当钻头连续回转时钻进直孔；保持钻头朝某个方向不回转加压时，则使钻孔发生偏斜，钻进斜孔。
钻杆 探头盒（内装探头） 鸭嘴板

图3 导向钻头
1 工作坑内安放导向钻具。检查测量仪器，探头电池的绝缘性能，以防漏电。
2　将探头装入探头盒内，打开接收机和同步显示器，检查转动探头盒。将探头盒与造斜钻头接好并连接在钻杆上，开机输送钻进液，检查钻头喷嘴。
3　钻杆放入导向钻机，就位，使钻杆在设计轴线上。逐节钻进，直至将钻杆钻入拖管坑。钻进过程中用无线手持式测量仪跟踪监测，严格控制钻头轨迹，沿设计轴线前进，如偏差大于规定要求立即调整。
4　钻杆线性与速度控制。钻杆线性直接关系到钻进的速度及孔外压力变化，施工中保持钻杆线性并控制钻进速度，控制地面沉降量在较小范围内。
5　灌浆压力控制。在不同土层中穿越做好泥浆的调配，施工中控制灌浆压力(一般在5Kg内)。即保证施工效果，又减少地表沉降量。
5.3.3　成孔与泥浆护壁
(1)钻井液。水平定向钻机钻进中，钻井液用于稳固孔壁、降低回转扭矩和拉管阻力、冷却钻头和发射探头、清除钻进产生的土屑等，它被视为导向钻进的“血液”。一般采用优质膨润土制备。
(2)钻进液循环。钻进时钻进液会从另一边的上口返出，这时要使用两套泥浆循环系统处理，或运走泥浆，减少环境污染。
　5.3.4　扩孔施工：
导向孔成型后，取下导向钻头，接上反扩钻头、分动器，即可进行回拖扩孔。在拖管坑一端的钻杆上，依次装上不同规格的扩孔器，利用导向钻机回拉钻杆进行扩孔，直至将土孔扩大至设计孔径。

图4 扩孔钻头

5.3.5拖拉管施工
扩孔完成后，即可拉入需铺设的成品管。管子预先全部连接妥当，以利于一次拉入。当地层情况复杂，如：钻孔缩径或孔壁垮塌，可能对分段拉管造成困难。拉管时，将扩孔器接在钻杆上，然后通过单动接头连接到管子的拉头上，单动接头可防止管线与扩孔器一起回转，并拧坏管线。为确保钻孔畅通，回拉时，可向孔内泵入润滑液。

图5 拖拉管施工
5.3.6　注浆加固地基
为了避免地面沉降，提高地基土的承载力（或预防管涌并隔断水源），拉管完成后需要进行注浆加固。
拉管施工前在管线前端连接两根与PE管同长度的∮25钢管,与管线一同拉入土中并一同到达拉管设计终点桩号。到达终点后，解除∮25钢管与管线的连接，在两根钢管前面各加一根6ｍ长同直径的注浆花管。每拽入6ｍ，把钢管和拉管机的连接取消，换成和高压注浆泵连接。注入1：1水泥、粉煤灰浆液（0.4Mpa），从而置换触变泥浆，补充管线周围的空隙。然后再换再拉，再拉再注，反复进行。直到把钢管全部拉出，注浆结束。

6． 施 工 技 术
6.1工程设计计算
6．1．1轨迹测量 一旦选择确定了施工位置，就应该对钻孔轨迹作测量并准备详细的图纸。钻孔轨迹和基准线的最后精度取决于测量资料的精度．
6.1. 2轨迹设计参数：
1覆盖深度 完成岩土勘察，确定了穿越的轨迹，就可确定穿越的覆盖深度，需要考虑的因素包括钻孔施工对地面道路、建筑物或河流的影响，以及对该位置已有的管线的影响。推荐穿越的最小覆盖深度大于钻孔最终扩孔直径的6倍以上；在穿越河床时，应在河床断面最低处之下5m米以上。
2钻孔轨迹控制 钻进导向孔时，每2～3m应进行一次测量计算。
3钻孔直径计算 根据导向孔与适合成品管铺设孔的直径大小和地层情况，扩孔可一次或多次进行。最终扩孔直径按下式计算：
Ｄ’＝ K1Ｄ
Ｄ’——适合成品管铺设的钻孔直径 Ｄ——成品管外径
K1——经验系数，一般K1=1.2～1.5，当地层均质完整时，K1取小值，当地层复杂时，K1取大值。
4 拉力计算
拉力计算: F拉=(G’+ G’×μ)×n
G’-管道总重量在X方向的分量 μ-摩擦系数 n-安全系数
经计算确定所选用拉管机能能否承受承受该拉力。
6.2 设备仪器
6.2.1水平定向钻机 可分为两类：地表始钻式和坑内始钻式。
地表始钻式钻机通常为履带式，可依靠自己的动力自行走进入工地。铺设新管时它们不需要发射坑和接受坑，但管线连接时仍需要开挖。地表发射钻机有几种桩定方式将钻机锚固在地上，性能完善的钻机桩定系统可以是液压驱动的。

图6 地表始钻式钻机

坑内始钻式在钻孔的两端都需要挖坑，但可在空间受限的地方操作。一些设计更紧凑的钻机的发射坑，可只比接管所需的坑稍大一点就行。坑内发射钻机固定在发射坑中，利用坑的前、后壁承受给进力和回拉力。
一些地表发射钻机是整装式的，载有钻进液用搅拌池和泵，以及动力辅助装置、阀和控制系统；也有采用搅拌池和泵等设备分离配置的。钻进液通过钻杆柱内孔泵送到钻头，再从钻杆与孔壁的环空内返回，并把破碎下来的钻屑携带至过滤系统进行分离和再循环。钻机，尤其是地表发射钻机，配置有一个钻杆自动装卸系统，定长的钻杆装在一个“传送盘”上，随钻进或回扩的过程而自动从钻杆柱上加、减钻杆，这种操作与一个自动的螺纹拧紧和卸开装置配合进行。由于钻杆自动装卸系统加快施工速度、提高施工安全和减小劳动强度。
6.2.2导向系统
导向系统有几种类型：最常用的“手持式(walk-over)”系统和有缆式导向系统
“手持式(walk-over)”系统（如下图4），它以一个装在钻头后部空腔内的探测器或探头为基础。探头发出的无线电信号由地面接收器接收，除了得到地下钻头的位置和深度外，传输的信号还往往包括钻头倾角、斜面面向角、电池电量和探头温度。这些信息转送到钻机附属接受器上，以使钻机操作者可直接掌握孔内信息，从而据此作出任何有必要的轨迹调整。
有缆式导向系统用通过钻杆柱的电缆从发射器向控制台传送信号。虽然缆线增加了复杂性，但由于不依靠无线电传送信号，对钻孔的导向就可以跨越任何地形，并且可以用于受电磁干扰的地方。

图7 手持式(walk-over)导向系统
6.3钻进液
钻进液通常是钻进泥浆。钻进泥浆的功能主要是维持钻孔的稳定性。另外，泥浆还有携带钻屑、冷却钻头、喷射钻进等功能。管道与孔壁环状空间里的钻进液还有悬浮和润滑作用，有利于管道的回拖。
钻进泥浆经泥浆泵泵入钻杆，从钻头喷射出来，在经钻杆与孔壁的环状间隙还回地面。钻进液是一种由清水+膨润土+少量的聚合物+处理剂的混合物。膨润土是常用的泥浆材料，它是一种无害的泥浆材料。
钻进液应在专用的搅拌池中配制。从钻孔中返回的泥浆需经泥浆沉淀池或泥浆净化设备处理后，再送回供浆池，或与新泥浆混合后再使用。

8．质 量 控 制
8.1水平定向钻进铺设管线施工施工应执行下列规范及标准
城市地下管线探测技术规程 CJJ 61-94
水平定向钻进技术指南
成功中型定向钻进施工指南
水平钻进安全操作指南
水平定向钻进铺设管线铺设工程技术规范
8.2施工前通过全站仪沿地面上拉管的中心线每3米设置一桩（有障碍物的除外），并沿拉管的中心线撒好白灰线且测出桩高程，算好桩高程与设计管线流水面的关系，确保流水坡度准确。
8.3操作人员遵守制造商推荐的标准化程序，有助于提高深度测量的准确性。
8.4管线在孔内拉动的过程中受重力的作用，会发生管道下沉现象，因此导向钻进的钻进点选择在略高于设计管中线的地方，以减低管道自重对高程的影响。
8.5为防止泥浆流失造成塌孔，应保持在整个钻进过程中有“返浆”，并根据地质情况的变化及时调整钻液配比以产生的不同泥浆。
8.6施工场地开阔是，应尽量降低入土和出土角度，以降低拖拉管的摩擦力。
8.7拉头应与管线连接牢固，密封严密。

8.8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。
8.9用管线封套将管头密封严密，防止泥浆进入管线。

9. 安 全 控 制
9.1在开始工作前和施工期间，应对所有参加施工的工地工作人员做安全技术交底，特殊工种持证上岗；
9.2在工作开始前向当地公用地下管线部门查询，了解施工区域的地下管线情况：提前防范高压电缆、燃气、输油、光缆、供水等地下危险，
9.3严格用电管理，现场临时电线路按规范要求布设，必须由持证的专职电工上岗操作，采用三相五线制供电系统，各类电器设备均安设安全保险装置，严格执行一机一闸一保护。
9.4在工地和交通道路上设置警示标志。工地处于交通路段，工人应穿上醒目的安全服或其它的防护衣。
9.5最好使用有防电能力的安全帽、护眼罩、绝缘手套、防护面具等防护装备。不戴首饰和穿宽松的衣服，以免被机器卷入或牵绊。
9.6使用钻杆不要超出生产厂家允许的最大扭矩和拉应力。
9.7如果遇到钻进突然减慢或停止，应确定是否碰到障碍物，然后再进行钻进作业。
9.8穿越道路、桥梁和建筑物等的基础时，应意识到钻进液液压作用的危险，这些建筑物有升或降的可能。

10. 环 保 措 施
10.1 健立健全环保管理组织机构，编制环境保护措施，对施工存在的污染源进行评估，确定工程施工环节存在的污染源的等级，重大污染源制定防治预案并编制演练计划。
10.2 防扬尘措施
1.专人负责现场及道路洒水防尘工作，施工便道定时洒水，保证道路有车辆通行时不扬尘且无水洼、泥浆。
2. 进入施工现场车速放慢，防止扬尘；严禁超载且车厢遮盖严密，防止水泥、石灰以及其他易飞的材料洒落或细小颗粒材料的飞扬。
3. 禁止车辆带泥上路。
4.严格执行城市市容、环保部门的规定。
10.3 防止施工噪声污染措施
对施工噪声进行严格控制，减少旧设备的使用，夜间严禁使用大功率设备，以便最大限度的减少人为施工噪声。
10.4泥浆处理
大量的泥浆通常在工程结束时才进行处理，处理的经济性依现场具体情况而定。泥浆可做如下处理：1．在另一钻进点再次使用；2．撒布到未开发的土地提高水土保持；3．用排污车排放到垃圾场。

11.效 益 分 析
10.1 经济效益
在我公司近期采此工法铺设的管道工程施工中，因无需拆迁、不阻断交通缩短了施工工期，避免明挖带来的大方量土方挖填及基坑防护等费用，有效降低了项目管理总成本。砂礓土专用钻头与传统钻头施工相比每200米一次成孔工期缩短4天，极大的降低了人工成本，缩短了工期。
10.2 社会效益
运用此项先进技术，成功的完成了**县城市春店路污水管铺设工程、**县世纪大道、向阳西路城市供水管道铺设工程，大大缩短了工程的关键工期，产生了显著的社会效益。
10.3 节能环保效益
施工过程只需对少量泥浆进行回收处理，降低了土方开挖带来的粉尘污染和运输渣土污染；同时降低了明挖作业所造成的能源、资源消耗，节能降耗效果明显；
12．应 用 实 例
11.1 项目案例简介
在**县城市春店路道路工程污水管道施工中，应用本工法完成D400 、D500的PE管拖拉铺设。采用非开挖水平定向钻机工艺穿越现况西红丝沟路、世纪大道，在管道穿越过程中不影响西红丝沟路、世纪大道正常交通，不破坏两条道路的结构。
本污水管道D500长385m,分3次拖入，一次最长铺设140m,管道埋深5.2-5.6m ；D400长324m,分3次拖入，一次最长铺设140m,管道埋深4.5-5.2m.具体实施如下：选用DDW-350地面始钻式钻机（其整装载有钻进液用搅拌池和泵，以及动力辅助装置、阀和控制系统），手持式(walk-over)导向仪。每一施工段开挖发射坑、出口坑。钻进导向孔时，严格按照设计钻孔轨迹控制，每2m进行测量一次。设计钻孔轨迹局部通过流砂层，用膨润土制备泥浆护壁，钻头级配从Φ250mm-Φ750 mm共6个级配逐级扩大，最大Φ750 mm扩孔2次后，一次性成功拉入，管线就位后开挖工作井取出拉头，用水泥浆注浆加固空隙。
正在建设中的**县长春路道路工程中，应用本工法完成D500的HDPE管道的铺设，此次污水管道总长550m，管道埋深5.5-5.9m。
11.2 应用效果
通过两个个项目的成功实施，应用效果好、施工速度快、效率高、安全风险小、节省劳力。本工法有效地解决了不拆除道路、不阻断交通的问题。