非开挖导向钻进铺管技术的应用

非开挖导向钻进铺管技术的应用
摘要:非开挖施工技术在近年来得到广泛的应用，较之明挖技术有着自身的特点。

由于它不需要开挖面层，就能穿越地面构筑物和地下管线及公路、铁路、河道。

从而节省了大量投资和时间。

本文阐述非开挖技术中的导向钻进铺管技术的施工特点及施工工艺，以及作为一种较新的施工技术在实例工程中出现的注意问题。

非开挖导向钻进技术的特点：
不破坏周边环境，对交通、公共设施、建筑没有影响，同时污染小，综合造价低，施工周期短，是一种高效的施工技术。

非开挖导向钻进技术的原理：
由人工控制装有导向钻头的钻杆，沿着设计管道轴线位置和高程钻进。

钻通后把导向钻头换成扩孔钻头进行回扩，最后牵引管道沿着扩孔形成的孔洞穿越就位。

非开挖技术使明挖开槽施工难以实现的目标成为可能，并在工程造价、施工周期、环境保护等方面有着非常明显的优势。

相信它在管线施工中的发展前景将极为广阔。

通过工程实例可以证明，非开挖技术具有良好的社会效益和经济效益，值得在给排水、市政、水利管线工程中大力推广。

关键词：非开挖导向钻进技术泥浆护壁管道焊接扩孔经济效益
绪论
近年来，随着社会高速发展和城市的快速建设，大量的新建管网与已存在的基础设施相矛盾的问题日益突显，如何解决这一矛盾，非开挖技术，作为解决这一问题最有效的技术手段，在近年来得到了广泛的应用。

由于它不需要进行明挖，就能穿越地上设施，从而节省了大量投资和时间。

本文将通过工程实例，来说明这一施工方法取得的良好效益。

一、非开挖技术定义及特点
1、定义
非开挖技术(Trenchless Technology,简称TT技术)是指在不开挖地表的条件下，利用各种钻掘技术手段，铺设、探测、检查、修复和更换各类地下管道或设施的一种施工技术和方法。

目前非开挖地下管线施工技术已达百余种，按其用途可分为管线铺设、管线更换和管线修复三大类。

管线铺设的非开挖施工方法又可分为：顶管施工法、微型隧道施工法、导向钻进施工法、水平螺旋钻进法、气动矛施工法、夯管施工法等。

2、特点
(1) 对周边环境影响小
不破坏周边环境，对交通、公共设施、建筑没有影响，可以说是一种污染小的施工技术。

(2) 高效
综合造价低，施工周期短，是一种高效的施工技术。

(3) 操作性强
作业环境要求低，操作方便，可在复杂的地下环境下施工，是一种可操作强的施工技术。

二、非开挖导向钻进技术的定义及原理
1、定义
导向钻进法是目前发展最快的一种非开挖铺设管线施工法，它主要用于在较软的地层中铺设长度较短的小口径地下管线。

一般是一次铺设长度在200m以内，口径≤800mm，成孔方式均以斜面钻头来控制钻孔方向。

其对地表干扰小，施工速度快，精度较高（3%-5%），但施工时必须注意安全，防止触电和损坏相邻管线，不适用于沙石和砾石层，深度受到控制（视探测器的能力而定，一般在10m 以内）。

适用管材为聚乙烯（PE）管、钢管。

2、原理
其工作原理是由人工控制装有导向钻头的钻杆，沿着设计管道轴线位置和高程钻进。

钻通后把导向钻头换成扩孔钻头进行回扩，最后牵引管道沿着扩孔形成的孔洞穿越就位。

即：管道铺设分两步进行。

首先是沿所需的轨迹钻导向孔，然后回扩钻孔以加大孔径。

然后是回拖过程，工作管通过旋转接头与扩孔器连接，并随着钻杆的回拖把管道拉入扩大了的钻孔中。

在复杂地层条件下、或孔径需增加很大时，可采用多级扩孔的方法将孔径逐步扩大。

三、工程实际应用
1、工程概况
本工程为北京市中心城区重点水域陶然亭湖水质改善工程第1标段（土建部
分）。

由于开槽施工需拆除现况小山、公共设施、古树、竹林灌木等，从而导致施工条件复杂、代价大、造价高等多种不利因素，经过对施工方案研究比对，决定采用非开挖导向铺设管道。

主要工程量为：西线进水聚乙烯管道DN400PE管道162m，东线进水聚乙烯管道DN500PE管道96m，东线出水聚乙烯管道DN500PE管道96m。

2、施工工艺流程
（1）施工前准备
2.1.1平面布置
经现场勘察，南侧为山丘、树林高低不平，北侧干枯的河堤较平整；拟将铺管钻机放置在北侧的干枯的河堤上，南侧作为焊管场地。

2.1.2进场前的准备
2.1.2.1施工前先对现场进行地层勘探,地层勘探主要了解有关地层和地下水的情况,为选择钻进方法和配制钻液提供依据。

其内容包括：土层的标准分类、孔隙度、含水性、透水性以及地下水位、基岩深度和含卵砾石情况等。

可采用查资料、开挖探坑或钻探方法获取。

2.1.2.2结合各方提供的资料，熟知施工区域范围内有无地下管线，地下管道、电缆等，对其数量、走向和高程进行标定，为设计钻进轨迹提供依据，有必要请专业物探部门进行对路由的勘测，以防施工时受损。

勘察设计管道所穿越的位置是否有足够的空间，以满足钻机固定位置和导向所需。

2.1.2.3以钻机路线的入土点和出土点各挖一个工作坑和接收坑，尺寸长为
3.5m×宽2.5m×深2.5m，便于钻机入土开钻和管材入土。

2.1.3技术准备
2.1.
3.1组织工程施工人员进行技术交底，了解施工特点和技术要求，熟悉施工操作规程和各项技术数据。

2.1.
3.2根据敷设管道的管径尺寸，确定管道孔的扩孔次数和每次回扩所使用的回扩器的规格。

2.1.
3.3技术人员根据有关技术数据和施工区域范围内的管道、电缆等设施资料，制定出模拟钻进路线图，使操作人员能直观地了解工程整个钻进过程。

2.1.4主要设施设备准备
2.1.4.1采用国产DDW-320铺管钻机，无线制导导向仪。

另配功率为320l/min
的大排量泥浆泵和容量2立方米的撬装式泥浆快速搅拌站；全功能数字仪表显示操纵台。

如图2-1、2-2所示：
图2-1：国产DDW-320铺管钻机
图2-2：撬装式泥浆快速搅拌站
以下为钻机的主要技术参数，如表2-1所示
表2-1 DDW-320型钻机主机
2.1.4.2无线制导导向仪
导向系统有几种类型，最常用的如“手持式(Walk-Over)”系统，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。

这些信息通常也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。

2.1.5材料准备
工程开工前，完成各项施工用料和管材的调查落实，经试验合格后，材料一次组织进场。

材料进场要做好存放、保管工作，并做好标识。

(2) 钻孔
2.2.1确定穿越距离和设计穿越线路
根据相关资料，结合施工现场和钻机的实际情况，确定出铺管的距离，一般一次钻铺不大于200m。

描绘出导向管的路线图，以确定敷设管线的长度、深度。

2.2.2设备就位
在地面上架机，安装在管道轴线位置上，就位后将钻机锚固好，调整机头以达到一定的入土角度，一般钻孔角度应在10～18度之间，以便导向开钻。

2.2.3导向钻孔
开钻前将探测仪的探头置于导向钻头上，并测试探头反射信号是否正常，再将导向钻头按入土角度钻入土中，通过给进和钻进过程直到接收坑，最终成孔直径110-130mm。

在导向钻孔过程中技术人员根据所测获的钻头角度、深度等数据，判断钻孔位置与钻进路线图的偏差，再向钻机操作人员进行调整，及时记录好导向数据。

(3) 扩孔
根据现场地质情况，本工程采用刮刀式扩孔器分级扩孔。

φ400管线最后扩孔孔径为φ500，才能保证管线安全、顺利的拖入孔中，也就是要经过φ200、φ300、φ400、φ500的逐级扩孔，才能完成管线的扩孔作业。

扩孔前3级使用高转速档进行回扩，回拖力控制43.5 KN，扭矩在2300-2762N.m之间。

其中第一级200mm 共使用了3个小时；第二级300mm共用了3.2小时；第三级400mm使用了4小时；最后一级500mm，考虑保持成孔质量和孔的稳定性，决定采用低速档回扩，共用5.5小时完成扩孔。

在工程实际应用中，一般保证管道的通过性，扩孔直径应大于设计直径1.2-1.5倍。

(4) 泥浆护壁
非开挖拉管施工中泥浆起到举足轻重的作用，泥浆配比的好坏是铺管成功的关键。

泥浆具有润滑和冷却钻头，乳化砂土，稳定孔壁，平衡地层压力，减少铺管阻力功能。

泥浆被广泛应用于非开挖铺管工程中。

本工程选用的DDW-320型铺管钻机有混合搅拌、泵送系统。

施工中将水、膨润土、聚合物等加入混合仓，进行充分搅拌形成钻液。

然后由钻液泵将钻液通过中空钻杆输送至孔底钻头，并与孔中钻屑混合形成泥浆在孔底流动。

，形成泥浆套。

考虑到地层泥浆较易流失，泥浆流失后，孔中缺少泥浆会造成塌孔等意外事故，钻杆及管道与孔壁间的摩擦力增大，导致拉力增大，甚至超过铺管机的最大负荷，最终导致拉管失败。

因此要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，尤其重要。

2.4.1一般铺管在粘土层中施工，泥浆选用清水泥浆：水75%+膨润土24%+钻液宝1%。

例如姚家园路中水管线工程0+225~0+375段DN500中水管线铺管工程和朝园东路0+006~0+090DN400中水管线铺管工程的土质都为粘土层，都选用了清水泥浆，施工过程非常顺利。

2.4.2一般铺管在黏性土层、老黄土层中施工，选用碱水泥浆：膨润土22%+钻液宝1%+水75%+工业纯碱2%。

例如六里屯路中水管线0+840~1+010段铺管工程中的土质为黏性土层，选用了碱水泥浆，效果也很好。

2.4.3在砂土层中施工，对泥浆的要求较高，施工前需现场取样试配泥浆的配比，配出的泥浆呈糨糊状，砂粒呈悬浮状。

例如清河污水处理厂至黄土店北路再生水管线0+615～0+760段中水管线，施工为DN600PE管，管线穿越民房。

施工管线穿越层为砂层，管线全长145m，施工需保证民房基础不发生沉降。

前期施工中采用常规的泥浆配比为膨润土22%，钻液宝1%，水75%，工业纯碱2%，在扩孔施工中进行泥浆护壁。

施工中出现多次“险情”，砂层将回扩器“抱死”，孔内坍塌、沉淀，泥浆中水份流失，钻杆几次因超负荷而被拉断。

分析原因，该施工段砂层土质及其松散、无凝结力、水份易丢失，且拉管管线较长，扩孔孔径需是管外径的1.5倍，扩孔较大，时间较长；同时由于施工处于冬季，泥浆施配过程中容易冻结，配合比掌握不恰当。

根据以上情况在泥浆中加入了聚丙烯铣胺（PNM）、羧甲基纤维素（CMC）材料，此材料起增粘、堵漏以及润滑钻杆的作用。

且在现场取土样试配多次，确定泥浆的配比为：膨润土10%+钻液宝1%+水70%+工业纯碱2%+聚丙烯铣胺（PNM）7%+羧甲基纤维素CMC10%。

按此配比泥浆的作用起到很大变化，钻机扩孔拉力和扭距降低了一半。

扩孔成型后，拖拉管仅花费了3小时就将管线铺设完成。

(5) 管道焊接（热熔连接）
管道接口质量的好坏直接影响到铺管施工的顺利进行，因此要严格把握管道焊接的施工工艺。

这里以聚乙烯（PE）管道焊接为例：
2.5.1 首先热熔连接前、后连接工具加热面应用洁净棉布擦净。

2.5.2 热熔连接加热时间和加热温度应符合热熔连接工具和管材、管件的允许相应规定。

2.5.3 热熔连接保压冷却时间，不得移动连接件，且连接件上不得施加任何外力。

2.5.4 管道连接前，管材固定在机架上，取下铣刀，闭合卡具，对管子的端面进行铣削，当形成连续的切削时，退出卡具，检查管子两端的间隙（不得大于3mm）。

电熔连接面应清洁干净，无杂物。

2.5.5 热熔对接连接，两管段应各伸出卡具一定的自由长度，校对连接件，使其在同一轴线上，错边不宜大于壁厚的10%。

2.5.6 加热板温度适宜（220±10℃），当指示灯亮时，必需在等10分钟使用，以使整个加热板温度均匀。

2.5.7 温度适宜的加热板置于机架上，闭合卡具，并设系统的压力。

达到吸
热时间后，迅速打开卡具，取下加热板。

应避免与熔融的端面发生碰撞。

2.5.8 迅速闭合卡具，对接管道，并在规定时间内，匀速地将压力调节到工作压力，同时按下冷却时间按钮。

达到冷却时间后，（一般不小于45min），然后将压力降为零，打开卡具，取下焊好的管子。

2.5.9 卸管前一定要将压力降至为零，若移动焊机，应拆下液压软管，并做好接头防尘工作。

2.5.10 合格的焊缝应有两道翻边，焊道翻卷的管外圆周上，两翻边的形状、大小均匀一致，无气孔、鼓泡和裂纹，两翻边之间的缝隙的根部不低于所焊管子的表面。

一般高于管面2-3mm为宜。

2.5.11 管道连接时，施工现场条件允许时，可在在沟槽上进行焊接，可节省二次装运，管口应临时堵封。

在大风环境下操作，采取保护措施或调整施工工艺。

(6) 拉管
扩孔完毕后，在管头后接上回扩头，管后接上分动器进行接管。

拉管时间过长，会导致孔中泥浆水分渗漏、缺失及沉淀，加大回拖阻力。

因此在拉管施工前将管道焊接全部完成。

具体施工时，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。

在本工程中，为保险起见，在拉管前先进行一遍洗孔作业以待观察是否成孔。

2010年4月20日晚上10点28分，洗孔完毕，从钻机上看出，扭矩基本在2000N.m以下，接近空转扭矩，可以进行拉管；11点30分，500mm 的挤扩式回扩器带管入土，回拖力61.7.-93.1KN，扭矩在3588 N.m以下；凌晨2点30分，成功将管线拖至接入口处，工程顺利结束。

(7) 铺管的质量控制方法及要求
2.7.1 管道铺设要符合相应设计规范、规定要求；并要保持管内壁干净，拉管过程中封堵内壁。

2.7.2 拉管过程中，操作手严格按照地面预布控制桩的平面位置和高程控制钻头走向，每隔水平距离3m校核一次。

(8) 试压验收：按《给水排水管道工程施工及验收规范》进行水压试验。

(9) 注意事项
应用非开挖导向钻进铺管技术时应注意以下事项：2.9.1施工前应掌握施工位置的地质状况，选择适当结构的钻头。

2.9.2仔细清查钻进轨迹中的地下管线情况，掌握地下管线的埋深、管线类型和管线材料，根据实际情况编制施工方案。

2.9.3 泥浆护壁的种类选择极为重要，根据不同的地层种类配制不同的泥浆。

2.9.4 导向孔施工前应对导向仪进行标定或复检，以保证探头精度。

2.9.5 导向孔每3米测一次深度，如发现偏差应及时调整，以确保导向孔偏差在设计范围内。

2.9.6拖拉管线前应作好安全辅助工作，特别是拖拉非金属管线时，避免损伤管材。

2.9.7管线拖拉完毕后，应按管道试压规程进行试压，验收合格后方可进行管道接驳。

四、经济效益
在本工程中，由于采用了非开挖导向技术，工程直接成本降低了45%，工期提前了1/3，最重要的是在不破坏一草一木的前提下圆满的完成了施工任务，取得了很好的社会效益，明挖与非开挖导向方案对比如下：如表4-1所示
表4-1方案综合分析对比表
通过对多个工程的统计，采用非开挖导向技术较之明挖，成本可节约在25%-50%，工期可提前30%-65%。

可见其带来的经济效益及社会效益十分明显。

五、非开挖导向技术的局限性
在众多工程实例中，非开挖导向技术的局限性可以总结如下几点：
1、受地质影响，在砂石基层中施工难度较大。

主要是导向钻头钻进变得非常困难，而且精度比较差；即使导向成功，砂石类土没有可塑性，扩孔施工时孔内塌陷严重，甚至不成孔。

2、其次在打导向孔和扩孔施工中，遇到地下比较坚硬的障碍物时，打导向孔和扩孔极易过不去，导致失败。

3、受制导导向仪精度及工作范围限制，导向深度不宜过深，一般在10m 以上，否则制导的准确性大大降低。

4、受钻机的技术参数限制，导孔及扩孔长度不宜一次性成孔超过200m。

5、目前国内的拉管设备铺设的管材管径不易过大，由于国内的拉管设备机械运转慢，施工时间相对而言偏长，扩孔过大容易塌方，一般扩孔不超过1m。

以上技术上的局限性，随着科技的不断进步，非开挖导向技术的不断成熟也在逐步的完善，国际厂商推出了的各种新式产品和新技术，不断对设备进行更新。

例如美国威猛公司（VERMEER）公司钻机使用的TRIHAWK钻头，可以对各种岩层地质进行掘进。

结论
非开挖技术使明挖开槽施工难以实现的目标成为可能，并在工程造价、施工周期、环境保护等方面有着非常明显的优势。

相信它在管线施工中的发展前景将极为广阔。

通过工程实例可以证明，非开挖技术具有良好的社会效益和经济效益，值得在给排水、市政、水利管线工程中大力推广。

它的存在和发展，也意味着“拉锁工程”的时代将会一去不复返。

参考文献:
[1] 给水排水管道工程施工及验收规范（GB50268-2008）
[2] 聚乙烯燃气管道工程技术规程（CJJ63-2008）
[3] 水平定向钻进管线铺设工程技术规程（DBJ13-102-2008）。