水平定向钻在水利工程中的应用技术

水平定向钻在水利工程中的应用技术
摘要结合定向钻在穿越淮北大堤中的运用，介绍非开挖水平定向钻进技术在水利工程中的应用，以为水平定向钻在水利工程中的进一步应用提供参考。

关键词水平定向钻；水利工程；淮北大堤；应用技术
水平定向钻是在不开挖地表面的条件下，铺设多种地下公用设施（管道、电缆等）的一种施工机械，适用于砂土、黏土、卵石等地况，我国大部分非硬岩地区都可施工[1]。

工作环境温度为-15~45 ℃。

水平定向钻进技术是将石油工业的定向钻进技术和传统的管线施工方法结合在一起的一项施工新技术[1-3]，具有施工速度快、施工精度高、成本低等优点[4]，广泛应用于供水、煤气、电力、电讯、天然气、石油等管线铺设施工工程中。

淮南市袁庄水厂取水管道设计规模2万t/d，近期1.5万t/d运行。

取水管道从淮南市潘集区架河镇境内穿越淮北大堤荆饶段大堤，施工长度70 m，采用非并排双管道DN800 PE管道。

现将水平定向钻在该工程中的应用详细介绍如下，以供参考。

1 前期准备
牵引施工设备配备徐工ZD1245钻机1台、潜水泵2台、泥浆泵2台、导向仪1台、经纬仪1台及泥浆罐、焊接机等。

2施工工序和工艺流程
非开挖水平定向钻孔、拖管施工的主要施工工序有现场勘察，导向孔轨迹设计，施工前准备，导向钻孔，扩孔，管线连接，回拖，试压，冲洗，如图1所示。

3主要施工技术措施
3.1测量放线
（1）根据施工图要求的入土点、出土点坐标放出钻机安装位置线，入土点、出土点位置放线时左右偏差不超过20 cm，沿管轴线方向误差不超过40 cm，并做出明显标记。

（2）在拖管线路的地面上每隔2 m设定1个平面位置控制点，用水准仪测出各控制点的自然地面标高，做好明显标记，从出土点、拖管线路到入土点必须保持直线。

3.2地下管线的探测和保护
为确保地下其他管线的安全，该工程开工前拟采用如下方法对地下管线进行探测并进行必要的保护。

（1）提请建设单位提供施工区域地下管线资料。

（2）采用管线探测仪器测量的方法，测定地下管道、缆线的位置、深度和走向，同时在地表做标记。

（3）根据建设单位提供的管线资料，沿新建连接管道采用横向开挖沟槽的方法，摸清原有管线的具体位置和标高。

（4）取水管道钻孔施工时从施工深度上与管线留出足够的安全距离。

3.3钻机的安装和调试
（1）钻机必须安装在入、出土点的连线上。

（2）钻机安装后，应进行试运转，并调整机头以达到一定的入土角度，以便导向开钻。

3.4导向孔的钻进
（1）开钻前将探测仪的探头置于导向钻头上，测试探头反射信号以保证探头精度，再将导向杆以5~7°入土角度钻入土中，每隔2 m测定1次钻头位置，入土深度达到设计管位中心高程时，导向杆沿管道轴线直走，直到接收井。

（2）在导向钻孔过程中，技术人员根据所测获得钻头的角度、深度等数据，判断钻孔位置与钻进路线图的偏差，再进行调整，确保钻头沿设计轨迹钻进，及时记录好导向数据。

（3）施工中适当控制钻进速度，保证导向孔光滑。

3.5扩孔
该工程采用Φ450、Φ600、Φ900扩孔器分别进行3次预扩孔，最终扩孔直径保证≥1．5倍的铺管直径。

扩孔完成后根据扭矩及回拖力的大小，再使用Φ900扩孔头进行1~2次清孔，确保管线铺设通道通畅。

3.6泥浆护壁
（1）泥浆的作用是冷却和润滑扩孔器、钻杆等，稳定钻孔，悬浮和输送土，减少土尘飞扬，降低由于黏性土层而产生的扭矩，防止塌孔，控制地下压力，防
止地表沉降，清洁钻孔。

（2）泥浆粘度根据地质情况、穿越长度、管线直径及作业方式决定。

初步确定配方为水+优质澎润土+化学泥浆。

并根据导向情况，随时调整泥浆配方。

（3）泥浆在搅拌机内搅拌成糊状用高压注浆机在扩孔时注入，形成泥浆套，注入时必须同时满足用量和压力要求，泥浆的用量应为扩孔容积的2～3倍，其压力应控制在1Mp左右。

3.7管道连接
该工程使用DN800 PE管，采用热熔塑料对接机进行对接。

因接头较多，工作量大，在开始钻导向孔时即开始进行对接。

为保证接头的质量，对接时，要将2个接口刨平，并保持清洁，并保证两管的中心在同一轴线上。

加热温度要到位，对接时要保持规定的压力和时间。

3.8回拖
管道焊缝检验合格后，钻头接上回扩头，分动器连接给水管道进行回拖。

根据孔径、泵量确定回拖速度并根据实际情况随时调整。

将管子回拖到工作井后，卸下回扩头、分动器、取出剩余钻杆，堵上封堵头，进行水压试验，合格后则拖管工程完成。

3.9浆液置换
（1）为防止扩孔直径与管径之差造成道路沉降和淮北大堤防渗要求，可将部分取水管周围的泥浆置换成掺有少量微膨胀剂的水泥浆，加强钻孔周围土层密实度和强度，对管道也起到较好的保护作用。

（2）注浆采用SYB50-45Ⅱ液压注浆泵，注浆管随回拖管一起拖入钻孔，应尽量让注浆管保持在给水管中上方，保证水泥浆注入后分散均匀[5]。

（3）注浆参数选取：水灰比1∶1，水泥选取425#普通硅酸岩水泥。

（4）注浆开始后，两侧工作坑内会有泥浆排出，直到将钻孔注满，两侧工作坑返出纯水泥浆为止。

注浆同时应注意及时清运，防止泥浆进入窨井等。

（5）水泥浆用量=（钻孔体积-管道体积）×A%，式中：A代表可填充比，一般为15～18。

3.10收尾工作
拖管完成后撤退设备，清理工作场地，整理施工资料，画好竣工图。

4给水管线外壁在管道回拖时的保护措施
（1）使用优质膨润土，根据地层情况科学合理的添加化学添加剂。

提高泥浆质量，确保孔壁泥皮薄、韧，以形成光滑孔壁，保护给水管线外壁[6]。

（2）在管线回拖时为防止地面摩擦破坏给水管外壁，在管道下垫设滚轮，每8 m放1个滚轮保证管道受力均匀，减小管线在地表的磨擦力。

5结语
由于水利工程淮北大堤的特殊性，堤防的防渗要求高，要求密切监测穿越段管道四周灌浆土的密实性，必要时须进行二次注浆加密。

非开挖水平定向钻进技术在以后水利工程中的应用会越来越多，通过采取一些简单措施确保回拉设备部件具有正确的尺寸，并得到正确的维护；选用优质泥浆护壁并正确选用泥浆压力；在黏土层中作业认真清孔等可以避免施工中出现各种问题和事故。

实践证明，在大多数情况下，尤其是在繁华市区或管线埋设较深时，非开挖是明挖施工的极好替代方法[7]；在特殊情况下，例如穿越公路、铁路、河流、建筑物等，非开挖施工更是唯一经济可行的施工方法。

6参考文献
[1] 席利军.泥浆工艺研究[J].中国科技致富，2009（2）：34-35.
[2] 张启君.水平定向钻机的施工工艺[J].今日工程机械，2007（8）：82-84.
[3] 朱辉.水平定向钻机分工况作业规律及其控制策略研究[D].长春：吉林大学，2009.
[4] 花蓉.非开挖导向钻机中几种主要结构的设计[J].探矿工作（岩土钻掘工程），2009（8）：11-14.
[5] 郁林聪，宋建安，魏立基.65水平定向钻液压系统设计[J].液压与气动，2010（12）：78-80.
[6] 覃龙.大型水平定向钻穿越复杂地层施工工法[J].非开挖技术，2010（4）：11-13.
[7] 熊勃，隆威.某通信工程中的非开挖水平定向钻进技术应用探讨[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2005（12）：30-32.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。