水平定向钻进管线铺设工法

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。