水平定向钻穿越技术的应用

水平定向钻穿越技术的应用
摘要：水平定向钻穿越是非开挖施工技术的重要组成部分，该技术起源于石油钻井行业，该技术不阻碍交通、不污染环境、不破坏植被、不影响周边建筑物，可以按最短的合理途径穿越河流、湖泊、公路、铁路、城市建筑物等施工效率高，节约材料消耗，有较好的经济效益和社会效益。

在可比性相同的条件下，非开挖管线铺设、更换修复的综合经济效益和社会效益均高于开挖施工，管径越大埋深越大时越明显。

主题词：定向钻穿越非开挖
水平定向钻穿越是非开挖施工技术的重要组成部分，该技术起源于石油钻井行业， 1964年第一台水平定向钻机问世，1978年钻机发明者研究出同一扩孔内同时回拉敷设多条管线的技术，现代水平定向钻进技术工艺走向成熟。

1水平定向钻技术特点
1.1不阻碍交通、不污染环境、不破坏植被、不影响周边建筑物，可以按最短的合理途径穿越河流、湖泊、公路、铁路、城市建筑物等施工效率高，节约材料消耗，降低施工费用，而传统的施工方法是无法做到的。

1.2由于使用了高精度的跟踪定位技术或MWD技术，可以控制铺管的方向和路径，通过对设备的认真操作，及时校正管道走向，可将误差控制在每100米5cm以内。

从而避开地下原有的公共设施和施工复杂区。

1.3有较好的经济效益和社会效益。

在可比性相同的条件下，非开挖管线铺设、更换修复的综合经济效益和社会效益均高于开挖施工，管径越大埋深越大时越明显。

1.4施工速度快：穿越速度可达3—5M/min，一次可穿越1km以上。

按管线建造地的实际情况及沿线管件的安装位置设计施工段，在施工段的两端开挖操作坑。

大量减少了开挖面积，避免了大开挖而造成的一切不利因素。

2水平定向钻穿越技术介绍
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（图1），各分项技术工艺如下：
2.1导向孔
导向孔钻进一般采用小直径全面钻头，进行全孔底破碎钻进，同时使用钻进液喷射辅助破碎方式钻进。

在钻头底唇面上或钻具上，安装有专门的控制钻进方向的机构。

在钻具内或在紧接其后部位，安装有测量探头。

钻进过程中，探头连续或间隔地测量钻孔位置参数，并
通过无线或有线的方式实时地将测量数据发送到地表接收器。

操作者根据这些数据及其处理这些数据得到的图表，采取适当的技术措施调整孔内控制钻进方向的机构，从而人工控制钻孔的轨迹，达到设计要求。

常用的孔内控制钻进方向的机构主要有两类：一类是钻头底唇面采用非平衡结构设计，如常钻头唇面是一个斜面，当钻头连续回转时钻进直孔，保持钻头不回转加压时，则钻孔钻进偏斜。

这类方法因需要在不回转的条件下破碎岩层，所以在软质的土层大多数采用。

2.2扩孔
导向孔完成后，必须将钻孔扩大至适合成品管铺设的直径。

一般，在钻机对面的出口坑将扩孔器连接于钻杆上，再回拉进行回扩，在其后不断地加接钻杆。

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。

推荐最终扩孔直径按下式计算：
D＝ Ad
式中：
D——适合成品管铺设的钻孔直径
A——成品管外径
d——经验系数，d=1.2～1.5，当地层均质完整时，d取小值，当地层复杂时，d取大值。

2.3拉管
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，保证管线能够平滑地回拖成功。

图1水平定向钻进铺设管线施工工艺过程
3实际施工中的要点
在孤岛基地生活污水收集系统建设工程中，我项目部采用水平定向钻穿越技术进行了部分管线的施工，由于对该技术运用经验较少，项目运行过程中出现了许多问题，下面对该工程中出现的问题及定向钻穿越技术中赢注意的几点问题做下汇总。

3.1施工前准备
仔细对图纸进行研究，若该工程为重力流管线，建议不采用定向钻穿越施工。

因为重力流管线对管线敷设标高要求非常严格，尤其是排水管线，往往其中有大量杂质，采用定向钻穿越技术精度较差，敷设的管线易产生起伏，在U型弯处出现杂质淤积，导致管线阻塞，需对敷设管线进行频繁疏通，提高管线运行成本。

定向钻穿越工程开工前应要求建设单位提供详细的地质勘探报告，已有地下管线——委托人应找到所有已有的地下管线位置。

承包人在施工前，有义务进行核实或现场验证。

损坏已标识出的设施，责任应由承包人承担；损坏未标识出的设施，责任应由业主/委托人承担。

承包人对包括地下坍塌或爆炸做综合责任保险很重要。

地层条件——地层条件在很大程度上影响钻进速度、孔底钻具选择及其它关系到承包人价格的问题，因而提供的地层资料作为合同价款的基础，对委托人最有利，这将确保投标的可比性。

然而合同也应允许有因不同的或未预见的地层变化导致价格的变化。

以上是工程施工进行的必要保证，必须进行提前确定，
以免日后甲乙双方产生分歧及重大争议。

3.2地质勘察
建设单位（甲方或业主）提供管线工程平面图、既有管线地下管网图及工程技术要求。

工程勘察应包括工程地质、水文地质、地形、地貌、地面建（构）筑物及既有地下管线探测、管线铺设路由勘察等。

3.3场地要求
当穿越深度埋深小于15m，选择无线导向时应该核实现有定向钻周边环境是否存在高压线、微波站等信号干扰源，避免出现定向钻导向偏差。

在定向钻穿越技术对施工场地有一定要求，钻机侧(入土点)是定向钻施工的主要场所，施工占地较大，小型水平定向钻机的安装场地一般约40m×40m，大型水平定向钻机的安装场地一般约60m×60m。

管线回拖时应有场地放置已连接的待穿越管线，尽量进行一次拖入。

3.4管材选用
定向钻穿越采用管材主要有钢管、PE管两种，在开工前一定要仔细计算核实甲供材或自购穿越管材，避免材料影响穿越施工，例如孤岛基地生活污水收集系统建设工程中甲供PE管壁厚较小，无法进行长距离施工，大大提高了施工成本及难度。

采用泥浆扩孔回拉的钢管，其壁厚应根据埋深、回拉长度和土层条件等确定，钢管最小壁厚可按表1选用。

表1 定向钻铺设常用钢管的最小壁厚表
注：管径大于630mm，小于1000mm的钢管设计的壁厚由计算确定。

定向钻铺设PE管的主要设计标准应满足在给定压力条件下的流量要求和铺设过程中的荷载（摩擦力、弯曲应力、浮力、水动力、张应力等）作用的总应力以及回拉力的要求。

PE80、PE100管材公称压力SDR值应按表2选用。

表2 PE80、PE100聚乙烯管材公称压力和标准尺寸
注：SDR指管径与壁厚的比值
3.5穿越施工
定向钻穿越施工首先要确定扩孔的大小，可根据表3确定：
表3 生产管径和终孔孔径的关系
然后是泥浆的调配，泥浆粘度见表4：
表4 泥浆粘度表
4 PE管道穿越质量保证措施
4.1施工阶段的质量控制
钻导向孔是施工的关键工序，直接影响穿越的曲线及回拖的成功与否。

遇到软地层时不得加快速度，增加压力，遇到硬地层时要减轻压力，所谓“软不加，硬要减，软硬交接面要划眼”。

此段最容易造成倾角和方位角变化大而给后续工程留下最大隐患，一定保证按设计轨迹成孔并且是一个规则的剖面，避免形成键槽、台肩和井径变化率大而影响成孔质量。

定向钻导向测量系统是根据钻头在钻导向孔时所处的位置把测定结果通过有线或无线传输形
式，以三维坐标值在计算机显示出来，然后人工标图。

在穿越过程中，密切关注出入土角度、钻杆折角、方位角等穿越参数，与设计曲线对照调整参数，保证控向偏差不超标，在钻进过程中。

4.2 PE管道熔接专项质量保证措施
PE管热熔焊接的常见问题以及预防措施介绍如下：
（1）管材对接
常见问题：管口错边量大于10℅。

预防措施：焊接人员要有责任心，要反复几次调口、目测圆周外无明显错边，用手触摸无错边手感。

（2）管口铣削
常见问题：铣削端面不齐，有凸凹现象。

预防措施：铣削时当产生连续刨花时，铣刀不要停再开启端面，观测铣削端面有无凹凸现象，如有需重新铣削。

闭合两管端面，检查两管端的错边量是否在允许范围内，如不合格必须重新调口及铣削，至合格为止。

（3）焊接压力、加热及吸热：
常见问题：焊接压力过大或过小，加热时间过长或过短都会形成翻边量过大或过小形成假焊。

特别是手动焊机，压力不好控制。

预防措施：在施工前要计算好所焊接管材的压力、温度及吸热时间。

一般焊接压力为拖动压力加规定压力。

拖动压力可以在焊接前测出，规定压力(Mpa)等于管材截面积（mm2）×0.15/油缸截面积mm2,加热及吸热时间视管材直径而定。

一般目测翻边量达到规定高度转为吸热阶段，吸热阶段要将压力卸至拖动压力，吸热时间为管材厚壁(mm)乘以10（秒）（4）焊口的冷却：
常见问题：冷却时间不够（一般为了抢工期和进度常常把冷却时间大大缩短，这样当时看焊口无毛病，但给以后的工程质量带来的隐患）
预防措施：冷却时间要求：SDR17.6管材250mm为19分钟，200mm为15分钟，160mm 为13分钟，110mm为9分钟。

冷却时间内必须保压。

不允许施加任何外力。

参考文献：
（1）GB50423-2007 《油气输送管道穿越工程设计规范》
（2）GB50424-2007 《油气输送管道穿越工程施工规范》
（3）GB50235-2010 《工业金属管道工程施工规范》
（4）GB50184-2011 《工业金属管道工程施工质量验收规范》
（5）GB50236-2011 《现场设备、工业管道焊接工程施工规范》
（6）GB50683-2011 《现场设备、工业管道焊接工程施工质量验收规范》（7）《定向钻进管线穿越敷设技术规范》中国非开挖技术协会
（8）《聚乙烯材料压力管道焊接技术》山东省质量技术监督干部学校（9）《非开挖工程学》马保松。