水平定向钻铺管技术在污水管铺设工程中的应用——以福州阳岐河工程为例

福州市政工程管理处 黄丙权

1 工程概况

应用水平定向钻铺设地下管线（下称：定向钻铺管）是近年来发展起来的一种铺设地下管线的新技术、新工艺。该技术工艺彻底改变了传统应用人工开挖沟槽铺设地下管线的单一铺管施工作业方法，是地下管线铺设施工的一场技术革命。定向钻铺管施工主要工序：①穿越路由放线定测、②导向孔轨迹及钻具出入土角确定、③工作坑开挖、④泥浆配制、⑤导向孔施工、⑥导向孔扩大和洗孔、⑦管道回拉就位。定向钻铺设阳岐河污水管道工程属福州市重点工程项目。阳岐河位于福州市南面郊区盖山镇阳岐村。铺设管道为管径500mm，管材壁厚29.7mm,设计压力0.1MPa，定向铺管长度260m，管道埋深要求在河床深度4.0m以下。2009年10月23日设备进场开始施工，10月28日完成管道回拖就位任务。施工历时6天。

1.1 穿越工程地貌及地质

地貌状态属福州断陷盆地西南角冲击平原。阳岐河呈东西流向，“U”字型河谷上建有阳岐桥，河水呈季节性变化，平均水位在-2.8m左右，阳岐河面宽30m，河床底标高-4.3m，河的南北两侧地形受人工改造弱显起伏。参见图1、图2所示。

本工程没有钻探取芯资料。从周边群众宅基打桩及穿越工程开挖工作坑揭露的地层在地表下10m范围内为第四系浅海沉积的粘土夹少量细砂质透镜体组成，地层单一，且稳定，很适合定向钻铺管施工。地表为耕植土。

粘土：灰黑色，质纯，湿，切面光滑，可塑，含少量有机质，且有滑腻感。

细砂透镜体：灰白色，含较多的细小白云母碎片，湿，较松散，遇水液化。

1.2 工程特点

（1）工程地质条件好，有利于穿越铺管工程施工。粘土层中虽夹有少量细砂质透镜体，但粘土的粘结力很强，可塑性好，不易塌孔，成孔性能好。

（2）穿越工程需占用当地群众的道路和拟建房屋用地，现场协调工作十分困难。

（3）施工地点属较偏僻的郊区村落，周边民宅紧密，道路运输和放置钻机设备的场地都受到限制，铺管工程只能采用小型定向钻机进场施工（钻机给进与回拉能力在50t以内，称小型钻机）。

（4）铺管施工单位为福建东辰市政工程有限公司，该公司是福建省最早从事定向铺管的施工企业。施工设备、人员素质和施工经验在省内都是一流的。但使用小型铺管钻机铺设长度260m，管径500mm的PE管道还是第一次。因此，每一工序都必须准备充分、精心施工。建设和监理单位都十分关注。

2 定向铺管钻机选择

计算时，有关技术参数取保守值。先计算管道回拉就位时铺管钻机应具备的力量，然后选择定向钻机的类型（吨位）进场施工。

其中：F——计算回拉力（t）；

L——铺管长度，为260m；

f——摩擦系数，为0.3；

D——管道直径，为0.500m；

γ——泥浆密度，为1.2；

δ——管道壁厚，为0.297m；

k——粘滞系数，为0.03。

计算结果F=16.17t。根据有关规程规定要求，钻机的实际回拉力应按计算结果的2倍选择，即F实际=2F计算=32.34t，因此选择ZT-35型钻机（回拉力35吨）进场施工。

3 定向钻铺管施工

3.1 铺管路由放线定测

10月23日放线定测，路由从南向北进行，与阳岐河走向垂直。路由地表受人工改造后弱显起伏，为保证导向孔的施工精度要求，采用测量仪器定测钻具出入土点、地表起伏变化点、河床深度、河床宽度等高程数据，并使它们保持在一条直线上。根据测量结果，绘制铺管施工断面示意图的地表形态，为导向孔轨迹设计提供依据。

3.2 导向孔轨迹及钻具出入土角确定

导向孔轨迹的确定是工程的重要环节。对铺设较大管径的 PE管道工程，导向孔轨迹形态直接关系到整个工程的成功与失败。根据有关规程规定要求，导向孔的弯曲半径必须大于1500D（D是指PE管直径），且将轨迹形状选择为两侧基本对称的圆滑曲线，不能有波浪起伏形状出现。根据有关技术参数，导向孔的弯曲半径可以通过计算获得。

其中：R——导向孔弯曲孔径，m；

L——铺管长度，为260m；

h——相对于地面的管道最深覆土深度，为9.3m；

h1——出入土工作坑中的管道覆土深度，为3m。

计算结果：R=1344m。

计算结果和有关规程规定要求的弯曲半径1500D相比较

所确定的实际轨迹弯曲半径是有关规程规定要求的1.79倍，可以满足定向钻铺管工程施工要求。

铺管轨迹确定为一条两侧基本对称的圆滑曲线，钻具出入土角的度数应相近，并通过计算获得。

根据铺管路由的地表起伏情况、工作坑位置、河流位置、河床深度、铺管长度等，并结合导向孔弯曲半径和钻具出入土角等数值绘制铺管工程断面示意图（见图 1）和铺管工程平面示意图（见图2），指导施工。

图1 定向钻铺管工程断面示意图

图2 定向钻铺管工程平面示意图

3.3 工作坑开挖

在钻具入土和出土位置分别开挖工作坑，方能满足施工要求。根据铺管深度和定向钻机前缘平板到入土点之间的水平距离及对钻具入土角的控制等要求，确定钻具入土工作坑的开挖深度应达3.5m。考虑到ф500mmPE管的刚性强度较大，钻具出土工作坑的坑底开挖形状应向外缓慢放坡，使拉管就位时管道在钻机牵引力作用下能够顺利进入钻孔内。

此外，要使钻具入土角保持在6o左右，现场钻机摆放位置和钻具入土工作坑之间所需要的距离，场地条件不能满足。因此，采用挖坑降低钻机机坪地面高度0.6m来满足要求。

3.4 泥浆配制

近年来，定向钻铺管施工技术取得了很大的发展和突破，铺管长度和管径在不断创造新的记录，泥浆功能起了非常重要的作用。本工程使用泥浆的固相物质为山东潍坊产的专用定向钻铺管泥浆复合膨润土，具有强悬浮、弱凝胶、弱抑制、严封堵等性能。采用淡水配浆，pH值控制在8.5，呈弱碱性。利用地质条件好（粘土层）的优势，导向孔施工和扩大孔径施工过程配制泥浆粘度在35s左右，洗孔和管道回拉就位过程泥浆粘度调整到50s左右，并加入少量美国产的“钻液宝”，进一步增强泥浆的润滑性能。

3.5 导向孔施工

10月25日开始导向孔施工。为保证实际铺管轨迹和设计轨迹尽量做到吻合，公司派出经验丰富的导向人员，采用美国月蚀手提步履式导向仪确保精度。导向钻头内信号发射器电源采用美国产的“劲量”电池，它具有高强度、持久性电量表现。采用铲式导向钻头，根据铺管路由地形变化情况，采用“深度”和“角度”相结合的测控方法，每钻进一根钻杆长度（3m）至少测控一次导向钻头的顶角、方位角、深度及平面偏差数值，发现偏离设计轨迹及时纠正，使实际轨迹做到“直、滑、圆、缓、准”。

3.6 导向孔扩大和洗孔

导向钻头的直径仅有 78mm，而需要铺设的 PE管经为500mm，因此，必须将导向孔进行孔径扩大。按有关规程规定要求，钻孔的孔径需要扩大到800mm，方能满足定向钻铺管要求。由于地层为粘结力较强的粘土，采用流道式扩孔钻头，可以提高扩孔钻进速度。分五级扩孔，分别按孔径78mm—200mm—400mm—600mm—700mm—800mm逐级扩孔。

扩孔过程应注意的几个事项：（1）配制泥浆施工。泥浆粘度不宜过大，在粘土层中扩孔泥浆粘度过大，会造成泥浆的液压柱压力增大，同时还会使扩孔钻头造成糊钻卡钻现象，泥浆粘度控制在35s左右能起到润滑孔壁、提高钻速。（2）不应盲目追求扩孔速度，ZT-35型钻机在 260m长的粘土层中逐级扩孔，扩孔施工过程还是比较轻松的，但扩孔速度应控制在每根钻杆长度（3m）的扩孔时间5min左右为宜。因为在粘土层中扩孔排出的钻屑总是不彻底，一大部分钻屑残留在孔内，必须保证孔内良好的泥浆环境，防止产生液压锁现象，导致卡钻。同时钻具在粘土层中扩孔，钻机的回转拉力不大，钻机回转扭力则大于地层扭力，为保证钻杆在弯、扭等多种受力荷载情况下不被折（扭）断，也要求扩孔速度不能太快。（3）工程使用的泥浆不做重复处理利用，考虑到环境保护和施工成本，在满足正常扩孔条件下，采用低档泵压施工，节省泥浆泵入量。（4）当800mm钻头扩孔结束时，紧接着就进入洗孔和拉管就位工序。此时，必须适当提高泥浆粘度，将泥浆粘度调整到50s左右，并加入少量美国产的“钻液宝”，提高泥浆性能，有利于管道回拉就位。

10月27日开始进入洗孔工序。当800mm钻头扩孔结束后，再用800mm扩孔钻头从孔内再“过”一趟称为洗孔。钻机操作采用慢拉快转的方式，其目的：（1）进一步修正钻孔轨迹。（2）能从孔内带出部分钻屑，清洁畅通钻孔，减少管道回拉就位时的钻机拉力和扭力。（3）对孔壁的保护也能起到作用。洗孔过程不断从孔内返出的泥浆比配制的冲洗液泥浆粘度大得非常多，说明孔内畅通，洗孔效果达到预期的目的。

3.7 管道回拉就位

管道回拉就位是定向铺管的最后一道工序。用专业的语句来形容，那就是“只许成功，不许失败”。工程管材价值超过20万元，一旦被卡在孔内损失惨重。管道回拉过程必须注意以下几个方面问题：（1）钻机锚固：钻机放置在松散的杂填土上，仅靠钻机前板的四个锚杆，根本不能保证管道回拉时钻机不被位移，必须采用钢丝绳索和牢固木桩等材料将钻机进行锚固。（2）拉管过程必须确保PE管外层不能受到损伤。管道未拉入孔内部分采用每间隔 8～10m 用土袋铺垫在PE管下面架空管道，并在PE管和土袋之间浇上泥浆，使接触面保持充分润滑状态。（3）各种机具设备在拉管前应进行一次全面的检查维护，使机具设备处于最佳的工作状态。特别是对钻杆丝扣和钻杆的完好性及分动器灵活性等进行检查。（4）管道焊接过程受到现场排管场地限制，260m长的PE管无法一次性焊接完成，必须分两段进行,两管段的焊接工作时间应控制在1小时以内。（5）拉管过程采用600mm扩孔钻头做为“带动钻头”，拉管过程泥浆通过“带动钻头”的小眼泵入孔内。拉管就位前和拉管就位过程的各项技术工艺措施合理到位，拉管就位过程用了9个小时10分钟。其中，应扣除两管段的焊接时间 1小时。钻机回拉力始终保持在17～23t之间，于2009年10月28日22时18分顺利完成管道回拉就位施工任务。

4 结束语

定向钻铺设 PE污水管道阳岐河工程取得圆满成功，创造了定向铺管钻机在省内铺设管径 500mmPE管长度最长的记录，使我们又获得一次成功经验的积累，对进一步在福州市及其周边地区推广使用定向钻铺管技术做出了贡献。

工程顺利结束是施工单位广大员工，分工明确、责任清晰、从严要求、有序管理、理论和实践相结合的结果。每一工序都按照有关规程规定的要求施工，把困难考虑充分一些，将可能出现的事故消除在萌芽状态。技术人员严格把关、优化施工方案、严格论证，也是工程成功的关键。由于整个施工过程各工序都准备充分到位，各环节衔接紧凑顺畅，未发现工艺技术方面的异常现象。工程顺利竣工，并通过闭水压力验收，质量合格。受到建设和监理单位的高度赞赏，也为在定向钻铺设大管经污水道工程积淀了宝贵的经验，并在今后的工程施工中发挥更大的作用和必将再创辉煌。

[1] 水平定向钻进管线铺设工程技术规程.J11214-2008,DBJ13-102-2008.