水平定向钻进技术探讨

刘正颐

摘要：随着水平定向钻进技术的广泛应用，施工地质条件的日益复杂，回托技术作用其施工中的重要环节，探讨并研究其工艺具有重要的意义，通过详细介绍水平定向钻进的施工流程，重点分析了目前国内管道回托施工工艺中的两种主要方法，通过多次施工经验，对其施工过程中的模糊环节提出了自己的建议。

关键词：水平定向钻进;技术;应用

1. 引言

非开挖水平定向钻进铺设地下管线综合了传统的道路钻孔、地质钻探及油气井定向钻进技术。该技术始于二十世纪七十年代，现普遍用于穿越河流、街道、高速公路、铁路等建筑物拥挤的地方，来进行石油、天然气、雨、污水及其它流体管线等铺设。与其它施工方法相比有环境影响小、对原有构造物无破坏、管线埋深大、保护作用大、维修费用小、节约工期等特点。

2. 工程概况

本段开挖定向钻进工程属于井冈山大道二期工程过境污水管跨越迎宾大道段，跨越长度约为100米。过境污水管为DN700聚乙烯PE管，埋深约为4.8米。

3. 水平定向钻进施工工艺

3.1工艺原理

该施工方法是根据预先设计好的铺管线路，将装有钻头的钻杆从地面钻入，地面仪器接收由地下钻头内传送器发出的信息，控制钻头按照预定的方向到达目的地;然后卸下钻头逐级换装回程扩孔器，使之能够在拉回钻杆的同时将钻孔扩大至所需直径，最后将需要铺装的管线返程牵回钻孔入口处完成管道铺设。

3.2 施工工艺流程如下：

施工准备——测量放线——设计穿越路线——设备就位——导向钻孔——扩孔（泥浆护壁）——管材连接——管道牵引穿越——试压——土方回填。

3.3 操作要点

3.3.1 施工准备

了解管道穿越范围内的地质条件、现有地下管线的走向及埋深、地下水等情况，做好施工技术交底。

3.3.2 测量放线

施工前沿地面上压力管的中心线每10米设置一桩，并沿桩中心线撒好白灰，测出桩高程，算好桩高程与设计压力管中心线的高差。

3.3.3 工作平台设置

本工程在桩号6+940处开挖钻进施工接收坑，钻机置于K6+830位置的地面上。且将K6+940-K6+840段调成直线。接收坑开挖尺寸为5m宽×12m长、工作坑深度根据压力管中心线高程确定，深度约为3.5m。为保证工作坑内干燥和扩孔施工，在接收坑北侧设（4m宽×1.5m长×1.5m深）泥浆沉淀池，并随时将多余泥浆抽出坑外。接收坑按1： 0.5放坡，不需要采用支护。

3.3.4 设备就位

采用华力重工HL532B钻机，美国月蚀非开挖导向仪，钻杆长度为3m/根，直径为73mm。

该钻机为地表始钻式钻机，直接置于原地面上。配置好钻液，钻液由水、膨润土、聚合物组成。具有携带钻屑、冷却钻头、喷射钻进等功能，钻液根据地质条件，使用要求做调整。钻液的固相含量需控制在30%以下。

3.3.5 导向钻孔

导向钻头在钻机的推力作用下以8-12o的入土角钻入土中，导向钻孔是水平定向穿越的最重要阶段，决定了铺设管线的最终位置。在每一根钻杆钻进后，导向师均要测量其位置，对有地下管线、关键出口点或调整钻孔轨迹时，均要增加测量点。导向师将测量的数据与设计轨迹相比较，以确定下一阶段钻进的方向。如果误差较大，可能要拉回钻杆，重新纠偏。

完成导向钻孔后，采取分级扩孔的方式将钻孔扩至需要的直径。同时将钻液泵入钻孔中，保证孔洞完整和不塌方，并将切削下的土屑带回到地面，为回拖管道创造适宜的环境。

3.3.6 扩孔、泥浆护壁

根据现场地质情况，采用筒形扩孔器。终孔尺寸为铺设管径的1.2～1.5倍，由于本工程中牵引管線水平且长度不是很长，取1.2的系数，即84M，分6次扩至终孔。

本段压力管道其上1m的位置有砼污水管道，所以孔内泥浆很重要，孔中没有泥浆会造成塌孔等事故，同时终孔完成后及早完成回拖管道。

3.3.7 管材连接

PE管的连接采用热熔连接。本工程中使用的热熔对接焊接机为SHD-800，产地为无锡。管道接口质量的好坏直接影响到回拖管施工的成败，因此要按相关要求检查管道每个接口，确保接口质量满足要求。

3.3.8 管道牵引穿越

扩孔结束后方可进行管道牵引施工。回拖前必须进行管材复检，包括管材焊接是否符合要求、管头固定结实、单动接头连接完好等。钻杆使用一个拉钩和单动接头与PE管相连。单动接头防止管道回转，回拖过程中，技术人员应仔细观察机器仪表的变化，主要观察扭矩和回拖力变化，回拖力不能太大，以防损伤管材，并控制好速度。必要时可向孔内泵入润滑液减少阻力。在地质条件不是很好的地方，为了避免地面沉降，可采取注浆加固。

管道回拖力按如下公式计算：

Pt = Py +Pf;Py =πDk 2Ra /4;Pf = πDLf;

式中：Pt――回拖力（kN）; Py――扩孔钻头迎面阻力（kN）;

Pf――管周摩阻力（kN）; Dk――扩孔钻头外径（m），一般为管道外径1.2～1.5倍;

D――管道外径（m）; Ra――迎面土挤压力（KPa）;粘性土Ra在50～60KPa; 砂性土在80～100KPa;本例取60KPa。L――管道长度（m）;

f――管道与管周土体间的单位摩擦力（KPa）。粘性土f在0.3～0.4KPa;砂性土在0.5～0.7KPa;本例取0.4KPa。

根据以上公式计算出的回拖力为121.15KN。

3.3.9 管道试压及土方回填 按设计及有关规范要求进行管道压力试验，管道试压，应在沟槽回填至管顶以上0.5m并至少48h后才能进行。

回填土应在试压合格、和竣工测量后进行。回填土应选用细土、好土进行回填，不得含砾石、垃圾，回填应两侧分层对称回填，并按照要求保证压实度。

4. 施工中的注意事项

4.1 材料的选择

由于其特殊工艺和回拖力要求对管材质量要求较高。要求管材承压能力强、连接强度好、柔韧性好，并有一定的挠曲度、使用寿命长等特点。

4.2 施工前的地勘工作

地层勘探主要了解有关地层、地下水的情况，为选择钻进方法和配制钻液提供依据。同时应查明原有地下管线及其它构造物，合理设计导向孔轨迹，确保钻进施工的成功和安全。

4.3关于塌孔

塌孔一般发生在预扩孔过程中，因此，预扩孔时首先要选择合适的回扩器，应从小直径扩孔器开始逐级增加到所需直径的扩孔器（终孔为管材外径的1.2-1.5倍），在满足回拖管要求的前提下，应尽量取下限值。并在每级扩孔时选择适宜的泥浆配比，保持泥浆的流变性。最后，就是尽可能的缩短施工周期。

5. 结束语

由于其特殊的施工工艺，导向孔内有泥浆，回拖管结束后管道将悬浮于孔内，轴线将产生较大的偏差。对于纵横向位置精度要求高的管线不适用。

其次，其检测方法有陀螺仪、测压计及管线定位仪等，但是均有其局限性，在测量过程中要确保结果的可靠性。

再次，预扩孔的成败，决定了回拖管的成败，所以施工时应控制预扩孔的偏移和波浪弯。选择合理的钻具和钻具组合能有效减弱偏移或波浪弯。

尽管非开挖水平定向钻进技术有一些不完善的地方，但是由于其施工对周围环境干扰少，施工距离长，速度快等特点，仍具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]给水排水管道工程施工及验收规范（GB50268-2008） 中国建筑工业出版社

[2]水平定向钻进管线铺设工程技术规范（试行） 中国非开挖技术协会 2001

（作者单位：河南省煤田地质局二队）