水平定向钻进技术在永登县山区农村饮水安全工程中的应用

莫 强

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃兰州730000）

1 工程背景及概况

永登县地处甘肃中部黄河上游，辖18 个乡（镇），农村人口约46万人，山区面积5389.9 km2，占永登县总土地面积的88.5%，偏远山区地表水和地下水极度匮乏，由于地势高及资金少等原因，现有供水管网不能有效覆盖，山区群众生活用水主要靠集雨水窖，水质超标，遇到干旱天气水窖蓄不到水，给群众的生产生活造成严重影响。

为了彻底解决永登县山区农村的饮水不安全及缺水问题，依靠国家及县上拨付农村饮水专项资金，永登县水务局加快农村饮水安全巩固提升工程建设，一期工程以引大入秦工程作为源水，新建4.3万m3调蓄水池4 座，净水厂5 座，泵房14 座，水池52 座，铺设PE 管及钢管351.844 km，解决了11 个乡（镇）158 个村、67542 人的饮水不安全及缺水问题。

永登县西部山区多为黄土覆盖的丘陵地貌，地层以含砾黏土岩为主，根据管道沿线的工程地质、地形、地貌，管道采用开挖埋管方式，项目区穿越县道、乡道及小型河流较多，采用直接开挖的方式易给当地居民出行带来不便；采用顶管法易垮塌，安全系数小；采用常规开挖施工法，穿越道路及河流需开挖土方1650 m3，原土翻夯和10%水泥土垫层3800 m3，M7.5 浆砌石280 m3，路面恢复2487 m2，需要资金80.2万元。经分析比较，采用非开挖水平定向钻进技术不影响当地村民出行，还可缩短工期，降低成本。

2 水平定向钻进技术定义

水平定向钻进技术也称往复式潜钻施工法，是指按照管线设计轨迹，利用钻头携带的发射器传导有关钻头的深度、倾角等参数，地面操作人员控制钻头钻进，最终形成一个符合设计轨迹的导向孔，然后利用扩孔器回扩达到设计要求的孔径，将管道回拉拖入孔道中完成铺设任务[1]，适用于直径＜1000 mm、铺管长度可达1500 m 的各类管线铺设，尤其穿越铁路、公路、河流时优势明显。分为采用挤压钻头或冲击锤钻进的干式法和采用喷射钻头钻进的湿式法。具体施工工艺见图1。

3 主要施工方法及技术要点

3.1 施工准备

3.1.1 现场地质勘察 水平定向钻进可在不同地质环境下完成钻进任务，地层条件和轨迹设计是影响钻机性能充分发挥的关键因素，在黏土、亚黏土或淤泥地层因造浆能力良好，穿越曲线长度可以适当加长，阻力较小，可加快工程进度。穿越流沙、钙质层、砾石层时，阻力较大，成功率降低，甚至导致钻孔不能完成。因此，非开挖定向钻进穿越成功的前提是要充分了解施工现场的地质条件[2]。

3.1.2 机具材料准备 机械准备：根据本项目施工条件及技术要求选用以下机械设备（见表1）。材料准备：PE 管材、泥浆（根据土质、地质情况现场配置）、钢丝绳。

3.2 测量定位放线

根据设计提供的基准点及设计图纸，用GPS 和全站仪在施工区域内建立平面坐标控制网，根据测量结果放出钻机安装位置线、工作坑、进出土位置、拖管轴线及标高。放线时，管道沿管线轴方向误差不大于40mm，进出土位置左右偏差不大于20mm，并做明显标记。

3.3 导向孔轨迹的设计

水平定向钻导向孔轨迹设计是水平定向钻进施工中的关键环节，导向孔轨迹由斜直线段、曲线段、水平段等组成。在设计导向孔轨迹时，不但要考虑农村饮水安全工程的具体要求，还要考虑当地地质情况及管材允许曲率半径、钻杆最小曲率半径、定点、入土角度α、出土角度β、管道敷设深度h 等重要参数，进而确定正确的钻孔轨迹，经比较分析，选择最佳轨迹。导向孔轨迹图见图2。

3.3.1 入土角、出土角 出、入土角宜为8～20°，入土角要根据施工现场是否有足够的布管场地、钻机本身设计、管道直径、地下管线分布情况及铺管深度要求进行选择，入土角越大，回拖管道阻力越大，施工难度越大。

3.3.2 导向孔埋深 各项目最小覆土深度见表2。

表1 机械设备情况

表2 最小覆土深度

3.3.3 曲率半径 最小允许曲率半径计算公式：

式中，ρ 为曲率半径（cm）；E 为弹性模数（Mpa）；DH为管外径（cm）；δρ 为弯曲应力（Mpa）。在实际应用过程中，根据实践经验，轨迹的曲率半径取400～1200D（D 为铺管外径），轨迹曲率半径同时要满足钻杆的曲率半径，钻杆曲率半径R≥1200D（D 为钻杆外径），否则会造成钻杆的变形开裂。

3.4 钻机就位和工作坑开挖

按施工布置图将钻机锚固在预定位置，锚固钻机以“稳、平、实”为原则，钻机安装后要试运转，检测钻机各部位运行情况。

钻机安装完成后开挖工作坑，钻进工作坑距钻机前方5 m（尺寸2 m×1m×2 m），在管线出口处开挖一个拖管坑（尺寸3 m×1m×2 m），在工作坑旁边开挖泥浆沉淀池，可采用2 个泥浆池以延长循环周期。

3.5 泥浆配制

泥浆在钻进和回拖过程中具有护壁、润滑、冷却钻头的作用，为了提高泥浆在不同地质条件下的性能，需加入一些添加剂，配制成不同性能的泥浆来适应当地土层的特性。

调配方法：将水从水源地由汽车拉运至施工现场导入泥浆池，经沉淀过滤后进行调配。第一，在过滤好的清水中加入0.1%～0.2%的纯碱，纯碱可软化水，具有增加泥浆黏度、静切力及增强膨润土的膨化效果。第二，加入5%～8%的膨润土，经机械搅拌使其完全分散溶于水中，搅拌20 min 后基浆配制完成。第三，添加一定比例的添加剂，搅拌3～5 min。在不同的施工阶段和变化地层中，需调制不同配比黏度的泥浆（见表3），以便满足施工具体要求。

泥浆的黏度和组成在钻进和回拖过程中是非常重要的因素，因此，在施工过程中应密切观察孔口返浆情况，每半小时检测一次泥浆性能，以便随时调整扩孔速度及泥浆黏度，保证孔内有足够优质泥浆，返浆的含砂量应控制在6%以内。

3.6 钻进导向孔

钻进导向孔根据设计曲线采用射流辅助方法钻进，钻头的位置、顶角、深度、钻头温度等数据通过钻头内的发射器传导给地面定位示踪仪，操作人员可及时准确掌握钻头的具体位置和深度，通过调整钻机参数，控制钻进轨迹，按照设计轨迹钻进，最终在预定位置出土，钻进过程要注意以下几点。

一是导向孔造斜段每钻进0.5～1 米测量计算1次，水平直线段每根钻杆长度测量计算1 次。当发现定向钻进轨迹与设计轨迹有偏差时，可以调整钻头斜面的方向，钻头面调整好后，利用推进钻头时斜面接触的土壤作用力和反作用力进行纠偏，纠偏可在多根钻杆长度范围内根据管材的曲率半径逐步进行，纠偏过急易出现卡钻现象。

二是在导向孔钻进过程中，泥浆压力控制在0.3 Mpa，在砾石层压力提高到1 Mpa，压力过大易发生冒浆，造成环境污染。

三是在地质条件较差地段或易塌方地区应提前采取措施，及时添加能调节泥浆性能的添加剂，调整钻孔和回拖工艺，加快钻进速度，尽量缩短停钻时间。地质条件较好地区要根据地层条件合理调整推进力，钻进速度不宜过快，造斜段一次顶进长度不宜大于0.5～1 m。

四是通过钻进过程中记录的钻孔轨迹和相关数据，判断导向孔的钻孔质量，确定导向孔钻进的成败，导向孔轨迹允许偏差如表4 所示。

3.7 扩孔与回拉施工

表4 导向孔允许偏差

表3 泥浆黏度控制及配制方法

导向钻头在出口孔完全露出后，将导向钻头换为大一级扩孔器，开动钻机旋转回拉牵引至入口孔，完成一级扩孔，每次扩孔级差在10～15cm，当扩孔直径达到铺设管道直径的1.2～1.5 倍时完成扩孔施工，扩孔压力控制在0.1～0.3 MPa。施工时在地层条件较好的情况下也可将2 种不同直径的扩孔器连接在一起，用回拉力和扭矩较大的钻机进行扩孔，一次完成扩孔和铺管施工。

在回拉扩孔过程中，为了减少摩擦，降低回转扭矩和回拉阻力，可将膨润土泥浆通过钻杆注入，不但润滑，而且起到固壁、防塌和冷却钻头的效果。

3.8 回拉铺管

在最后一级扩孔完成后便可回拉敷设管道，先将PE 管道用热熔法接连与成孔相当的长度后，进行清管、试压工序，再将管道两端封闭，采用专用连接工具将管道与扩孔器相连，根据管道穿越时受力情况，计算回拖阻力，选择合适的机型，避免回拉力超限，总回拖阻力计算公式:

式中，P1为铺管外壁周围摩擦力（KN）；PF为扩孔钻头迎面阻力（KN）；D0为铺管外径（m）；DK为扩孔钻头外径（m），一般取铺管外径的1.2～1.5 倍；L 为回拖管道长度（m）；Ra 为迎面土挤压力（KN/m2），黏性土取50～60 KN/m2，砂性土取80～100KN/m2；f1为铺管外壁单位面积阻力（KN/m2），黏性土取0.3～0.4 KN/m2，砂性土取0.5～0.7 KN/m2。回拉过程中要认真检查连接部分的稳定性，加入高润滑泥浆，确保回拉铺管工作顺利完成。

4 结束语

非开挖水平定向钻进技术具有钻进过程易控制、铺管精度高、造价成本低等优点。在永登县农村饮水安全工程中应用非开挖水平定向钻进技术，缩短了施工工期，节约了资金，没有影响到居民出行，受到了当地群众的一致好评。