水平定向钻技术在市政工程中的应用

2023-01-30沈春嵩

技术与市场 2023年1期

沈春嵩

(上海建科工程咨询有限公司，上海 200032)

0 引言

在过去的管道建设中，施工技术水平随着社会需求的发展越来越体现出了它的局限性，水平定向钻技术也称非开挖技术，近年来被广泛应用于地下管道、交通主干道、湖泊河流等施工中，它的出现对工程建设的工作效率和扩展应用场景都有了极大的提升，与过去的施工技术相比，水平定向钻技术可在最大程度上减少施工现场对周围居民、环境以及交通的影响。

1 水平定向钻技术概述

水平定向钻技术在进行操作时，需要水平定向钻机在地下工作，按照规划好的路线进行钻孔，这种施工技术不会破坏地面，钻机会从地面的某个地方进去再从某个地方出来，目前水平定向钻机已经能适应大部分地面的施工要求，并且在钻机工作时加入了导向技术，让钻机更加智能化，被广泛应用到市政工程的各项建设中。

在应用水平定向钻技术时，要规划好管道施工方案，因为钻机在工作中的走向需要施工方案提供路线指引。在施工方案制定完成后，施工现场应定位好导向孔，即钻机的工作的起点。通过驱动钻杆进行水平定向钻的施工，这一过程需要水平定向钻的技术人员时刻关注钻头的工作方向是否和施工方案中规定的一致，当发现水平定向钻工作的路线出现了偏差，可利用土层的反作用力来进行方向的重新定位，在操作过程中若出现无法逾越的障碍物，钻机的操作人员应操作定向钻进行移位。水平定向钻在钻孔结束后将钻头换成回程扩孔器，同时方便将钻杆收回来，进一步将孔扩大，以达到施工方案的要求，最后埋入管道完成施工。

2 水平定向钻施工技术的优势

2.1 对环境的影响小

传统的市政工程管道施工需要挖沟渠，会对周围居民生活和地方的交通造成影响；水平定向钻技术是在地下进行施工，对交通的影响很小，同时不会对地面上各类建筑造成影响。

2.2 精度准确性高

传统的市政工程管道施工过程因为是人工挖沟渠，所以在精度方面会有一定影响。水平定向钻技术加入了导向系统，拥有更高的精度，在实际线路走向以及躲避障碍物方面与施工方案近乎一致。

2.3 符合生态环保理念

随着社会的发展，人们生态环保理念增强，传统的市政管道施工由于对环境的影响大，不符合国家对生态环保理念的倡导。水平定向钻技术除了对环境影响小、工作效率高，还能最大程度保留施工现场原有的地势地貌，更符合国家对生态环保理念的倡导。

3 水平定向钻施工技术在市政管道中的实践应用

3.1 工程概况

上海市某区要进行输水管网完善工程，该管道工程与通航河道正交且周边环境靠近高速公路和乡镇，为尽可能减少对周围交通环境的破坏，采用水平定向钻技术进行施工。主要工程量为：单孔直径828 mm钢管(壁厚14 mm)、长度575 m穿越掘石港施工。

3.2 具体应用方法

3.2.1 安装钻机

施工方案制定完成后，第一步是钻机的安装工作，按照施工方案中规划好的位置，将钻机以及与钻机相关的设备利用吊车放到指定的位置，这个过程须保证钻机以及管道这两者之间的中心线要重合，否则钻机在工作过程中偏差会很大。另外，应保证钻机的轨道和管道穿越的入口处之间的夹角和设计方案中的入土角一致。该工程中钻机运行轨道以及入土角的设计主要根据实际工程中地形、地质以及管道直径来综合考量，最终确定入土角为-9°，出土角为+6°，穿越管段的曲率半径不小于800 D。

在钻机的位置以及高度都确定好后，还需要对钻机进行锚固，在这之前，需要先对钻机锚固的区域进行地下探测，防止锚固不牢的状况发生，锚固不牢会导致钻机在工作时走向发生偏移，不能按照施工方案规划的路线进行，拖慢工程的进度。同时锚固不牢对钻机的回拉也有影响，会出现钻杆拉不回的情况，进而对钻机造成永久性伤害。本工程回拖力较大，锚固的方式将采用地锚箱和锚桩联合固定的形式。其中地锚箱尺寸为：4 000 mm×2 000 mm×1 500 mm，在地锚箱安装之前会打入8根直径219 mm、长度6 m的钢管作为锚桩，同时把钢管和地锚箱连在一起形成整体，以确保钻机锚固牢固。

3.2.2 导向孔的施工

近年来，水平定向钻技术逐渐加入导向仪，此项技术的加入大大提高了钻机的工作效率，进一步保证工程的顺利完成。在钻机准备工作完成后，不仅要检查钻机是否有问题，还要按要求进行试钻，确保钻机可正常工作。钻机安装结束后进行导向孔施工，对施工区域的地质进行分析，将控向、泥浆和司钻的每个环节都落实到位，并分析各项参数以确保钻出的导向孔符合施工方案，在实际钻孔时，还要参照穿越曲线以及设计曲线，保证钻孔过程中方向控制的准确，具体来说导向孔施工期间，将建立穿越曲线数据库，采集每个数据采集点的，倾角、方位角、水平距离、高差、左右偏差值等控向数据。该工程导向孔施工采用月蚀导向系统实时跟踪与定位，保证数据准确性。具体工况如图1所示。

图1 导向孔施工

3.2.3 钻孔纠偏

钻机在工作过程中不可避免会受到一些其他未知干扰因素的影响，这些干扰因素会使钻机的工作方向出现较小偏差，因此，需要时刻关注钻机控制台上显示的实际情况。钻机上有安装传感系统，当钻机的运行方向在控制台屏幕上显示的与施工方案中规划的方向不一致时，应调节钻杆位置，将钻机的方向朝着预定的路线进行工作。需要注意的是不要操之过急，因为钻机方向的调整主要靠钻杆的纠正来进行，若是急性调节会导致最后拖管的时候钻杆拖不动的情况。

3.2.4 扩孔的施工

在导向孔施工完成后，进行管道安装，但为最大程度上确保管道可顺利安装，需要进行扩孔工作，通常扩孔直径要比导向孔直径大1.5倍，同时扩孔还应根据实际导向孔的大小、施工区域的地质特征以及铺设管道的直径大小来进行多次扩孔，为保证施工的质量，扩孔器应根据地质来进行选择，从而符合施工方案。该工程穿越最终成孔直径应选取1 000 mm×1.2 mm=1 200 mm，通过对现场地质分析综合考量来看，最终扩孔要达到Φ1 300 mm。当钻头到达指定出土位置后，将钻具拆掉安装上扩孔器，并在孔洞内喷上泥浆，随后进行扩孔施工。具体情况如图2所示。

图2 扩孔施工

3.2.5 管道的回拖

管道的回拖工作是在管道下沟先放入一些水，以减小管道回拖时的阻力，以及对管道的防腐层进行保护，因此在放入管道前，要派专业的人员对管道进行检查，以此来保证管道是否合格。管道的回拖工作具体是在钻杆上装好扩孔器，扩孔器再与管道头相连，以此来保证管道的回拖工作可正常进行。若水不能起到减小阻力的作用时，那么需要加入适当的润滑剂来保证管道可顺利穿过钻孔。另外在回拖的过程中还会产生一部分的泥浆，这些泥浆也要进行专门的处理，以保证不会对周围的环境造成破环。管道在出土时，为了保证回拖顺利进行，避免出现管道在地下回拖时候出现拖不动的状况，一定要控制好出土的角度以及方向。具体情况如图3所示。

图3 管道回拖施工

3.2.6 泥浆的控制

在水平定向钻的施工过程中，由于钻头要穿越地层，难免会因为土体扰动而产生地表沉降，因此对地表沉降的控制是定向钻施工的重要工序。泥浆具备冷却、护壁、携砂能力以及良好的润滑效果同时也是最简便、最经济的做法，施工工程中大多使用人工造浆作为冲洗液。作为冲洗液的泥浆需要经过一定的配比，往里面加入一些添加剂或者膨润土，来保证泥浆冲洗过程的质量，同时泥浆的冲洗也能让机头得到冷却，加大机头和土壤之间的润滑，进而减小管道与导向孔之间的摩擦。另外，对于不同的土层结构，为更好的保证泥浆的性能，需要添加适量的添加剂来改善泥浆得到流动性能。