水平定向钻施工技术及应用案例

李晓慧

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

0 引言

定向钻施工是指在不开挖地表面的条件下，铺设地下管道、线缆等的一种施工方式，目前广泛应用于给水管道、电力线缆、通信光缆、燃气管道、石油管道等柔性管线铺设，适用于我国大部分非硬岩地区。水平定向钻施工方式具有施工速度快、成本低、智能安全、节能环保等优点。其发展趋势正朝着适应硬岩作业、自动钻进、轨迹更加精准、超深度导向监控、主动安全保护、节能减排、拆解运输更加方便、应用范围广等特征发展[1]。

1 定向钻施工准备工作

施工前需对现场进行测量放线，划定作业范围；勘察路由附近范围内的地下管线，是否与施工路由冲突；勘察现场水源、电力情况，确定取用水、电方案；对现场地质条件进行勘察并出具详细的地勘报告，定向钻施工前，需分析要穿越地层的自稳性，可以有效防止成孔导流，避免引起地面塌陷[2]。

钻机进场前需进行场地平整，开挖发射坑、接收坑，并对钻机底座进行混凝土基础加固，保证钻机的稳定。在设计入土点和出土点的连接线上安装钻机，一般钻机的导轨与水平面的夹角较所设计的入土角度大1°为宜，并根据穿越长度、管径、钻具承载力对钻进拉力进行调整[3]。

2 管道安装

管道安装工序为：1）管道场内运输；2）布管；3）穿越管道坡口加工及组对；4） 焊接、无损检测；5）防腐补口、补伤；6）清管、压力试验、吹扫等。

管材运至现场前要具备管材和外涂层防腐质量检验合格证，现场防腐管应注意确保防腐质量，管材在装卸过程中需采取保护措施以免损坏防腐层和管端，如有损坏应及时补伤并检漏。管道穿越大中型水域、一二级公路、高速公路、铁路时，所有焊缝需进行100%射线探伤检验，并进行100%超声波复验[4]。

3 导向孔

钻导向孔是利用水平定向钻设备在入口处开始定向钻进，钻进过程中通过监控和控制手段使钻孔按设计轨迹延伸。并从另一端钻出地表，完成导向孔的施工。钻导向孔前需要根据穿越处地质的情况，选择合适的钻头、导向板等。钻头通常带有斜面或斜节，使得钻头在连续回转时能钻出直孔。传感器需安装在靠近钻头的地方，便于接收、跟踪钻头位置，从而获得钻孔深度及其他所需参数。钻导向孔时，必须严格按照设计的穿越曲率半径进行，钻杆折角不宜过大[5]。

定向钻入土角和出土角的大小一般根据地质、地形、管材、管径确定，入土角度一般在8°～20°之间，出土角度一般在4°～12°之间，特殊情况，可适当调整角度大小。管道的曲率半径不宜小于1500D，且需预留≥10m 的管线在管道出、入土两端。穿越普通地质时一般直接采用钻机本身的推进和旋转功能进行钻进施工，穿越坚硬地质时由于钻机本身旋转速度有限，需利用泥浆马达的高速旋转进行钻孔。如果在岩层变化较大的地区施工，需要对不同的软硬岩层采用不同的钻进速度，以防止钻孔的升降，形成交错的平台孔[6]。

4 预扩孔

拖拉大管径管线时，由于导向孔孔径远小于管线直径，故需要将导向孔扩大，一般需用扩孔器将孔径扩大至管线直径的1.5倍左右，扩孔器的扩孔方向由出土点向入土点进行，分级、多次扩孔至所需孔径，对于管径小于DN400mm 的管线，在钻机能力足够的情况下扩孔和回拖可同时进行，最小扩孔直径与穿越管径的关系见表1。

表1 最小扩孔直径与穿越管径关系

扩孔过程中扩孔器需要及时更换，以缩短施工时间，减小孔道塌方的可能性。如果出现扩孔扭矩过大的情况，需采用相同尺寸的扩孔器进行重新扩孔约1 ～2 次。如果出现跳钻情况，需减小钻速、钻压，待工作平稳后再逐渐恢复至最优的钻速、钻压[7]。

施工时需根据地层特点选择不同的扩孔器，地层不同扩孔器的结构形式也不同，目前主要有挤扩式、流道式、切削式以及岩石扩孔器等。挤扩式扩孔器通过挤压地层实现扩孔，常用于松软土层。流道式扩孔器在挤压地层的同时具有一定的切削和排屑效果，适用性较广，在大部分土层中均可使用。切削式扩孔器主要通过切削地层实现扩孔，排屑效果好，适用于密实的砂质土层[8]。岩石扩孔器分为牙轮扩孔器和滚刀扩孔器，其中牙轮又可细分为镶齿和钢齿两种，通常钢齿用于软岩及硬土层，镶齿主要用于硬岩施工，而滚刀式扩孔器则主要用于对付硬度较高的岩石或进行长距离的岩层扩孔施工。

5 回拖

管线回拖作业方向和扩孔作业方向一致，从出土点至入土点。管道回拖过程中如出现回拖力迅速增大，回拖困难的情况，可采用推土机、吊管机同时助力的方式。回拖过程中管线会与孔壁接触产生摩擦，管线壁外防腐层易受到损坏，为减小回拖过程中防腐层的损坏，需在回拖前对管线外防腐层进行全面检漏及修补，一般采用电火花检漏仪。回拖结束后，管材与回扩孔之间的空隙无法进行回填夯实处理，因此，对管材沉降要求比较高的工程需慎重选择该施工方式[9]。

在扩孔及回拖过程中泥浆具有很重要的作用，可以稳固孔壁，润滑孔洞减小回拖过程中的摩擦力，泥浆的流动性也可以将钻屑带出孔洞[7]。泥浆的粘度一般通过地质情况和钻孔工艺确定，也可按表2 确定。为防止泥浆泄露，需检测土壤压实度，防止泥浆压力过大渗入土壤造成环境破坏[10]。如需穿越重要的河坝，须注意防止泥浆对大坝产生不利影响。

表2 泥浆粘度（S）

6 水平定向钻硬岩施工

水平定向钻施工方式应用于硬岩地质时，需采用泥浆马达，使用高压泥浆驱动泥浆马达中的涡轮高速旋转，以此带动钻头破碎岩石。硬岩地层施工钻进较为困难，由于岩石强度大，钻进过程中对钻具的磨损较大，对于抗压强度≥60MPa 以上的岩层，优先采用硬质合金镶齿牙轮钻头，对于石英质含量较高的岩层，牙轮钻头应尽量采用小齿以延长齿轮寿命，对于软岩地层采用小直径钻头。由于泥浆对各类地质的适应性较差，钻进过程中需要根据不同的岩层及时调整泥浆特性，岩层粒径≥20mm时，需提高泥浆动塑比、静切力等提高泥浆携带能力，岩层粒径＜2mm 时，需降低泥浆粘度，增强其流动性。

7 应用实例

7.1 案例一

以新建铁路汉中至巴中至南充铁路南充至巴中段巴中西站为例，巴中西站水源接用当地市政自来水，站区污水提升排入市政污水管网，给水及污水管道均需穿越机场大道，机场大道宽约25m，施工图设计过程中为防止开挖施工影响道路通行，故采用定向钻施工方式。距离道路两端5m 距离设置发射坑、接受坑给水管道采用DN100 钢管，定向钻施工长度35m；污水压力管道采用DN80 钢管，定向钻施工长度35m。

该项目所处地层主要包括素填土、粉质黏土，粉砂岩等，管道穿越地层为粉质黏土层，地质情况较好。且由于该项目管径较小，导向孔作业完成后可直接进行管道回拖，无需进行扩孔施工。

7.2 案例二

以小清河复航工程为例，小清河途经高新区、章丘、邹平、高青、桓台、博兴、广饶、寿光全长169.2km。复航工程对小清河沿线与河道交叉及影响范围内的架空跨越或地下穿越的原油管道、水管道、天然气管道、热力管道、国防光缆、通信线缆、电力线缆等进行迁改，全线共九十余处管线缆，涉及给排水管线、热力管线、油气类管线、长输及国防光缆、电力线路，航道及河滩宽度约120m，全部采用定向钻施工方式从河底穿越小清河。穿越管道管径最小DN100，最大DN1200，管材采用PE100 塑料管或钢管。其中最大的DN1200 管道为给水管道，定向钻施工长度660m，采用螺旋钢管，壁厚14mm。该处管道实施穿越岩土层主要包括粉土、粉砂、粉质黏土、淤泥质粉质黏土层等，地质情况良好。设计穿越管段入土角为8°，出土角为7°，曲率半径为2000m，管外顶距离设计航道底净距＞15m。在管道穿越大型河流时，管线埋设管顶距离河底一般要6m 以上，该地层内氧气含量少，具腐蚀性物质少，对管材的防腐起到很好的保护作用，同时兼具保温功能，可延长管线的使用寿命。

该项目穿越管道采用钢制管材时，均对管道进行了内外防腐，且在管道接口处设置热缩套以防止管道在拖拉过程中的破损，管道外防腐采用挤压聚乙烯三层结构加强防腐，底层环氧粉末涂层≥150μm，中间层胶黏剂层≥170μm，外层采用聚乙烯层，防腐层厚度≥4.2mm，外层采用TO 树脂保护。内防腐采用IPN8710—2 饮水设备涂料，2 底2 面，涂装方式采用手工刷涂或高压无气喷涂，防腐层厚度≥220μm。

通过该项目九十余处管线采用定向钻施工方式的成功，进一步证实了该技术在粉土、粉砂、粉质黏土、淤泥质粉质黏土等地层的良好适用性。

8 结语

水平定向钻施工技术已经越来越多地应用于管线施工中，与其它施工方法比较，该方法施工场地可灵活调整，设备进出场速度快，施工占地面积小，施工速度快，且不影响交通运行，不影响周边建筑物基础。水平定向钻施工技术的应用在工程施工中已经越来越多，前景也会越加广泛，该技术也会朝着越加精准、越加方便、越加高效的方向发展。