水平定向钻进管线铺设工法.doc

1、 非开挖水平定向钻进管线铺设工法 1. 前 言 工程建设中 地下管道施工 通常采用明挖 和非开挖 进行， 明挖施工 在城市基础设施建设中 通常 受场地、 交通、 环境保护等因素 制约 多数 无法进行；非开挖敷设管道技术在近年得到广泛的应用。由于它不需要开挖面层便能穿越地面建筑物和地下管线及公路、铁路、河道。这项技术的快速发展也使 城市供水 、 燃 气、电力、通信 、 排水 工程 施工 时，对城区的交通、噪音、粉尘的危害和影响大大降低。 非开挖进行管线铺设施工中， 顶管施工需建钢筋混凝土工作井 、 接收井，工序多，工期长，造价高 ，并存在较大安全风险 ；而 采用非开挖 水平 定向钻进技术进行 管

2、线 施工，能缩短工期，降低工程成本。 是真正的 安全、 无污染、高效率的施工技术， 目前水平定向钻进穿越地面及障碍物铺设管线技术正在我国蓬勃 发展 ， 为 更好的 推广 该工艺，公司在水平定向钻进管线铺设的工程实践中，通过 与安徽建工学院合作 对设备局部 改进 ，使 该 技术 更 适合多种复杂地质条件施工 ，并最终形成了一套高效的铺设工法。 为适用砂僵土中快速高效定向钻进技术，在凹槽扩孔钻头基础上进行改进，研发了砂僵土专用定向螺旋型钻头，具有如下特征： 钻头整体采用标准螺旋型，具有切削和扩孔双重功能； 钻头刀片采用 矩形切削刀； 钻头前端设置梅花型喷射水眼，有利于保护砂僵土管道内壁； 在钻头上

3、设置 3道凹槽流线，极利于砂僵土形成的泥浆流动以及钻头 冷却。 砂僵土专用定向螺旋型钻头，可减小扩孔阻力，提高切削刀在砂僵土中的耐磨性能和钻进效率，达到快速高效定向钻进效果。 图 1 螺旋型钻头 2.工 法 特 点 2.1 采用非开挖 水平定向钻进 技术，地上功能正常使用：穿过 公路 、 铁路、机场 可不阻断 交通 ； 穿过河流可保证河流通畅、不阻断通航、有利于排洪等。 2.2 环保型施工：由于采用非开挖技术，减少了大量工程土的堆放， 对环境影响最小 。减少了地面开挖、恢复造成的浪费。 2.3 缩短工期，节约工程成本： 采用非开挖钻孔 施工速度快，地上工程保护好 ，极大地节约了建设成本。 2.

4、4 节省劳力，安全可靠：与明挖开槽埋管相比较，明显减少了劳动力。定向钻机上配置钻杆自动装卸系统，定长的钻杆排列在一个 “传送盘 ”上，使增加或卸下钻杆的操作可以在钻孔作业不停的状态下完成，加快了施工效率，施工安全，减轻了劳动强度等。 3. 适 用 范 围 水平定向钻进法的适用范围为：管径为 300 1500mm；管线长度最大可达1500m，管材为钢管、 PE 管等。 主要应用于穿越河流和水渠、街道、高速公路、铁路、机场跑道、海滩、岛屿、建筑物拥挤的地方、管线通道和运河等的石油、天然 气、自来水、污水 管线 及其它流体的管线铺设和电力与电讯电缆的导管铺设等。 4. 工 艺 原 理 1. 采用矩形

5、切削刀，提高在砂僵土中的耐磨性能； 2. 钻头整体采用标准螺旋型，具有切削和扩孔双重功能，到达减小扩孔阻力，提高钻进效率； 3. 钻头前端设置梅花型喷射水眼，有利于保护砂僵土管道内壁； 4. 在钻头上设置 3 道凹槽流线，极利于砂僵土形成的泥浆流动以及钻头的冷却，提高扩孔效率。 将定向钻机设在地面上，在不开挖土壤的条件下，采用探测仪导向， 在不同地层和深度 控制钻杆钻头方向，达到设计轴线的要求， 先用导向钻具 钻进小口径的导向孔，然后用回扩钻头 经多次扩孔，拖拉管道回拉就位，完成管道敷设。 5.工艺流程及操作要点 5.1 水平定向 钻 轨迹设计与原理 导向孔轨迹设计是在管线剖面图基础上，设计出

6、钻孔的最佳曲线。根据开挖的工作坑、接收坑结合设计井位，按照设计管道水力坡度标高来设计钻进轨迹。不仅需要考虑避开穿越区域的地下管线，还要考虑到水文地质、地面环境、铺设管道的管径材质、穿越长度深度、钻机的性能等因素。管道施工的轨迹要满足设计要求，必须考虑入土点、出土点的斜直段、曲线段长度，严格控制水平穿越段各点标高。一般作业标高控制以 每根钻杆为一个控制点，按设计管道水力坡度 计算 出钻进轴线上轨迹标高。入射角度根据已知数据 科学 计算， 8-20的入、出土角适用于大多数的穿越工程 。如果单从施工的顺利程度考虑，在产品管线埋设深相同的前提下，造斜距离越长则轨迹曲线越平缓，有利于后续管的顺利回拖。

7、5.2 施工艺流程 水平定向钻进穿越铺设施工普遍采用：首先钻进导向孔，然后扩孔，最后 回拉铺管的施工技术 ， 工艺 如下图： 图 2 水平定向钻进铺设管线施工工艺 5.3 操作要点 5.3.1 施工准备 1 施工主要设备及拖拉管材料选择 根据地质和设计管径大小情况，选择合适型号的水平定向钻机 ； 管材的强度及环刚度必须满足设计和施工阶段的荷载要求。 2 测量监测 布设监测点 量测地面、管线监测点，及时反馈信息，指导钻进施工技术参数的调整。 环境监测。定时监测周边建筑、道路裂缝、水位等信息变化，及时直接预警、控制沉降量。 3 开挖工作坑 和钻屑池 根据设计的导向孔轨迹，在距离 检查井 经计算好

8、的距离 处 开挖 一个 入口 工作坑，在距末 检查井 经计算好的距离 处 开挖 一个 出口工作坑 ， 欲铺设的管线直径大，则出口坑必须延长成适合管道平直回拖的长槽 。 钻屑池位于入口坑附近，用于收集 从入口坑流入的 钻屑泥浆， 市区也可用泥浆罐车。 对于 地表始钻式钻机 锚固在地表，出入口工作大小坑视管线埋深和管径适当调整。 而 坑内始钻式钻机的工作坑，因需要利用坑的前、后壁承受钻进中的给进力和回拉力，则必须对坑壁进行加强和支护。 5.3.2 导向孔与钻进施工 常用的孔内控制钻进方向的机构 称为 导向钻头，他在钻头底唇面采用非平衡结构设计，钻头唇面是一个 斜面，当钻头连续回转时钻进直孔 ； 保

9、持钻头 朝某个方向 不回转加压时，则 使钻孔发生偏斜 ， 钻进斜孔。 钻杆 探 头盒（内装探头） 鸭嘴板 图 3 导向钻头 1 工作坑内安放导向钻具。检查测量仪器，探头电池的绝缘性能，以防漏电。 2 将探头装入探头盒内，打开接收机和同步显示器，检查转动探头盒 。将探头盒与造斜钻头接好并连接在钻杆上，开机输送钻进液，检查钻头喷嘴。 3 钻杆放入导向钻机，就位，使钻杆在设计轴线上。逐节钻进，直至将钻杆钻入拖管坑。钻进过程中用无线手持式测量仪跟踪监测，严格控制钻头轨迹，沿设计轴线前进，如偏差大于规定要求立即调整。 4 钻杆线性与速度控制。钻杆线性直接关系到钻进的速度及孔外压力变化，施工中保持钻杆线性

10、并控制钻进速度，控制地面沉降量在较小范围内。 5 灌浆压力控制。在不同土层中穿越做好泥浆的调配，施工中控制灌浆压力 (一般在 5Kg 内 )。即保证施工效果，又减少地表沉降量。 5.3.3 成孔与泥浆护壁 (1)钻井液。 水平 定向钻机钻进中，钻井液用于稳固孔壁、降低回转扭矩和拉管阻力、冷却钻头和发射探头、清除钻进产生的土屑等，它被视为导向钻进的“血液 ”。一般采用优质膨润土制备。 (2)钻 进 液循环。钻进时钻 进 液会从另一边的上口返出，这时要使用两套泥浆循环系统处理，或运走泥浆，减少环境污染。 5.3.4 扩孔 施工 ： 导向孔成型后，取下导向钻头，接上反扩钻头、分动器，即可进行回拖扩孔

11、。在拖管坑一端的钻杆上，依次装上不同规格的扩孔器，利用导向钻机回拉钻杆进行扩孔，直至将土孔扩大至设计孔径。 图 4 扩孔钻头 5.3.5 拖 拉管 施工 扩孔完成后，即可拉入需铺设的成品管。管子预先全部连接妥当，以利于一次拉入。当地层情况复杂，如：钻孔缩径或孔壁垮塌，可能对分段拉管造成困难。拉管时，将扩孔器接在钻杆上，然后通过单动接头连接到管子的拉头上，单动接头可防止管线与扩孔器一起回转， 并拧坏管线 。为 确保钻孔畅通，回拉时，可向孔内泵入润滑液。 图 5 拖拉管施工 5.3.6 注浆加固 地基 为了避免地面沉降 ， 提高地基土的承载力 （或 预防管涌并隔断水源 ） ， 拉管完成后 需要进行

12、注浆加固。 拉管施工前在管 线 前端连接两根与 PE 管同长度的 25 钢管 ,与管 线 一同拉入土中并一同到达拉管设计终点桩号。到达终点后，解除 25 钢管与管 线 的连接，在两根钢管前面各加一根 6长同直径的注浆花管。 每拽入 6，把钢管和拉管机的连接取消，换成和高压注浆泵连接。注入 1： 1 水泥、粉煤灰浆液（ 0.4Mpa），从而置换触变泥浆，补充管 线 周围的空隙。然后再换再拉，再拉再注，反复进行。直到把钢管全部拉出，注浆结束。 6 施 工 技 术 6.1 工程设计 计算 6 1 1 轨迹测量 一旦选择确定了施工位置，就应该对钻孔轨迹作测量并准备详细的图纸。钻孔轨迹和基准线的最后精度

13、取决于测量资料的精度 6.1. 2 轨迹设计参数： 1 覆盖深度 完成岩土勘察，确定了穿越的轨迹，就可确定穿越的覆盖深度，需要考虑的因素包括钻孔施工对地面道路、建筑物或河流的影响，以及对该位置已有的管线的影响。推荐穿越的最小覆盖深度大于钻孔最终扩孔直径的 6倍以上；在穿越河床时，应在河床断面最低处之下 5m米以上。 2 钻孔轨迹控制 钻进导向孔时，每 2 3m 应进行一次测量计算。 3钻孔直 径计算 根据导向孔与适合成品管铺设孔的直径大小和地层情况，扩孔可一次或多次进行。最终扩孔直径按下式计算： K1 适合成品管铺设的钻孔直径 成品管外径 K1 经验系数，一般 K1=1.2 1.5，当地层均质

14、完整时， K1 取小值，当地层复杂时， K1 取大值。 4 拉力 计算 拉力计算 : F 拉 =(G + G ) n G -管道总重量在 X方向的分量 -摩擦系数 n-安全系数 经计算确定所选用拉管机能能否承受承受该拉力。 6.2 设备仪器 6.2.1 水平定向 钻机 可分为两类： 地表始钻式 和 坑内始钻式 。 地表 始钻式 钻机通常为履带式，可依靠自己的动力自行走进入工地。铺设新管时它们不需要发射坑和接受坑，但管线连接时仍需要开挖。地表发射钻机有几种桩定方式将钻机锚固在地上，性能完善的钻机桩定系统可以是液压驱动的。 图 6 地表始钻式钻机 坑内始钻式 在钻孔的两端都需要挖坑，但可在空间受限

15、的地方操作。一些设计更紧凑的钻机的发射坑，可只比接管所需的坑稍大一点就行。坑内发射钻机固定在发射坑中，利用坑的前、后壁承受给进力和回拉力。 一些地表发射钻机是整装式的，载有钻进液用搅拌池和泵，以及动力辅助装置、阀和控制系统；也有采用搅拌池和泵等设备分离配置的。钻进液通过钻杆柱内孔泵送到钻头，再从钻杆与孔壁的环空内返回，并把破碎下来的钻屑携带至过滤系 统进行分离和再循环。钻机，尤其是地表发射钻机，配置有一个钻杆自动装卸系统，定长的钻杆装在一个“传送盘”上，随钻进或回扩的过程而自动从钻杆柱上加、减钻杆，这种操作与一个自动的螺纹拧紧和卸开装置配合进行。由于钻杆自动装卸系统加快施工速度、提高施工安全和

16、减小劳动强度。 6.2.2 导向系统 导向系统有几种类型：最常用的 “ 手持式 (walk-over)”系统和有缆式导向系统 “ 手持式 (walk-over)”系统 （如下图 4） ，它以一个装在钻头后部空腔内的探测器或探头为基础。探头发出的无线电信号由地面接收器接收，除了得到 地下钻头的位置和深度外，传输的信号还往往包括钻头倾角、斜面面向角、电池电量和探头温度。这些信息转送到钻机附属接受器上，以使钻机操作者可直接掌握孔内信息，从而据此作出任何有必要的轨迹调整 。 有缆式导向系统用通过钻杆柱的电缆从发射器向控制台传送信号。虽然缆线增加了复杂性，但由于不依靠无线电传送信号，对钻孔的导向就可以跨

17、越任何地形，并且可以用于受电磁干扰的地方。 图 7 手持式 (walk-over)导向系统 6.3 钻进液 钻进液通常是钻进泥浆。钻进泥浆的功能主要是维持钻孔的稳定性。另外，泥浆还有携带钻屑、冷却钻头、喷射钻进等功能。管道与孔壁环状空间里的钻进液还有悬浮和润滑作用，有利于管道的回拖。 钻进泥浆经泥浆泵泵入钻杆，从钻头喷射出来，在经钻杆与孔壁的环状间隙还回地面。钻进液是一种由清水 +膨润土 +少量的聚合物 +处理剂的混合物。膨润 土是常用的泥浆材料，它是一种无害的泥浆材料。 钻进液应在专用的搅拌池中配制。从钻孔中返回的泥浆需经泥浆沉淀池或泥浆净化设备处理后，再送回供浆池，或与新泥浆混合后再使用。 8质 量 控 制 8.1 水平定向钻进铺设管线施工 施工应执行下列规范及标准 城市地下管线探测技术规程 CJJ 61-94 水平定向钻进技术指南 成功中型定向钻进施工指南 水平钻进安全操作指南 水平定向钻进铺设管线铺设工程技术规范 8.2 施工前通过全站仪沿地面上拉管的 中心线每 3米设置一桩（有障碍物的除外），并沿拉管的中心线撒好白灰线且测出桩高程，算好桩高程与设计 管线 流水面的关系 ，确保流水坡度准确 。