1、1水平定向钻技术在城市燃气管网施工中的应用及方法摘要：我国城市建设发展迅速，道路拓宽改造，路面情况变化较大，城市地下管线种类繁多，特征各不相同，需要对其进行准确定向，水平定向钻技术在我国应用广泛，特别是城市燃气管网施工中，城市燃气管网是城市建设规划中不可缺少的一部分，因此，安全、可靠、稳定运行的燃气输送系统是必不可少的。在施工中运用水平定向技术可以更有效地保障城市燃气管网施工的质量。 关键词：水平定向钻技术；城市燃气管网施工；施工工艺 中图分类号： TU996 文献标识码： A 文章编号： 前言 随着城市建设的不断发展以及旧城改造工程的不断加快，地下各种管线不断增多并且错综复杂、交罗密布。同时
2、随着现代文明意识和环保意识的逐渐加强，明槽开挖施工所导致的社会、交通及环境污染等问题也越来越受人民的关注。明槽开挖施工不但影响道路使用年限、破坏周边环境，而且给人们的生活、工作带来诸多不便。水平定向钻施工是一种采用定向钻机和控向仪器，在预先确定的方向上通过导向钻进、扩孔、拉管等工艺过程实施管线敷设的非开挖施工方法。该方法是我国非开挖铺设地下管线施工方法中发展最快、技术最先进、设备最完善、应用最广泛的一种，在非开挖技术领域里占据着主导地位。由于其施工速度快、对周围环境影响小、可穿越地下障碍物和地面建造物等特点得到了广泛2的应用。 一、水平定向钻施工特点 水平定向钻作为一项较新的工艺，在穿越河流、
3、湖泊、交通干线、铁路枢纽等障碍和重要区域时具有明显的优越性。采用该技术施工，能减少环境污染，具有显著的经济效益和社会效益。 1、水平定向钻施工具有不会影响交通，不破坏草皮、植被，不会影响环境的特点，解决了传统开挖施工中大量土方的堆放问题，有利于环境保护。减少了地面开挖、恢复造成的浪费。消除了对交通，环境，周边建筑物基础的破坏和不良影响。 2、现代化的水平定向钻机，设备的精度高，易于调整敷设方向和埋深，管线弧形敷设距离长，完全可以满足设计要求埋深，并且可以使管线绕过地下的障碍物。 3、穿越河流时，采用水平定向钻施工，对周围环境基本没有影响，不破坏地貌和环境，适应环保的各项要求。同时地层内部的氧离
4、子及其他腐蚀性物质很少，所以起到自然防腐和保温的功能，可以保证管线运行时间更长。 4、采用水平定向钻施工时，没有水上、水下作业，不影响江河通航，不损坏江河两侧堤坝及河床结构，施工不受季节限制，具有施工周期短、人员少、成功率高、施工安全可靠等特点。 5、与其它施工方法比较，进出场地速度快，施工场地可以灵活调整，尤其在城市施工时可以充分显示出其优越性，并且施工占地少工程造价低，施工速度快。 36、施工不受气候和环境的影响，可以全天候施工。可以最大程度上满足对于工期的要求。 二、水平定向钻技术在城市燃气管网施工中的应用 近几年，在经济发达地区如上海、广州、北京等地，水平定向钻进技术得到了大家的广泛认
5、可，并开始迅猛发展。特别是在城市燃气管道施工中有着应用。城市燃气管网是城市建设的重要基础设施之一，燃气管网的施工应与城市总体规划紧密地联系起来，燃气管网的安全运行对居民的生活而言非常重要，目前在我国只有一些大中型城市才有燃气管网，并且主要以灌装液化石油气为主，但随着我国天然气田的开发，使天然气在居民能源应用上的使用比例增加，特别是国家西气东输等相关政策的实施，使很多城市开始了燃气管网的建设，并且管网铺设范围不断加大，因此，城市燃气在我国有巨大的前景。伴随着材料技术的发展，在城市燃气管网中已经逐步淘汰了灰铸铁管，取而代之的是 PE 塑料管、铝塑复合管等新兴管材，这些管材大多使用寿命长久，在经济性
6、、安全性、易于施工等多方面，被广大用户所接受。 1、定向钻敷管技术 定向钻进敷管工艺是目前国内外非开挖敷管（中、小口径）技术中最先进的工艺，适用于非开挖穿越道路、河流、铁路及机场跑道敷设各类管道。设备采用全液压驱动。其先进性主要体现在以下几个方面： （1）方向可控 先进的定向测控系统可以在钻进过程中随时监测钻进的位置、深度和水平倾斜角，及时发现偏差并及时纠正。 4（2）对周围环境的影响 挤压式的成孔方式避免了在路基中河道中造成局部的承载力降低力降低， 并确保道路交通正常运行和地下管道的安全正常使用。 （3）成功率高 强大的动力及其合理的使用，能在各种复杂地层中作业，完成管线铺设。 2、工艺流程
7、 HDD 施工流程为：测量放线现场勘察及地下管线调查设备进场安装调试钻机钻孔导向分级扩孔管道回拖设备撤场地貌恢复。（1）就位安装 导向钻机分为三大部分：一是导向钻进系统，二是动力系统，三是泥浆系统。导向钻进系统是根据设计要求导向钻进，回拉扩孔，回拉拖管的系统；动力系统是为钻进系统提供液压动力的系统；泥浆系统为钻进系统提供合理的钻进液。根据燃气管道敷设技术要求和非开挖管道敷设的技术规范要求，并结合施工场地情况和地质条件及燃气管的曲率半径，合理设计导向孔的轨迹，轨迹应尽量平滑，入土角度控制在-10与-14之间，向下造斜段每根钻杆（每水平 3.0 米）变化角度控制在 2，出土角度控制在+8与+12之
8、间。导向孔的轨迹由三段组成：向下造斜段（辅助施工段） 、水平段、向上造斜段（辅助施工段） 。 钻机钻杆前端装有导向装置，导向装置是能把钻进的参数发送到接收装置，控向员根据接收装置收到的信号引导钻头按设计轨迹进行钻进施工。钻进过程中，5测量人员在地面上随钻进同步测控。连接施工方法 PE 燃气管道的连接采用热熔连接，严格执行 PE 管道的热熔焊接操作规范。 导向孔贯通后，卸下导向钻头，装上流线型挤压式扩孔钻头，逐级回拉扩孔，扩孔至回拉成品管外径的 1. 2-1.5 倍孔径，最后将成口保护管顺着扩孔轨迹牵引到位。 （2）导向成孔 在设备系统调试结束后通过装在钻机前端的导向装置发射的电磁波，利用定向定
9、位测定仪的接受功能，对导向钻头的深度、水平角、工具面向角进行有机测控。 （3）扩孔施工 导向施工完成后，下一道工序就是回拉扩孔。首先计算出所铺设管道的最小孔径。为确保扩孔顺利完成，通常最终扩孔直径一般为管道直径的 1.31.5 倍。扩孔时，应严格按照扩孔级别逐级扩孔，不允许越级扩孔。大于 1.5 倍时，易发生塌孔事故，同时增加泥浆量，增大施工成本，小于 1.3 倍时，孔内泥浆清理不尽，容易造成抱管事故，造成工程施工失败。对于大口径管道的水平定向穿越，当穿越沿程的土质不均匀时。即使导向曲线非常完美，由于钻杆、钻具自身重力的作用，土质松软的地方下切比较多，土质坚硬的地方下切比较少，也会造成预扩孔偏
10、移，使扩孔后的穿越曲线变成波浪形。这种偏移和波浪对管道的顺利回拖是极其有害的。故此在进行较大的扩孔时采用板式或桶式扩孔器，必要时辅以扶正器。 成孔液也是关系回拉扩孔是否成功的关键之一，它主要起防止塌孔、6减阻、清洗孔底、携带和悬浮钻屑、冷却钻头，润滑钻具、保护孔壁、控制地层压力，实现平衡钻进、参与碎岩，给钻头传递水力能量等诸多作用。从性价比等多方面综合考虑，适于 HDD 施工的成孔液类型主要有优质膨润土体系、天然植物胶体系、化工合成材料体系三大类，配方时所用的基本浆材和处理剂的可选品种较多。从要求的性能上看：HDD 施工成孔液应有较强的静态粘结力、宽范围可调的流动粘度、优良的降失水性和抑制性、
11、显著的润滑性和剪切稀释作用。选用固壁性能好的成孔液是确保复杂地层孔壁稳定性、提高钻孔工程质量、提高钻进效率、降低生产成本的最有效途径。 （4）回拖管线施工 扩孔完成后，已经形成可以满足管道回拖要求的孔洞，这时就必须尽快组织管道回拖施工，由于施工工艺的特殊性，要求回拖管线过程必须快速进行，避免因停工造成孔径缩减、塌孔，从而使回拖阻力增大，增加对管壁的摩擦力，给施工造成必要的困难。回拖前应做好如下准备工作。管道焊接工作：根据导向长度确定管道回拖长度，不同的管材应采用相适宜的焊接技术，如 PE 管采用热熔焊接技术，钢管采用电焊焊接技术。拉管头制作：回拖时需加工一锥形钻头来连接管道和钻杆，同时还起到封
12、堵管头的作用。封堵管头：回拖作业时应做好管道两端管头的封堵工作，防止泥浆流入管道内。如果回拖力太大时，应采用助推器进行助推。回拖的管线要布置在穿越中心线上，尽量避免与钻杆之间形成夹角，当管径较大时，回拖前根据出土角的大小沿钻杆开挖一斜坡，以利于管线按出土角度回拖入孔内。 7（5）清理现场，将设备撤至下一个施工场地。 3、注意事项 由于定向钻非开挖施工具有高风险，不可预见因素很多，通过对我国燃气事故的调查，发现许多燃气管网的事故是人为造成的，有些施工单位的施工人员在不了解管线布局的情况下，强行施工，造成了燃气管线管网的破坏或重大的安全隐患，这些问题对燃气管网的安全稳定可靠的运行有较大的影响。必须
13、对施工过程及结果进行严格检查，保证燃气管线工程质量，通过各方协调努力，确保燃气管线工程不存在安全隐患。一旦发生事故项目部立即汇集有关人员进行情况分析，必要时汇报建设单位、设计、监理等部门，召开专家讨论会，及时调整方案，采取补救措施。 (1)如在导向过程中遇到障碍物，要分析确定障碍物位置，修改导向轨迹避开障碍。遇到信号干扰，要分析原因，避开干扰，采用有线导向。管线资料有误、钻孔偏差，要立即停止施工，通知有关部门抢修；保护现场，协助有关部门抢修；分析原因，制订补救措施。卡钻扩孔器遇障碍用挖机、滑轮组、顶拉式千斤顶把钻杆回拉；减慢回扩速度，必要时换小口径扩孔器回扩；脱扣或钻杆断裂上钻杆没有到位，钻杆
14、质量缺陷，扭矩、拉力过大用挖机、滑轮组、顶拉式千斤顶把钻杆回拉；采用导向钻头在原孔位钻进至出土点，然后重新回扩。 (2)保证城市燃气管网中定向钻工程质量 导向钻控仪和信号发射器在每次施工前进行一次标定，测深误差控制最小范围。每钻进 3 米进行一次停钻定位测量、记录，在入土点、出8土 、原有管线附近的关键部位，每钻进 1 米进行一次，以保证铺管精度和施工安全。施工过程中采用随钻注浆以加固孔壁，泥浆配比根据实际地质情况配制。 技术管理工作，项目部设置专人全面负责本工程的技术工作,专业技术人员负责工程的日常技术工作。施工现场的专业技术人员负责本阶段工程的技术工作，处理解决日常施工中的若干技术问题。施
15、工前应进行技术交底。包括以下内容：工程范围概况、施工方法、施工标准、质量安全要求、注意事项等。确保相关人员明白自己的任务范围及各项要求等。 三、要加强水平定向钻技术的研究 定向钻进竣工后的管位数据原先主要依据导向仪提供的数据，由于导向仪很容易受到干扰，在特殊区域如河面很宽、周围干扰大、场地全是堆积物或障碍物无法行走等情况下，要想获得准确的导向数据是很困难的，甚至是不可能的。同时，导向仪测定的数据是相对深度，而非绝对标高，受到地形地势的影响。此外，导向仪测定的数据为导向过程中钻头的深度，经过回扩、回拖工序后管道的埋深由于回扩器下沉等原因已与导向过程中的深度不同。我们需要的是管道竣工后的最终深度，
16、这是导向仪无法提供的。由于管线位置的不确定，上海市已发生了多起地下管线损坏的事故，造成了不良的社会影响。有些行政单位甚至开始对非开挖工艺产生了抵制情绪，严禁所属区域开展非开挖工程。 目前，个别行业如燃气、电力行业已对竣工后的管道进行陀螺仪测量。陀螺仪三维精确定位技术是一种国际上领先的三维精确定位管线新技术，将陀螺仪原理与计算机三维计算技术整合在一起，巧妙地综合利9用陀螺仪导航技术、重力场、计算机矢量计算等交叉学科原理，自动生成基于 X、Y、Z 三维坐标的地下管线空间位置曲线图，从而实现精确定位管线埋深而不再受管道材质、管线埋深或周围环境地质条件的限制。该技术可应用于非开挖、燃气、排水、电力、化
17、工、通讯等领域，可弥补传统管线定位方法的不足，达到快速、准确、安全定位地下管线的目的。结束语管道竣工后的三维管位测量从整个行业发展的趋向来看是必须的，有了管道的确切位置我们才能保证施工的安全性也更有利于地下空间的合理应用。推广的同时还须做好技术的论证工作，对设备的精度进行必要的检定，掌握设备测量的实际误差和精度。随着我国经济持续稳定地增长，城市化进程的不断加快，我国的地下管线的需求量也在逐年增加。加之人们对环境保护意识的增强，HDD 技术必将越来越广泛的应用于城市建设中，同时也产生巨大的社会效益与经济效益。 参考文献 1 尹勇.燃气技术城市燃气管设计施工中的几个问题的探讨J.城市燃气，2002，(7). 2 余彬全，陈传灿. 顶管施工技术.人民交通出版社，2003 年第一版 3 水平导向钻进管线敷设工程技术规范.中国非开挖技术协会,2003 年
