水平定向鉆穿越技術在長輸管道施工中的應用

王建

摘要：非開挖穿越管道技術是指在地面不開挖溝槽的情況下鋪設、修復和更換地下管道的施工技術。與傳統的開挖施工相比，非開挖地下管線施工具有不影響交通，不污染環境等優點，非開挖穿越主要包括水平定向鉆穿越、頂管穿越、水平螺旋鉆、夯管錘等方法。每種施工方法都有各自的適用范圍和局限性，所適用的管徑大小、管線材料、施工長度、地層和地下水條件以及周圍環境各有所不同。本文主要針對長輸管線施工中常用的水平定向鉆穿越技術做簡要概述。

關鍵詞：非開挖 水平定向鉆 導向孔 擴孔 回托鋪管

1、水平定向鉆的特點

水平定向鉆穿越技術的優點為：對地表的干擾較小；施工速度快；可控制鋪管方向，施工精度高。不足之處在于對施工場地要求較大，在非黏性土質和礫石層中施工比較困難，一般適用于不含大卵石的各種地層，包括含水地層。水平定向鉆穿越技術是一項由多學科、多技術、不同設備集成運用于一體的系統工程，在施工過程中任何一個環節出問題，都可能導致整個工程的失敗，造成巨大的損失。

2、水平定向鉆的施工原理

水平定向鉆進使用一種射流輔助切削鉆頭，鉆頭通常帶有一個斜面，因此當鉆桿不停地回轉時則鉆出一個直孔，而當鉆頭朝著某個方向給進而不回轉時，鉆孔發生偏移。導向鉆頭內帶有一個探頭或發射器，探頭也可以固定在鉆頭后面。當鉆孔向前推進時，發射器發射出來的信號被地表接受其所接受和追蹤，因此可以監視方向、深度和其他參數。一般施工分三步進行：首先鉆進導向孔，然后擴孔，最后回拉鋪管的施工技術工藝。導向鉆進施工示意圖如圖。

3、施工設備

鉆機、鉆桿、導向系統、附助設備（拉頭、單動接頭、安全接頭、管道支護滾筒和電纜牽引器、管道頂推裝置輔助拉管）、鉆進液/泥漿

4、施工場地及布置

4.1施工場地

水平定向鉆進穿越工程需要兩個分離的工作場地：設備場地（鉆機的工作區）和管線場地（與設備場地相對的鉆孔出土點工作區）。

（1）設備場地

安放設備、施工操作需要充足的工作面積。一般應保證鉆進設備周圍具有至少大于鉆桿單根長度的操作空間，設備上方應無障礙以保證吊放和防止落物。

（2）管線場地

應提供足夠長的工作空間便于欲鋪設管子的連接。穿越工程的設計，應盡量設法將欲鋪設的管線做到全長度一次性拉入，并盡可能避免水平方向的彎曲。多次回拉連接管線會增加施工風險。

施工場地還應考慮可能干擾鉆架或起重機操作的空中設施，以及可能影響設計軌跡線和鉆機布置的地下設施。交通高峰期對工作時間的限制也影響施工場地的充分利用。

施工場地還須考慮開挖進、出口坑和泥漿循環池。盡管水平定向穿越對公共設施的破壞最小，但必須告知財產所有者或管理機關，這些坑是定向穿越施工的必要組成部分。

4.2工作坑

進、出口工作坑是非常重要的，進、出口工作坑可有以下功用：

（1） 兼作地層情況和地下管線及構筑物的探坑；

（2） 用作泥漿循環池的組成部分；

（3） 作為連接與拆卸鉆具、鉆桿、管線的工作坑；

（4） 坑內始鉆式鉆機的設備安放位置。

4.3泥漿循環池

泥漿循環池由返回池、沉淀池、供漿池三個以上的池組成。池之間由溝槽連接，其間還可有泥漿凈化設備或裝置。泥漿循環池的大小根據泥漿返回量的多少確定，一般至少應為1×1×1m，為保證泥漿自由沉淀的效果，沉淀池可大一些或多1～2個。

5、鉆進液

鉆進液通常是鉆進泥漿。鉆進泥漿有許多功能，最基本的是維持鉆孔的穩定性。另外，泥漿還有攜帶鉆屑、冷卻鉆頭、噴射鉆進等功能。鉆進液的成分根據底層條件、使用要求作調整。管道與孔壁環狀空間里的鉆進液還有懸浮和潤滑作用，有利于管道的回拖。

鉆進泥漿經泥漿泵泵入鉆桿，從鉆頭噴射出來，在經鉆桿與孔壁的環狀間隙還回地面。鉆進液是一種由清水+優質粘土（膨潤土）+處理劑（若需要）或清水+少量的聚合物+處理劑（若需要）的混合物。膨潤土是常用的泥漿材料，它是一種無害的泥漿材料。

鉆進過程中，監控和維持粘度、比重、固相含量等技術參數是極為重要的。當孔內情況有所改變時，可以按需要調整這些參數。

鉆進液應在專用的攪拌池中配制。從鉆孔中返回的泥漿需經泥漿沉淀池或泥漿凈化設備處理后，再送回供漿池，或與新泥漿混合后再使用。常用的泥漿凈化方法是分級濾出不同粒徑的土屑，如：從孔口返回的泥漿依次通過振動篩、除砂器、沉淀池處理。鉆屑增加鉆進液的固相含量，固相含量必須始終控制在30%以下，這樣才能保證堵塞鉆孔。

作為環保施工技術，對非開挖水平定向鉆進的鉆進液進行適當處理可避免在地表不能存放鉆進液的問題。使用后的膨潤土泥漿（不含有害處理劑）最常用的處理方法是散布在田野里，用后的膨潤土泥漿散布在田地、牧場或管線周圍，對工程承包商和土地主人都是有利的。預先設計好泥漿處理技術可降低實際處理成本。

6、鉆進過程

鉆進過程分三步：導向孔、擴孔、回托鋪管。

6.1導向孔

進導向孔是水平定向穿越施工的最重要階段，它決定鋪設的管線的最終位置。導向孔鉆進采用小直徑全面鉆頭，進行全孔底破碎鉆進。在鉆頭底唇面上或鉆具上，安裝有專門的控制鉆進方向的機構。在鉆具內或在緊接其后部位，安裝有測量探頭。鉆進過程中，探頭連續或間隔地測量鉆孔位置參數，并通過無線或有線的方式實時地將測量數據發送到地表接收器。操作者根據這些數據及其處理這些數據得到的圖表，采取適當的技術措施調整孔內控制鉆進方向的機構，從而人工控制鉆孔的軌跡，達到設計要求。對有地下管線、關鍵的出口點或調整鉆孔軌跡時，應增加測量點。將測量數據與設計軌跡進行比較，確定下一段要鉆進的方向。鉆頭在出口處露出地面，測量實際出口是否在誤差范圍之內。如果鉆孔的一部分超出誤差范圍，可能要拉回鉆桿，重新鉆進鉆孔的偏斜部分。當出口位置滿足要求時，取下鉆頭和相關鉆具，開始擴孔和回拉。

6.2擴孔

導向孔完成后，必須將鉆孔擴大至適合成品管鋪設的直徑。在鉆機對面的出口坑將擴孔器連接于鉆桿上，再回拉進行回擴，在其后不斷地加接鉆桿。不同地層應采用不同的擴孔器。刮刀擴孔器用于軟土層；筒形擴孔器用于混合土；鑲嵌硬質合金塊的牙輪擴孔器用于巖石層。擴孔器的類型和地層條件直接影響擴孔速度。采用與地層相匹配的擴孔器和適當的鉆進液流量是擴孔施工的關鍵，可節約資金和時間。同徑鋪設時，導向孔完成之后，可直接回拖鋪管。但是，大多數導向孔需要擴孔，將孔徑擴至能鋪設管道。終孔孔徑一般應為管線外徑的1.2～1.5倍。地層情況復雜時，擴孔直徑越大越好；但是，孔徑越大，維持孔壁穩定越困難。應考慮鉆進液和鉆屑返回的環空間隙和鋪設管線的彎曲半徑。根據要求的終孔直徑和土層條件，擴孔可一次或多次完成。

6.3回拖鋪管

擴孔完成后，即可拉入需鋪設的成品管。管子預先全部連接妥當，以利于一次拉入。當地層情況復雜，如：鉆孔縮徑或孔壁垮塌，可能對分段拉管造成困難。拉管時，應將擴孔器接在鉆桿上，然后通過單動接頭連接到管子的拉頭上，單動接頭可防止管線與擴孔器一起回轉，保證管線能夠平滑地回拖成功。準備回拉的管線應在出口一側連接并進行檢測。如果鋪設的是鋼管，推薦將鋼管放在滾筒上以減少摩擦力，保護管線的涂層。對于高強度聚乙烯管通常不需要這個工序。鉆桿使用一個拉頭或拉鉤和一個單動接頭與鋪設管連接，單動接頭用于防止管線回轉，并擰壞管線。也可將擴孔器安裝于拉頭與鉆桿之間，以確保鉆孔暢通，回拉時，可向孔內泵入潤滑液。

拉管和其后的測試試驗（靜水壓測試、定徑清管器、密封測試）等工作完成后，應清理管線現場和設備現場。這項工作包括排除入口坑和出口坑中的鉆進液，并回填這些工作坑。

7、結論

隨著國家天然氣管道工程的進一步開展，以及城市用戶的不斷開發，水平定向鉆作為一項高效安全的新技術將會得到越來越廣的應用。性能優良的設備、合理的施工工藝、科學的施工組織和有效的施工措施是工程順利完成的主要因素，水平定向鉆穿越施工會存在一定的工程風險性，因此必須不斷的補充、完善、掌握好這項新技術。

參考文獻：

[1] 李山水、劉寶林、王鵬.水平定向鉆進管線鋪設工程技術規范.中國非開挖技術協會，2001

[2] 顏純文、蔣國盛、葉建良.非開挖鋪設地下管線工程技術.上海科學技術出版社，2005

[3] 張偉、王鵬.現代非開挖地下管線施工方法及適用范圍，地質與勘探，1998