給水管道水平定向鉆進拖拉法的應用分析

趙　楊

上海達望元水務工程設計有限公司

給水管道水平定向鉆進拖拉法的應用分析

趙楊

上海達望元水務工程設計有限公司

水平定向鉆進拖拉法鋪管在非開挖技術領域是一種占主導地位且發展很快的施工技術，以其獨特的優點在給水管道穿越河流、道路、建筑物等障礙物的施工中得到大量應用。本文以工程實例并結合自己的工作經驗對該技術進行闡述分析，以供同行參考。

給水管道；水平定向鉆進；軌跡設計；施工

1　工程概況

上海市浦東新區南部某路段輸水管建設工程，新建管管徑DN800，設計壓力0.5MPa，管位在道路規劃綠化帶內，地面標高4.0m。局部管段從西往東需依次穿越某公司圍墻內景觀綠化帶、市政道路及現狀河道，長約430m。規劃部門對道路沿線景觀有嚴格要求，所有公用管線穿越河道不允許采用自建管橋方式；市政道路路口交通流量大，地下管線種類較多較復雜；穿越公司景觀綠化帶協調難度大，賠償費用高。

該段場地土層水平分布較均勻，可分為5層土，地層自上而下分布為：①素填土、雜填土；②粉質粘土夾粉土；③粉土夾粉砂；④粉砂夾粉土；④-1粉土夾粉砂；⑤粉砂。通過從施工方式、工程費用、安全性及對現有交通和環境的影響等幾個方面的因素分析，決定對該管段采用非開挖水平定向鉆進拖拉法施工，穿越層選擇④-1層，管中心標高-7.0m，距規劃河床底7m。

2　水平定向鉆進拖拉法的工藝原理和主要設備

2.1工藝原理

該方法是從石油鉆井領域發展演變過來的一種適用于快速鋪設地下管線的先進非開挖施工技術，其主要運用水平定向鉆機在最小地表開挖幅度下對多種地下公用設施進行鋪設，在自來水、天然氣、電力和電信部門已是一種得到廣泛認可的施工工藝，大量應用在穿越河流、道路、建筑物等障礙物的施工中。其典型的鋪管作業可分為導向孔鉆進、回拉擴孔以及管線回拖三個階段。

（1）導向孔鉆進

導向孔的鉆進一般采用小口徑全面鉆頭，進行全孔底破碎鉆進。使用的是可在地表控制方向的鉆頭或鉆具，一類是斜面鉆頭，是一種前端帶有斜掌面的射流輔助切削鉆頭，當鉆桿帶動鉆頭連續回轉給進時鉆出直孔，當鉆頭不回轉只給進時，鉆孔發生偏斜，從而達到改變鉆進軌跡的目的。另一類是孔底動力機加彎接頭，即泥漿馬達，靠泥漿做動力，將泥漿液壓力轉化為機械轉動力，驅動轉子帶動牙輪導向鉆頭旋轉。泥漿馬達的轉向原理是依靠馬達內的彎接頭將馬達調整到所希望的鉆進方向，然后啟動泥漿泵，并使泵量達到泥漿馬達和鉆頭所需的值，由鉆機給鉆桿施加壓力進行鉆進，直到鉆進方向達到設計方向為止。

導向孔的軌跡控制通過導向鉆頭完成。在鉆頭或鉆具內安裝有測量探頭，鉆進中探頭連續或間隔地測量鉆孔位置、指向等參數，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，操作人員根據實測鉆孔數據來評價和及時調整鉆進狀態，從而人工控制鉆孔軌跡按設計軌跡延伸。

（2）回拉擴孔

導向孔鉆進完成后，需及時卸下導向鉆頭，換上擴孔器進行回擴。根據敷設管線的管徑、地質條件、設備能力，分一次或多次逐級擴孔，最終擴孔直徑按經驗控制在管線外徑的1.2～1.5倍，當地層均質完整時，擴孔率取較小值，當地層條件復雜時，擴孔率取較大值。

（3）管線回拖

擴孔完成后應立即進行管道回拖。拉管時，將擴孔器接在鉆桿上，然后通過旋轉接頭連接到待鋪管子的拉頭上，旋轉接頭可防止管線和擴孔器一起回轉并擰壞管線，利用定向鉆機一邊回轉一邊回拉，將管線拖入已擴鉆孔，完成管道鋪設。

與傳統開挖法施工相比，水平定向鉆進拖拉法鋪管不會阻斷交通，對周圍環境影響?。幌冗M的穿越設備具有較高的穿越精度，能夠對埋深以及敷設方向予以靈活調整，使管線能夠有效避免地下障礙物，方便施工；施工不受季節限制，施工周期短人員少，在很多情況下綜合費用比其他施工方法少。

2.2主要施工設備

本工程施工過程中投入的主要儀器和設備見表1。

表1　主要儀器和設備

3　定向鉆孔軌跡設計

定向鉆孔軌跡的設計是施工的依據和質檢的標準，直接影響到施工的安全和成本。設計前要進行詳細的工程勘察，包括地質、地形、地貌、地物、現有地下管線及新建管線路徑等，充分掌握相關資料；設計時要綜合考慮管線敷設的最小覆土深度、與地下管線及障礙物的安全距離、所用管材的規格和性能、出入土角及管線曲率半徑、穿越場地的條件限制及特殊要求等因素。

本工程導向孔軌跡由入土造斜段-直孔鉆進段-出土造斜段構成。造斜段曲率半徑由鉆桿和待鋪管線的允許曲率半徑共同決定，在條件允許情況下，宜選擇較大的曲率半徑，以減小管道彎曲應力，降低管道的回拖阻力。本工程使用的鉆桿外徑為139.7mm；管線采用高密度聚乙烯（HDPE）給水管，外徑800mm，公稱壓力1.25MPa，徑厚比13.6；管線最大埋深11m。

（1）鋪設的HDPE管最小允許曲率半徑：

式中：E為HDPE管彈性模量，為960MPa；D為管線外徑，為800mm；δp為HDPE管彎曲應力，取5MPa。

（2）鉆桿的曲率半徑由鉆桿的彎曲強度值所確定，根據工程實踐經驗，取值不小于鉆桿外徑的1200倍。本工程鉆桿最小曲率半徑為167.64m。

（3）入土角α1、入土曲線段水平長度L1及入土造斜段彎曲半徑R1值

地面始鉆式的入土角α1宜為8°～20°；

式中：R1為管線入土造斜段的彎曲半徑，應不小于待鋪HDPE管和鉆桿彎曲半徑兩者中的大值；H為管道埋設深度。

本工程H為11m，取R1為500m，經計算α1為12°，L1為104m。

（4）出土角α2、出土曲線段水平長度L2及出土造斜段彎曲半徑R2值

地面始鉆式的出土角α2對塑料管宜為0°～20°；

式中：R2為管線出土造斜段的彎曲半徑，應不小于待鋪HDPE管和鉆桿彎曲半徑兩者中的大值；H為管道埋設深度。

本工程H為11m，取R2為730m，經計算α2為10°，L2為126m。

4　水平定向鉆進拖拉法施工

施工工藝流程為：施工現場準備→測量放線定位→鉆機就位→泥漿配置→導向孔鉆進→擴孔→管道焊接→管道回拖就位→清理現場。

4.1設備選型

回拖階段，在成孔良好情況下，管道回拖力構成主要有兩部分，一部分是管段在泥漿中的重力和浮力作用引起的摩擦力，另一部分是拖管前進時管段在泥漿中的黏滯力。GB 50423-2013《油氣輸送管道穿越工程設計規范》中穿越管段回拖力計算經驗公式為：

式中：FL-計算拉力（KN）；L-穿越管段的長度（m），為430m；f-摩擦系數，取0.3；D-管道外徑（m），為0.8m；γm-泥漿重量（KN/m3），取12 KN/m3；γs-管道重度（KN/m3），為9.408KN/m3；δ-管道壁厚（m），為0.0588m；Wf-管道單位長度配重（KN/m），為0；K-泥漿黏滯系數（KN/m2），取0.18KN/m2。經計算本工程單位長度FL值為1.844KN/m，其中摩擦力為1.392KN/m，泥漿黏滯阻力為0.452KN/ m，總回拖力為792.92KN。

水平定向鉆機能力應能滿足穿越管道回拖力的要求，根據國內外多年施工經驗，一般按上述回拖力計算值的1.5～3倍作為鉆機選型的依據。本工程投入使用的XZ-3000型定向鉆機最大回拖力為3000KN，完全滿足本次施工需要。

4.2測量放線

根據測量合格的控制樁測定出管線入土點、出土點、管線穿越中心線及管線施工作業邊界線。在入土點一端測量并確定鉆機安裝位置及泥漿池的占地邊界線，在出土點一端，根據管線中心軸線和占地寬度及長度，放出管線組裝焊接預制場地邊界線及出土點作業場地邊界線。放線時入土點、出土點應設置標志樁，并注明穿越管線的入土角、出土角、水平轉角、高程坐標。放線時入土點、出土點位置左右偏差不超過10mm，沿管線軸線方向誤差不超過20mm。

4.3鉆機就位

按照施工布置圖及規范要求，進行鉆機就位，罐區擺放，開挖泥漿回收池。

4.4泥漿的配制

泥漿俗稱鉆孔施工的“血液”，泥漿質量好壞對穿越工程施工順利進行和安全生產起十分重要的作用，其主要作用體現在潤滑冷卻鉆具、懸浮和攜帶鉆屑、穩定孔壁、平衡地層壓力、軟化和輔助破碎巖土等方面。泥漿通常是由水、膨潤土及添加劑經攪拌而成的混合物，要求具有良好的穩定性和流變性，不同的地質條件對泥漿的使用有不同要求。

本工程穿越地層主要為粉砂、粉土夾粉砂，地層顆粒之間缺乏膠結，鉆進時孔壁容易坍塌，因此成孔難度大，針對砂土層主要特點，本工程泥漿配制方案如下：1）在鉆導向孔階段，泥漿主要作用是護壁、排屑，另外還要考慮泥漿在鉆頭噴嘴處的粘度，提高鉆進效率。本工程在泥漿中加入高分子聚合物，水解后可橋連更多的膨潤土小板分子，形成良好的泥漿骨架體系，迅速提升泥漿粘度，同時在高分子長鏈作用下，泥漿潤滑性能也得到提升，有效降低鉆具在砂土層中鉆進的扭矩。該階段泥漿粘度控制在40～50s，泥漿配方為水+5～7%膨潤土+適量潤滑劑。2）在擴孔階段，泥漿的主要作用是護壁和排屑，本工程通過使用高分散性泥漿、增加膨潤土含量、添加增粘劑、泥漿漏失控制劑等措施來提高泥漿粘度，抑制泥漿漏失，在孔壁上形成薄而韌的致密泥皮，從而增強泥漿攜沙能力及孔壁穩定性。該階段泥漿粘度控制在70～90s，泥漿配方為水+8～10%膨潤土+防塌劑+燒堿、火堿適量（1：1）。3）在回拖階段，本工程在泥漿中適當加入無毒害植物潤滑劑和添加劑，提高泥漿潤滑性和流變性，從而降低管道回拖力，有效降低施工風險。該階段泥漿粘度控制在70～90s，泥漿配方為水+7～10%膨潤土+護壁劑+潤滑劑。

施工現場用馬氏漏斗每2h對泥漿粘度測量一次，泥漿PH值控制在8～10之間，失水量宜控制在5ml/30min以下，比重控制在1.02～1.25g/cm3。鉆進泥漿應在專用的攪拌器中配置，并具有足夠的供應量。在施工過程中，要密切注意泥漿壓力變化情況，合理控制鉆機扭矩、推力等參數，及時根據穿越地層地質狀況的變化情況調整并控制好泥漿的壓力、排量等參數，防止壓力過大產生冒漿、漏漿等情況。

本工程利用泥漿固相控制技術（稀釋、沉淀和機械清除）對泥漿實施回收處理再利用，節約施工中泥漿的使用量，對無法回收利用的剩余泥漿統一采用罐車運到指定地點妥善處理。

4.5鉆導向孔

本工程導向孔施工鉆具連接方式為：XZ-3000鉆機→鉆桿→泥漿分流器→無磁鉆鋌→無磁短節→泥漿馬達→牙輪鉆頭；采用DX-01型有線導向系統和GPS鉆頭跟蹤測量儀來進行精確控向。在導向孔鉆進過程中，應對鉆桿的方位角、傾角等數據進行嚴格控制，造斜段每0.5m～3m應進行一次測量計算，水平直線段每3m～5m進行一次，如發現測量參數與設計軌跡有偏差，應及時進行糾偏鉆進，確保穿越曲線在合理的范圍內。導向過程中遇到突然的振動、卡鉆、扭矩變化等異常情況，應立即停鉆，查明原因，解決問題后方可繼續施工。

4.6擴孔、清孔、測孔、修孔

本工程擴孔鉆具連接方式為：XZ-3000鉆機→鉆桿→擠擴式擴孔器→鉆桿。針對本工程穿越管徑較大、穿越距離較長的特點，采用減小擴孔器級差，增加擴孔次數，加快預擴孔速度的措施，擴孔級差150mm，擴孔直徑φ400mm～φ1000mm。根據擴孔情況，每一次擴孔后都進行一次洗孔處理，以排除孔內多余渣土，使孔內壁進一步穩固，如發現有抱鉆桿情況，適當增加洗孔次數。擴孔完成后或在擴孔、洗孔過程中，在鉆桿之間安裝測孔器，隨時在孔洞內進行測量，如孔的參數（傾角、方位角）不滿足回拖管線角度要求，針對有問題部位進行修孔，保證回拖前孔的光滑。

4.7回拖管道

擴孔孔徑達到要求后應立即進行管線回拖，回拖前應檢查已焊接完成的管線，確保管線長度、焊縫等符合要求。本工程回拖時采用φ1150擴孔器→旋轉接頭→U形環→待鋪管線。管道回拖時，要嚴密監控孔內情況，對鉆機的速度和拉力進行嚴格控制，確保回拖的穩定性。管線回拖過程盡量一次性完成，若必須分段進行要做好鉆孔的維護措施，以避免由于時間的停待而造成地層的變化，發生塌孔或抱管事故?；赝线^程中，應盡可能降低卡管、鋪管擠壓變形以及泥漿滲出等情況發生的頻率，一旦發生應對其原因予以認真分析，及時采取相應措施解決問題。

5　結語

與開挖施工相比，水平定向鉆進拖拉管技術對施工設備、鉆具有較強依賴性，且導向孔鉆進、擴孔和管道回拖等過程存在不可預見性，具有較高的施工作業風險，因此需要加強技術指導，制定科學合理的設計及施工方案，并對施工每個環節的質量進行嚴格控制，出現失誤及時調整，才能保證工程的順利實施，從而為整個給水管道工程的施工質量提供保障。

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