水平定向鉆進技術探討

劉正頤

摘要：隨著水平定向鉆進技術的廣泛應用，施工地質條件的日益復雜，回托技術作用其施工中的重要環節，探討并研究其工藝具有重要的意義，通過詳細介紹水平定向鉆進的施工流程，重點分析了目前國內管道回托施工工藝中的兩種主要方法，通過多次施工經驗，對其施工過程中的模糊環節提出了自己的建議。

關鍵詞：水平定向鉆進;技術;應用

1. 引言

非開挖水平定向鉆進鋪設地下管線綜合了傳統的道路鉆孔、地質鉆探及油氣井定向鉆進技術。該技術始于二十世紀七十年代，現普遍用于穿越河流、街道、高速公路、鐵路等建筑物擁擠的地方，來進行石油、天然氣、雨、污水及其它流體管線等鋪設。與其它施工方法相比有環境影響小、對原有構造物無破壞、管線埋深大、保護作用大、維修費用小、節約工期等特點。

2. 工程概況

本段開挖定向鉆進工程屬于井岡山大道二期工程過境污水管跨越迎賓大道段，跨越長度約為100米。過境污水管為DN700聚乙烯PE管，埋深約為4.8米。

3. 水平定向鉆進施工工藝

3.1工藝原理

該施工方法是根據預先設計好的鋪管線路，將裝有鉆頭的鉆桿從地面鉆入，地面儀器接收由地下鉆頭內傳送器發出的信息，控制鉆頭按照預定的方向到達目的地;然后卸下鉆頭逐級換裝回程擴孔器，使之能夠在拉回鉆桿的同時將鉆孔擴大至所需直徑，最后將需要鋪裝的管線返程牽回鉆孔入口處完成管道鋪設。

3.2 施工工藝流程如下：

施工準備——測量放線——設計穿越路線——設備就位——導向鉆孔——擴孔（泥漿護壁）——管材連接——管道牽引穿越——試壓——土方回填。

3.3 操作要點

3.3.1 施工準備

了解管道穿越范圍內的地質條件、現有地下管線的走向及埋深、地下水等情況，做好施工技術交底。

3.3.2 測量放線

施工前沿地面上壓力管的中心線每10米設置一樁，并沿樁中心線撒好白灰，測出樁高程，算好樁高程與設計壓力管中心線的高差。

3.3.3 工作平臺設置

本工程在樁號6+940處開挖鉆進施工接收坑，鉆機置于K6+830位置的地面上。且將K6+940-K6+840段調成直線。接收坑開挖尺寸為5m寬×12m長、工作坑深度根據壓力管中心線高程確定，深度約為3.5m。為保證工作坑內干燥和擴孔施工，在接收坑北側設（4m寬×1.5m長×1.5m深）泥漿沉淀池，并隨時將多余泥漿抽出坑外。接收坑按1： 0.5放坡，不需要采用支護。

3.3.4 設備就位

采用華力重工HL532B鉆機，美國月蝕非開挖導向儀，鉆桿長度為3m/根，直徑為73mm。

該鉆機為地表始鉆式鉆機，直接置于原地面上。配置好鉆液，鉆液由水、膨潤土、聚合物組成。具有攜帶鉆屑、冷卻鉆頭、噴射鉆進等功能，鉆液根據地質條件，使用要求做調整。鉆液的固相含量需控制在30%以下。

3.3.5 導向鉆孔

導向鉆頭在鉆機的推力作用下以8-12o的入土角鉆入土中，導向鉆孔是水平定向穿越的最重要階段，決定了鋪設管線的最終位置。在每一根鉆桿鉆進后，導向師均要測量其位置，對有地下管線、關鍵出口點或調整鉆孔軌跡時，均要增加測量點。導向師將測量的數據與設計軌跡相比較，以確定下一階段鉆進的方向。如果誤差較大，可能要拉回鉆桿，重新糾偏。

完成導向鉆孔后，采取分級擴孔的方式將鉆孔擴至需要的直徑。同時將鉆液泵入鉆孔中，保證孔洞完整和不塌方，并將切削下的土屑帶回到地面，為回拖管道創造適宜的環境。

3.3.6 擴孔、泥漿護壁

根據現場地質情況，采用筒形擴孔器。終孔尺寸為鋪設管徑的1.2～1.5倍，由于本工程中牽引管線水平且長度不是很長，取1.2的系數，即84M，分6次擴至終孔。

本段壓力管道其上1m的位置有砼污水管道，所以孔內泥漿很重要，孔中沒有泥漿會造成塌孔等事故，同時終孔完成后及早完成回拖管道。

3.3.7 管材連接

PE管的連接采用熱熔連接。本工程中使用的熱熔對接焊接機為SHD-800，產地為無錫。管道接口質量的好壞直接影響到回拖管施工的成敗，因此要按相關要求檢查管道每個接口，確保接口質量滿足要求。

3.3.8 管道牽引穿越

擴孔結束后方可進行管道牽引施工。回拖前必須進行管材復檢，包括管材焊接是否符合要求、管頭固定結實、單動接頭連接完好等。鉆桿使用一個拉鉤和單動接頭與PE管相連。單動接頭防止管道回轉，回拖過程中，技術人員應仔細觀察機器儀表的變化，主要觀察扭矩和回拖力變化，回拖力不能太大，以防損傷管材，并控制好速度。必要時可向孔內泵入潤滑液減少阻力。在地質條件不是很好的地方，為了避免地面沉降，可采取注漿加固。

管道回拖力按如下公式計算：

Pt = Py +Pf;Py =πDk 2Ra /4;Pf = πDLf;

式中：Pt――回拖力（kN）; Py――擴孔鉆頭迎面阻力（kN）;

Pf――管周摩阻力（kN）; Dk――擴孔鉆頭外徑（m），一般為管道外徑1.2～1.5倍;

D――管道外徑（m）; Ra――迎面土擠壓力（KPa）;粘性土Ra在50～60KPa; 砂性土在80～100KPa;本例取60KPa。L――管道長度（m）;

f――管道與管周土體間的單位摩擦力（KPa）。粘性土f在0.3～0.4KPa;砂性土在0.5～0.7KPa;本例取0.4KPa。

根據以上公式計算出的回拖力為121.15KN。

3.3.9 管道試壓及土方回填 按設計及有關規范要求進行管道壓力試驗，管道試壓，應在溝槽回填至管頂以上0.5m并至少48h后才能進行。

回填土應在試壓合格、和竣工測量后進行。回填土應選用細土、好土進行回填，不得含礫石、垃圾，回填應兩側分層對稱回填，并按照要求保證壓實度。

4. 施工中的注意事項

4.1 材料的選擇

由于其特殊工藝和回拖力要求對管材質量要求較高。要求管材承壓能力強、連接強度好、柔韌性好，并有一定的撓曲度、使用壽命長等特點。

4.2 施工前的地勘工作

地層勘探主要了解有關地層、地下水的情況，為選擇鉆進方法和配制鉆液提供依據。同時應查明原有地下管線及其它構造物，合理設計導向孔軌跡，確保鉆進施工的成功和安全。

4.3關于塌孔

塌孔一般發生在預擴孔過程中，因此，預擴孔時首先要選擇合適的回擴器，應從小直徑擴孔器開始逐級增加到所需直徑的擴孔器（終孔為管材外徑的1.2-1.5倍），在滿足回拖管要求的前提下，應盡量取下限值。并在每級擴孔時選擇適宜的泥漿配比，保持泥漿的流變性。最后，就是盡可能的縮短施工周期。

5. 結束語

由于其特殊的施工工藝，導向孔內有泥漿，回拖管結束后管道將懸浮于孔內，軸線將產生較大的偏差。對于縱橫向位置精度要求高的管線不適用。

其次，其檢測方法有陀螺儀、測壓計及管線定位儀等，但是均有其局限性，在測量過程中要確保結果的可靠性。

再次，預擴孔的成敗，決定了回拖管的成敗，所以施工時應控制預擴孔的偏移和波浪彎。選擇合理的鉆具和鉆具組合能有效減弱偏移或波浪彎。

盡管非開挖水平定向鉆進技術有一些不完善的地方，但是由于其施工對周圍環境干擾少，施工距離長，速度快等特點，仍具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1]給水排水管道工程施工及驗收規范（GB50268-2008） 中國建筑工業出版社

[2]水平定向鉆進管線鋪設工程技術規范（試行） 中國非開挖技術協會 2001

（作者單位：河南省煤田地質局二隊）