水平定向鉆穿越技術(shù)在長輸管道施工中的應(yīng)用

王建

摘要：非開挖穿越管道技術(shù)是指在地面不開挖溝槽的情況下鋪設(shè)、修復(fù)和更換地下管道的施工技術(shù)。與傳統(tǒng)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(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，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(huán)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(shù)做簡要概述。

關(guān)鍵詞：非開挖 水平定向鉆 導(dǎo)向孔 擴(kuò)孔 回托鋪管

1、水平定向鉆的特點(diǎn)

水平定向鉆穿越技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為：對地表的干擾較?。皇┕に俣瓤?；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(zhì)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(shù)是一項(xiàng)由多學(xué)科、多技術(shù)、不同設(shè)備集成運(yùn)用于一體的系統(tǒng)工程，在施工過程中任何一個環(huán)節(jié)出問題，都可能導(dǎo)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(jìn)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(dāng)鉆桿不停地回轉(zhuǎn)時則鉆出一個直孔，而當(dāng)鉆頭朝著某個方向給進(jìn)而不回轉(zhuǎn)時，鉆孔發(fā)生偏移。導(dǎo)向鉆頭內(nèi)帶有一個探頭或發(fā)射器，探頭也可以固定在鉆頭后面。當(dāng)鉆孔向前推進(jìn)時，發(fā)射器發(fā)射出來的信號被地表接受其所接受和追蹤，因此可以監(jiān)視方向、深度和其他參數(shù)。一般施工分三步進(jìn)行：首先鉆進(jìn)導(dǎo)向孔，然后擴(kuò)孔，最后回拉鋪管的施工技術(shù)工藝。導(dǎo)向鉆進(jìn)施工示意圖如圖。

3、施工設(shè)備

鉆機(jī)、鉆桿、導(dǎo)向系統(tǒng)、附助設(shè)備（拉頭、單動接頭、安全接頭、管道支護(hù)滾筒和電纜牽引器、管道頂推裝置輔助拉管）、鉆進(jìn)液/泥漿

4、施工場地及布置

4.1施工場地

水平定向鉆進(jìn)穿越工程需要兩個分離的工作場地：設(shè)備場地（鉆機(jī)的工作區(qū)）和管線場地（與設(shè)備場地相對的鉆孔出土點(diǎn)工作區(qū)）。

（1）設(shè)備場地

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

（2）管線場地

應(yīng)提供足夠長的工作空間便于欲鋪設(shè)管子的連接。穿越工程的設(shè)計(jì)，應(yīng)盡量設(shè)法將欲鋪設(shè)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(fēng)險(xiǎn)。

施工場地還應(yīng)考慮可能干擾鉆架或起重機(jī)操作的空中設(shè)施，以及可能影響設(shè)計(jì)軌跡線和鉆機(jī)布置的地下設(shè)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(jìn)、出口坑和泥漿循環(huán)池。盡管水平定向穿越對公共設(shè)施的破壞最小，但必須告知財(cái)產(chǎn)所有者或管理機(jī)關(guān)，這些坑是定向穿越施工的必要組成部分。

4.2工作坑

進(jìn)、出口工作坑是非常重要的，進(jìn)、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(gòu)筑物的探坑；

（2） 用作泥漿循環(huán)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(nèi)始鉆式鉆機(jī)的設(shè)備安放位置。

4.3泥漿循環(huán)池

泥漿循環(huán)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(shè)備或裝置。泥漿循環(huán)池的大小根據(jù)泥漿返回量的多少確定，一般至少應(yīng)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(jìn)液

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

鉆進(jìn)泥漿經(jīng)泥漿泵泵入鉆桿，從鉆頭噴射出來，在經(jīng)鉆桿與孔壁的環(huán)狀間隙還回地面。鉆進(jìn)液是一種由清水+優(yōu)質(zhì)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(jìn)過程中，監(jiān)控和維持粘度、比重、固相含量等技術(shù)參數(shù)是極為重要的。當(dāng)孔內(nèi)情況有所改變時，可以按需要調(diào)整這些參數(shù)。

鉆進(jìn)液應(yīng)在專用的攪拌池中配制。從鉆孔中返回的泥漿需經(jīng)泥漿沉淀池或泥漿凈化設(shè)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(jìn)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(huán)保施工技術(shù)，對非開挖水平定向鉆進(jìn)的鉆進(jìn)液進(jìn)行適當(dāng)處理可避免在地表不能存放鉆進(jìn)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(yù)先設(shè)計(jì)好泥漿處理技術(shù)可降低實(shí)際處理成本。

6、鉆進(jìn)過程

鉆進(jìn)過程分三步：導(dǎo)向孔、擴(kuò)孔、回托鋪管。

6.1導(dǎo)向孔

進(jìn)導(dǎo)向孔是水平定向穿越施工的最重要階段，它決定鋪設(shè)的管線的最終位置。導(dǎo)向孔鉆進(jìn)采用小直徑全面鉆頭，進(jìn)行全孔底破碎鉆進(jìn)。在鉆頭底唇面上或鉆具上，安裝有專門的控制鉆進(jìn)方向的機(jī)構(gòu)。在鉆具內(nèi)或在緊接其后部位，安裝有測量探頭。鉆進(jìn)過程中，探頭連續(xù)或間隔地測量鉆孔位置參數(shù)，并通過無線或有線的方式實(shí)時地將測量數(shù)據(jù)發(fā)送到地表接收器。操作者根據(jù)這些數(shù)據(jù)及其處理這些數(shù)據(jù)得到的圖表，采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施調(diào)整孔內(nèi)控制鉆進(jìn)方向的機(jī)構(gòu)，從而人工控制鉆孔的軌跡，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對有地下管線、關(guān)鍵的出口點(diǎn)或調(diào)整鉆孔軌跡時，應(yīng)增加測量點(diǎn)。將測量數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行比較，確定下一段要鉆進(jìn)的方向。鉆頭在出口處露出地面，測量實(shí)際出口是否在誤差范圍之內(nèi)。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(jìn)鉆孔的偏斜部分。當(dāng)出口位置滿足要求時，取下鉆頭和相關(guān)鉆具，開始擴(kuò)孔和回拉。

6.2擴(kuò)孔

導(dǎo)向孔完成后，必須將鉆孔擴(kuò)大至適合成品管鋪設(shè)的直徑。在鉆機(jī)對面的出口坑將擴(kuò)孔器連接于鉆桿上，再回拉進(jìn)行回?cái)U(kuò)，在其后不斷地加接鉆桿。不同地層應(yīng)采用不同的擴(kuò)孔器。刮刀擴(kuò)孔器用于軟土層；筒形擴(kuò)孔器用于混合土；鑲嵌硬質(zhì)合金塊的牙輪擴(kuò)孔器用于巖石層。擴(kuò)孔器的類型和地層條件直接影響擴(kuò)孔速度。采用與地層相匹配的擴(kuò)孔器和適當(dāng)?shù)你@進(jìn)液流量是擴(kuò)孔施工的關(guān)鍵，可節(jié)約資金和時間。同徑鋪設(shè)時，導(dǎo)向孔完成之后，可直接回拖鋪管。但是，大多數(shù)導(dǎo)向孔需要擴(kuò)孔，將孔徑擴(kuò)至能鋪設(shè)管道。終孔孔徑一般應(yīng)為管線外徑的1.2～1.5倍。地層情況復(fù)雜時，擴(kuò)孔直徑越大越好；但是，孔徑越大，維持孔壁穩(wěn)定越困難。應(yīng)考慮鉆進(jìn)液和鉆屑返回的環(huán)空間隙和鋪設(shè)管線的彎曲半徑。根據(jù)要求的終孔直徑和土層條件，擴(kuò)孔可一次或多次完成。

6.3回拖鋪管

擴(kuò)孔完成后，即可拉入需鋪設(shè)的成品管。管子預(yù)先全部連接妥當(dāng)，以利于一次拉入。當(dāng)?shù)貙忧闆r復(fù)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(yīng)將擴(kuò)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(kuò)孔器一起回轉(zhuǎn)，保證管線能夠平滑地回拖成功。準(zhǔn)備回拉的管線應(yīng)在出口一側(cè)連接并進(jìn)行檢測。如果鋪設(shè)的是鋼管，推薦將鋼管放在滾筒上以減少摩擦力，保護(hù)管線的涂層。對于高強(qiáng)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(shè)管連接，單動接頭用于防止管線回轉(zhuǎn)，并擰壞管線。也可將擴(kuò)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(nèi)泵入潤滑液。

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

7、結(jié)論

隨著國家天然氣管道工程的進(jìn)一步開展，以及城市用戶的不斷開發(fā)，水平定向鉆作為一項(xiàng)高效安全的新技術(shù)將會得到越來越廣的應(yīng)用。性能優(yōu)良的設(shè)備、合理的施工工藝、科學(xué)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(fēng)險(xiǎn)性，因此必須不斷的補(bǔ)充、完善、掌握好這項(xiàng)新技術(shù)。

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