淺析水平定向鉆技術(shù)在城市管網(wǎng)施工中的應(yīng)用及方法

尚艷偉

摘要：水平定向鉆技術(shù)突出的優(yōu)點(diǎn)和日益成熟的技術(shù)，其應(yīng)用范圍不斷拓寬，如今不僅應(yīng)用在非開挖管線鋪設(shè)領(lǐng)域，而且可用于地礦、冶金、石油等領(lǐng)域，用來實(shí)現(xiàn)地下的地質(zhì)勘探及資源開采及其他一些特殊的地下空間場(chǎng)合。目前國(guó)內(nèi)水平定向鉆技術(shù)的研究也已達(dá)到一定的程度，不但可以研制出國(guó)產(chǎn)中小型鉆機(jī)，而且正在不斷的拓寬該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)在已不僅僅把水平定向鉆技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜條件下管線的鋪設(shè)，而且還可以應(yīng)用到地下危險(xiǎn)區(qū)域的勘探、信息采集等方面的工作，如穿越繁忙高速公路或河流的軍用光纜的鋪設(shè)，地下核試驗(yàn)后坑道區(qū)域的土壤數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。

關(guān)鍵詞：水平定向鉆技術(shù)；城市管網(wǎng)施工；應(yīng)用

穿越技術(shù)作為非開挖施工技術(shù)的一個(gè)分支，應(yīng)用于油氣管道施工的歷史雖然不長(zhǎng)，但在廣大科研人員和工程技術(shù)人員堅(jiān)持不懈的努力下，自20世紀(jì)70年代引入我國(guó)以來己經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，在穿越河流、湖泊、高等級(jí)公路、鐵路、建筑物等地面障礙物的施工中正得到越來越廣泛的應(yīng)用，并且取得了驚人的成就。

1、水平定向鉆技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

水平定向鉆進(jìn)鋪管技術(shù)是一種現(xiàn)代非開挖施工技術(shù)，其基本原理為：按預(yù)先設(shè)定的地下鋪管軌跡鉆一個(gè)小口徑導(dǎo)向孔，隨后在導(dǎo)向孔出口端的鉆桿頭部，安裝擴(kuò)孔器回拖擴(kuò)孔。當(dāng)擴(kuò)孔達(dá)到尺寸要求后，在擴(kuò)孔器的后端連接旋轉(zhuǎn)接頭、拉管頭和管道，回拖鋪設(shè)地下管道。

水平定向鉆進(jìn)鋪管的施工順序?yàn)椋旱刭|(zhì)勘探及地下管道探測(cè)、規(guī)劃和設(shè)計(jì)鉆孔軌跡、配制鉆液、鉆先導(dǎo)孔、回拉擴(kuò)孔、回拉鋪管。

在各施工順序中，導(dǎo)向孔軌跡設(shè)計(jì)是否合理對(duì)管道施工能否成功至關(guān)重要。鉆孔軌跡的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)工程要求、地層條件、地形特征、地下障礙物的具體位置、鉆桿的入、出土角度、鉆桿允許的曲率半徑、鉆頭的變向能力、導(dǎo)向監(jiān)控能力和被鋪設(shè)管道的性能等，給出最佳鉆孔路線。

不論是盾構(gòu)或是頂管施工，對(duì)高壓燃?xì)夤艿朗┕ざ越源嬖谑┕ぶ芷陂L(zhǎng)、施工投入大、施工風(fēng)險(xiǎn)高等缺點(diǎn)，而水平定向鉆施工恰恰能夠避免以上問題。

1.1、水平定向鉆穿越技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（1）、適應(yīng)性強(qiáng)。采用定向鉆穿越技術(shù)穿越河流對(duì)不同的水文地質(zhì)條件較適應(yīng)，不必考慮水流速度和深度，也不會(huì)受到汛期影響；

（2）、鋪管精度高。穿越一般入土點(diǎn)誤差為零，出土點(diǎn)的誤差縱向可以控制在1%，橫向可以控制在5‰的范圍內(nèi)；

（3）、能確保埋深。在河床沖刷嚴(yán)重，有下切傾向，或水流湍急，截流或圍堰存在困難的情況下，技術(shù)可以確保管道埋設(shè)在穩(wěn)定層以下；

（4）、環(huán)境影響小。定向鉆穿越大部分工作都是在地面以下完成，對(duì)地面的干擾很小。

1.2、水平定向鉆穿越技術(shù)的缺點(diǎn)及難點(diǎn)

穿越施工目前存在的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在如下幾方面：

（1）、在碎石土類地層和硬巖地層中施工非常困難；

（2）、風(fēng)險(xiǎn)比較大；

（3）、穿越設(shè)備比較昂貴；

（4）、場(chǎng)地和地質(zhì)條件會(huì)帶來一定的局限性；

（5）、泥漿的處理需要認(rèn)真考慮。

穿越施工與傳統(tǒng)的開挖及其它非開挖施工相比，也存在一些突出的難點(diǎn)問題，主要表現(xiàn)在：

（1）、不同的工程面對(duì)著不同的水文地質(zhì)條件，同一個(gè)穿越工程要經(jīng)過多個(gè)地質(zhì)層面。要成功地進(jìn)行一次穿越，必須在深入了解這些地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上充分適應(yīng)它的變化；

（2）、目前還沒有一種可行的施工方案能夠適用于多個(gè)穿越工程的施工；

（3）、到目前為止，這個(gè)行業(yè)內(nèi)還沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的、得到普遍認(rèn)同的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；

（4）、穿越技術(shù)在復(fù)雜地層的穿越還存在很大的困難。在不均勻地層和流沙類地層中穿越的風(fēng)險(xiǎn)也較大；在碎石類、硬巖類地層中穿越成功的范例較少。

2、水平定向鉆技術(shù)在城市管網(wǎng)施工的應(yīng)用及方法

2.1、水平定向鉆預(yù)制管道防腐層的改進(jìn)

水平定向鉆穿越是長(zhǎng)輸管道工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其所占投資的比重相對(duì)較大，而且它還具有不可修復(fù)性的特點(diǎn)；定向鉆穿越的管道較深，穿越管道及其防腐層長(zhǎng)年浸泡在地下水里，對(duì)熱收縮帶抗水汽隔絕性能、陰極保護(hù)、耐腐蝕、抗老化等都提出了很高的要求。另外，定向鉆穿越在管線回拖過程中不可預(yù)見性因素很多，對(duì)鋼管、主防腐層及補(bǔ)口帶的耐磨擦、抗沖擊、抗剪切等指標(biāo)的要求都很高。尤其對(duì)于補(bǔ)口帶來說，因其要搭接在主防腐上，比主防腐層要高出一塊，而且補(bǔ)口帶必須在現(xiàn)場(chǎng)施工，因此對(duì)它的性能指標(biāo)要求更甚。鑒于以上特點(diǎn)，美國(guó)瑞侃公司在其常規(guī)補(bǔ)口用熱收縮帶的基礎(chǔ)上，研制出了專門用于定向鉆穿越的補(bǔ)口專用熱收縮帶，并在全世界得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2、瑞侃定向鉆穿越補(bǔ)口帶的主要特點(diǎn)

瑞侃公司定向鉆穿越補(bǔ)口帶除具有瑞侃常規(guī)熱收縮帶的優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下特點(diǎn)：

（1）、基材是加強(qiáng)纖維和高密度聚乙稀，具有高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命（保證50年以上）、強(qiáng)耐磨和極低的透水性；

（2）、內(nèi)層的熱熔膠較瑞侃普通熱收縮帶的熱熔膠來說，更具有抗老化性和抗剪切能力。

（3）、具有出色的水汽隔絕性能。

（4）、具有極強(qiáng)的耐水浸泡性能。

（5）、基材和熱熔膠具有極強(qiáng)的抗低溫和耐高溫性能。

（6）、具有抗高剪切力和抗剝離能力，能經(jīng)得起定向鉆穿越時(shí)從土壤中產(chǎn)生的高剪切力和高碾磨。

（7）、自身即具有完全陰極保護(hù)和抗陰極傳電剝離的能力。

（8）、安裝非常簡(jiǎn)單方便，安裝后對(duì)質(zhì)量的判斷方法亦簡(jiǎn)單。

本工程采用進(jìn)口定向穿越專用補(bǔ)口帶，防腐層得以較好的保留，高壓管道得到了完好的保護(hù)。

2.3、回拖管增加膨潤(rùn)土墊層

由于定向鉆預(yù)制管道擺放在現(xiàn)狀自然地面，該處現(xiàn)狀起伏較大，若按照原地面回拖，防腐層必將受到影響，因此，在回拖前在每隔10米堆置袋裝膨潤(rùn)土做墊層，既保護(hù)管道防腐層，又能減少回拖時(shí)的摩擦阻力。

2.4、增加輔助機(jī)具保證回拖順利

雖然本次定向鉆鉆機(jī)選型已趨于保守，并且回拖前最終擴(kuò)孔直徑eD =1067 mm，但為保證定向鉆回拖一次成功，本次回拖增加了5臺(tái)25T規(guī)格吊車，每臺(tái)吊車相隔約80～100m，管道回拖時(shí)，吊車將管道吊起，隨著回拖轉(zhuǎn)桿勻速將管道送進(jìn)孔內(nèi)，最大限度的減少管道在孔中的摩擦力，并加快了回拖速度。

結(jié)論

定向鉆進(jìn)技術(shù)未來的研究熱點(diǎn)主要會(huì)集中在如下幾方面：

（1）、導(dǎo)向測(cè)試與控制技術(shù)；

（2）、鉆機(jī)和鉆具的研制；

（3）、成孔液的研發(fā)、設(shè)計(jì)和調(diào)配；

（4）、科學(xué)理論分析和計(jì)算及相關(guān)的力學(xué)數(shù)理模型、量化計(jì)算公式以及軟件程序的研究開發(fā)。

在采用水平定向鉆穿越施工中，最大回拖力是各種因素（包括地質(zhì)條件、穿越曲線、擴(kuò)孔工藝、泥漿性能、管道規(guī)格、發(fā)送方法等）共同作用的結(jié)果。采用三種計(jì)算方法對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行回拖力計(jì)算，分析影響回拖力計(jì)算的因素及實(shí)際回拖力選取考慮因素，對(duì)工程施工具有一定的指導(dǎo)意義。根據(jù)理論分析和實(shí)例應(yīng)用，當(dāng)根據(jù)回拖力計(jì)算值選擇鉆機(jī)時(shí)，建議選擇三種計(jì)算方法中最大值的1.5 倍作為鉆機(jī)實(shí)際回拖力。

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