浅谈水平定向钻在给水管道工程中的应用

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摘要：目前，随着城市化建设的不断发展，人们对城市的交通和环境的要求也越来越高。在城市繁忙的交通路段，开挖敷设地下供水管道势必会影响环境与城市交通，特别是横穿城市主干道的地下管道。管道水平定向钻进施工在管道穿越公路、铁路、建筑物、河流、湖泊、古迹保护区、闹市区、农作物及植被保护区施工时可以带来显著的社会效益、经济效益。采用水平定向钻进技术是一种比较理想的施工工艺，也是地下管线施工中穿越障碍时常用的一种施工技术。采取水平定向钻进施工方法不仅会产生良好的经济效益，而且产生良好的社会效益。但作为一门新兴技术，在具体实施过程中仍有许多要点值得探讨。

关键词：水平定向钻；给水管道；应用

中图分类号：TL372文献标识码： A

一、水平定向钻施工技术的优势

水平定向钻作为一种新型的施工措施，其在施工中突出的优势有以下几个方面：其施工过程不会对交通、植被等产生影响，因为水平定向钻的实施不需要对地表进行挖掘；工艺的设备精度较高，操控性好可以调整方向与埋深，管线的弧形铺设距离增加，可全面适应特殊的设计需求，同时可以避开障碍物；使用与穿越工程，如河流等特殊地形；在施工中如果遇到水上作业其不会分为水下和水上作业面，不会影响正常的通航，也不会对两岸的防护设施和河床产生损坏，且不受季节影响，施工周期短，人员和设备的用量较少，且安全可靠性高；在实践中与其他施工措施相比较，水平定向钻工艺进场速度快，施工场地较为灵活，可以根据实际情况进行设备调整，尤其是在市政工程中因为干扰小且场地要求不高，优势更加的明显，同时也降低了相对费用，且施工速度快；是一种全天候的施工技术，不受环境和气候的影响，最大限度上满足工期需求。

二、水平定向钻进技术施工工艺

1、前期技术准备：在施工前应了解施工地段的地质情况，其他设施的地下预埋情况；结合设计要求细致规划钻进的轨迹，作出多个方案进行选择，确定论证后确定最终方案；

2、导向钻进的实施：定向钻头在钻机的推动下，进行水平推进，在钻机的驱动下对地层进行切削，按照设计的轨迹进行推进，完成整个导向孔的成孔；

3、逐级扩孔施工：完成导向孔的施工后，应按照管线的设计直径进行逐级扩孔，此时应注意分级进行，直至达到设计标准。同时将钻液泵深入钻孔中保利用泥浆护壁并带出土屑保证拉管的顺利通常；

4、拉管施工：完成孔口后需要立即进行管道的铺设，将管材与回拉头、扩孔头、钻杆连接等利用钻机进行拉管使之进入到钻孔中，完成阶段性铺设。

三、水平定向钻进技术在给水管道施工中需要注意的问题

(一)管线轨迹的设计必须合理

施工中导向孔的轨迹是十分重要的设计项目，是钻进中成孔的最佳轨迹。在设计中必须按照工作坑的情况，参考设计管道的水平坡度、标高等设计其轨迹。在设计中应避开已有的地下管线以及不利的水位地层，同时参考管材、钻机等基本性能来综合设计钻进轨迹。同时给水管道施工时应考虑入土点和出土点的斜度要求，并严格的控制各个点的标高，这样才能满足排水工程需求。

(二)导向孔的施工要点

设计好穿越路线方案后即可开始导向钻孔施工了，导向施工是以导向员手持导向仪器从地面接收地下钻头发出的信号后引导指挥钻机手操控钻孔方向从而实现先导孔穿越的工艺。将装好电池的信号探测棒装入导向钻头内，导向钻头在前，后面连接钻杆，钻机顶力通过钻杆传至导向钻头向前推进，导向钻头内的探测棒是一种信号发射器，通过地面手持导向仪可以接收到来自探测棒的信号显示出钻头的位置、深度、倾斜角、温度、电池状态等信息，导向操作员根据这些参数即可判断控制钻头的行进方向实现导向钻孔作业。同时，短距离跨道施工应注意钻杆的使用寿命，应使用合格的锌基螺纹脂，涂耐磨、耐高温、耐腐蚀、性能好的丝扣油，不可用普通黄油当丝扣油使用，钻杆使用期限则跟操机手技术水平，钻杆使用频率，地层土质密切相关，切不可为控制施工长度以超出钻杆弯曲率进行施工。钻导向孔时，应注意很多事项，特别是一些细节问题，如果稍微忽视便会造成严重的后果，比如落钻角25%≈15°以此角度落钻时钻机需与工作坑保持2-3米左右距离，角度过大或距离太远会造成钻杆弯曲变形以及钻机顶进力不足。这是因为：1)路面下1米内路基压实度高,扩孔时钻头容易卡死且为地埋管线密集区（深度多为0.7~1米）危险性极大；2)牵引管施工时的扩孔钻头最大孔径比管径大10~20CM以上，且扩孔钻头对周围地层稳定破坏性极大，为确保不发生路面沉陷及地层松驰，牵引管深度宜≥2米，对于短距离施工深度，越深则无法控制施工长度；过浅则事故率越高（破坏路面、危及地埋管线、钻头卡死、地面冒浆路面松驰等）。同时，短距离跨道施工应注意钻杆的使用寿命，切不可为控制施工长度以超出钻杆弯曲率进行施工。

(三)扩孔

在施工过程中除了钻孔，往往还需要扩孔工艺。扩孔与钻孔从施工方式、工艺目的和注意事项等方面都有着截然不同的地方。虽然扩孔是钻孔的后续工艺，但是却有着至关重要的作用，扩孔施工是为了保障待铺设管道能顺利的穿越地层而将先导孔扩大至比管径更大的尺寸。导向施工完成后，扩孔是非常关键而且工作量最大的一道工序，此过程花费时间越短，孔道坍塌率越小，铺管效率越高，经济效益越好。扩孔的主要目的是混合钻屑和泥浆，以制成泥浆来排出孔外，使回拖的管道有进入的空间。另外，扩孔过程对导向孔还有具有一定的修正作用，能修正导向过程中的弯曲路线成直线。根据土质条件选择适应的扩孔钻头直接关系到扩孔效率及护壁效果，选择不当，轻则影响施工效率，重则造成钻杆折断、塌孔等事故。扩孔施工关键要根据实际选择高效的扩孔钻头；盐城市等沿海地区地质条件宜选用双向锤形扩孔钻头。

(四)定向钻进中管材的选择

因为定向钻孔的过程中有拉管的过程，所以在施工中管材物理性性能必须保证施工需求，其具体要求如下：要求其质量密度在0.94-0.96g/cm³；短期弹性模量控制在800MPa以上；而抗拉强度也是其重要的指标要求大于20MPa以上；抗拉强度的设计值也应大于16MPa；同时弯曲强度也应大于8KN/m²；管材在质量上应经过严格的检查，保证其外观平滑颜色一致，内部光滑没有划伤；在使用过程中应进行尺寸检测保证复核设计要求；在管材长度方向上不能有明显的弯曲，且标注有统一的标示。

(五)拉管施工的要点

完成扩孔施工后，应立即进行拉管施工，在实施拉管前必须对管材进行全面检查，保证其质量，如管材的焊接是否满足强度需求；管头的固定是否牢固；分动器连接是否完好，检查完成后做好记录才能进行施工。拉管的时候必须有技术人员监督仪表参数改变，主要是控制扭矩与拉力的改变，通常情况下扭矩的控制在5-8MPa之间，根据工程需求进行调试；拉力不能过大否则将会对管材产生负面影响，同时应控制拉管的速度，控制匀速进行；还应注意返浆的情况，保证拉管的顺利实施。

(六)泥浆

钻液混合搅拌与泵送系统是钻机施工系统的重要组成部分。混合搅拌系统是将水、膨润土、聚合物等按一定比例加入混合仓，而后进行充分搅拌形成钻液。泵送系统是由钻液泵将钻液通过中空钻杆输送至孔底钻头，并与孔中钻屑混合形成泥浆在孔底流动。泥浆是定向穿越中的关键因素，被视定向钻的“血液”，其主要作用是携带和悬浮钻屑并排到地表、稳定孔壁和降低钻进时所需的扭矩和推拉力、冷却和冲洗孔底钻具。泥浆的主要工艺性能是流变性和失水造浆性，现场控制的主要因素是泥浆的粘度、各种添加剂的配制以及泥浆的压力和流量。

(1)泥浆性能的控制和调整

泥浆添加剂：为保证泥浆具有良好的流变性、高携砂性、固壁和性能、在配出基浆的基础上，再按基浆重量的2～4‰比例加入的各种泥浆添加剂，使用的泥浆添加剂有：增粘剂、固壁剂和剂等。粘度控制：根据穿越段地层情况，在钻导向孔阶段，泥浆粘度控制在35～45S；在预扩孔和回拖阶段泥浆粘度提高5～10S；实际工作中，泥浆的粘度随土层的不同而变化，并选用不同的添加剂。

(2)泥浆用量

定向穿越泥浆压力和流量是控制原则是高流量、低压力，通过调整高压泥浆泵的档位和转速、泥浆喷嘴的直径和数量、控制钻进和回拉速度等。

四、定向水平钻进在排水管道施工中应用的注意事项

1、在施工中如遇到交通拥挤或者建筑物较多的地段，应做好对施工坑口的防护工作，一方面这样可以保证施工坑口的安全，防止出现车辆干扰，一方面也是为了降低对周围居民与交通的干扰，使之影响降至最低。同时也方便了对管道铺设后的安全性检查。

2、铺设中应先铺设支线管道，并保证主管道在下支管道在上。主干管道和支线管道都利用水平定向开挖的技术，应先对支线管道进行开挖，这样可以降低水漏失的数量，也可方便后期对检查井的施工。

3、检查井的设置。非开挖的水平定向钻进技术因为其优势可以替代传统的大范围的管道施工，所以在长距离的排水工程中其工期短干扰小的优势被最大程度的体现，这就使得其在排水工程中的应用逐步推广，但是一次性铺设管道的距离长也会影响检查井的设置，这是一个关系到日后维护的重要问题，在施工中也引起了重视。在应用中有两种做法，一种是铺设好管道后进行天窗作业完成检查井的施工，开挖到达深度后即可检查主管道铺设的情况；一种是先进行检查井的施工，在规划线路上选择位置设置混凝土井，然后进行定向钻进，实施管道铺设。这两种方式在实际的应用中差异不大，可以根据施工的地质差异而进行灵活选择，如在地下水位较高的地方，检查井深较大，此时可以先开挖然后将预制的检查井沉入其中，这样可以防止工作井坍塌，减少后期维护的成本。所以两者方式需要进行合理的选择，才能保证工程质量。

结语

水平定向钻技术以工程造价低、施工工期短、施工场地灵活、工程影响范围小等优点被广泛用于给排水管道、煤气、天燃气、电力等管网等领域，在未来的城市地下管线工程中，定向钻技术的运用将越来越多。

参考文献

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