定向钻进技术在管路敷设中的研究与应用

定向钻进技术在管路敷设中的研究与应用

罗冲冲

中煤大屯建筑安装工程公司江苏徐州221600

摘要：水平定向钻进施工技术是指在不开挖地表的情况下，钻头和钻杆在导航仪的引导下，穿越地层先形成一个先导孔，随后在钻杆柱端部换接大直径的扩孔钻头，待扩孔工序施工完成后，再换接上直径小于扩孔钻头的待铺设管线，在回拉扩孔的同时，将待铺设的管线拉入钻孔，完成铺管作业。

关键词：定向钻进；扩孔；铺管

1.管线设计一般规定

1.1与既有建筑物与地下管线的间距约束条件如下：

欲铺设管线在建筑物附近穿越，且在其基础上时，与建筑物基础的水平净距离不得小于1.5米，在建筑物基础下方铺设管线时，必须经过验算后确定穿越深度，同时采取必要的后续加固处理技术措施；与既有地下管线平行铺设时，铺设DN300mm以上的管线，净距离应为最大扩孔的2倍以上，铺设DN300mm以下的管线，净距离应为0.6m；从既有地下管线下部交叉铺设时，垂直净距离应大于0.6m，遇到石油天然气等特殊管道或弯曲孔段与既有地下管线交叉时，应考虑加大净距离，若达不到上述距离要求时，应增设有效的安全技术防护措施。

1.2辅助参数

入土或出土点与穿越的第一个障碍物（铁道、沟渠等）之间的距离应至少大于3根钻杆的长度；第一段和最后一段钻孔段宜时直线的，即使没有垂直弯曲和水平弯曲，且其长度应至少大于10m。

施工过程中及完工后，铺设管线的相邻建筑物不得丧失使用能力，路面、草地等上覆土层的沉陷、坍塌或隆起应符合相应的施工要求，相邻或相交地下管线和构筑物不受损坏。

1.3导向孔轨迹设计

α1-入土角；R1-入土半径；R2-出土半径；A-入土点；D-出土点

B-第一曲线段和直线段轨迹变化点；C-直线段和第二曲线段轨迹变化点；

h-轨迹（铺管深度）；L1+L2+L3-定向钻铺管水平长度。

根据解析几何的原理，按照基本条件，入、出口角和曲线段的计算可按下列公式计算：

入、出土角：入、出土角推荐值为8º~12º，取值大小取决于场地情况、欲铺设管线的直径等，对坑内始钻式，入、出土角一般应近似为零[1]。

曲率半径：曲率半径的确定主要取决于欲铺设管线的弯曲特性确定，且随欲铺设管线的直径增大而增大，为了有利于回铺管作业，最小弯曲半径选择应尽量大些，欲铺管线的允许最小弯曲半径可用下列公式：

经验取值：钢管最小曲率半径为200~1500的直径[2]。

2.水平定向钻进施工原理

使用水平定向钻机进行管线穿越施工，其工作过程是通过导向仪进行导向和探测，先钻出一个与设计曲线相同的导向孔，然后再将导向孔扩大，把产品管线回拖到扩大了的导向孔中，完成管线穿越的施工过程。施工过程一般分为三个阶段：第一阶段是按照设计曲线尽可能准确的钻一个导向孔，根据所敷设管线的口径和壁厚设计出平缓的导向轨迹；第二阶段是将导向孔进行扩孔，根据穿越距离的长短和现场地质情况预扩孔为预敷设管管径的1.2---1.5倍，第三阶段是将钢管沿着扩大了的导向孔拖到钻孔中，完成管线穿越工作，恢复现场地形地貌、撤场转入下个施工地点。

3.定向钻进施工

3.1扩孔轨迹调查

在钻孔前首先应查明钻孔路径障碍物，首先充分了解要铺设管道的类型，直径、使用的扩孔器尺寸、类型，其次必须对原有地下障碍物和管线埋设位置、深度、类型等进行详细调查包括：地下沟渠，明显标识的地下通讯电缆光缆，桅杆的电线杆延伸到地面下，下水道人井的盖子，水或煤气的关闭阀门，地形坡度等。

3.2钻进夜配制

钻液的好与坏对于拉管施工的成败起到了极关键的作用。钻液具有冷却钻头、润滑钻具，更重要的是可以悬浮和携带钻屑，使混合后的钻屑成为流动的泥浆顺利地排出孔外，既为回拖管线提供足够的环形空间，又可减少回拖管线的重量和阻力。残留在孔中的泥浆可以起到护壁的作用。为改善泥浆性能，有时要加入适量化学处理剂。烧碱（氢氧化钠）可增粘、增静切力、护壁、调节PH值，投入烧碱量一般为膨润土量的2%。

根据以上理论，本工程的钻液配合比确定为：膨润土20%～25%，水75%～80%，2%膨润土重量的烧碱，能满足该地层护孔防塌要求。

3.3导向钻进

这是本工程的关键工序，定向钻进所使用的钻头是一种射流辅助切削式钻头，钻头前带有一个斜面，当钻头不停地回转而且不断地前进时会钻出一个直线孔；当钻头朝着某个方向给进而不回转时，钻孔发生偏斜。在导向钻头内腔装有一个发射器，当钻孔向前推进时，发射器发射出来的信号被地表接受器所接受而进行追踪，从而可以监视钻头的方向、深度和其它参数。当发现偏离设计轨迹时，就通过调整钻头斜掌面的方向，进行造斜纠偏，直到钻头的位置回到设计轨迹时为止，这样就会钻出和设计轨迹重合的先导孔。

3.4扩孔

预扩孔就是在实际铺设管线之前，经过一次或多次的扩孔来扩大钻孔的直径，以减小回拉铺管的阻力，确保施工顺利完成。最终成孔直径一般比管子直径大200毫米（或是管径的1.3--1.5倍）。

预扩时，回扩头后面带的不是管子而是钻杆，钻杆是通过万向节与回扩头连接被拖入钻孔中的；在将后面的钻杆安装之前，要确信钻机是被锁定的；当扩孔完成，拉完足够的钻杆后，将钻机锁定，用液压管钳在出口点卸开钻杆接头，接上回扩头、万向节和钻杆转换连接杆；按照安全操作步骤进行预扩。保持机组成员与操作员密切联系、确保整个连接过程的安全。

3.5清孔

在回扩钻孔时，在钻头尾部配装拉链（杆），钻孔回扩到达工作坑时，卸下扩孔钻头，在拉链（杆）一端换装拉泥盘，进行拉泥成孔工作。此项工序主要是拉运出扩孔搅碎的孔内土，形成光滑圆顺的安管通道。拉泥时，首次拉泥采用环形盘，反复来回拖拉后，如阻力减轻则在拉泥盘上加装横挡，再次入孔拉泥，逐次加封横挡，直至拉泥盘全封闭，并能轻松顺利拉出为止。

当地层土质较硬，以粘质土为主时，应先采用环形盘较窄的拉泥盘拖拉，使拽拉阻力变小拉泥盘拉出顺利后，再换上环形盘较宽的拉泥盘拖拉钻孔。拉泥盘环形盘的大小及加装横挡封闭的选择，应根据地层土质确定。最终成形的孔道内壁光滑圆顺。

3.6铺管

经过预扩孔、清孔后，才可以进行管道的回拖工作，回拖管线时管道在扩好孔的孔中是处于悬浮状态，管壁四周与洞之间由泥浆润滑，这样即减少了回拖阻力，又保护了管线。经过钻机多次预扩孔，最终成孔直径一般比管子直径大200毫米，所以不会伤害管道外壁。

回拖前先将制作好的拖管头与待铺管道安装联接起来，然后将拉管头与分动器联接，随着钻杆的回拉，管道慢慢进入孔内，直到完成全部管道的铺设。然后卸下扩孔钻头及分动器，取出剩余钻杆取下拉管头，铺管工作完成。

结束语

工程建设中地下管道施工通常采用明挖和非开挖施工，明挖施工在基础建设中通常受场地、交通、环境保护等因素制约，多数无法进行，非开挖铺设管道技术的应用成为必然。由于它不需要开挖面层便能穿越地面建筑物、地下管线、线缆、铁路及河道等，同时大大降低对城市交通、环境的危害及影响。水平定向钻进是管道非开挖施工铺设技术方法之一。

参考文献：

[1]朱文鉴.水平定向钻进技术规程[J].中国建筑工业出版社2016.（08）.43

[2]何相之.水平定向钻进施工管理[J].中国建材工业出版社2016.（06）.60