趙　楊

上海達望元水務(wù)工程設(shè)計有限公司

給水管道水平定向鉆進拖拉法的應(yīng)用分析

趙楊

上海達望元水務(wù)工程設(shè)計有限公司

水平定向鉆進拖拉法鋪管在非開挖技術(shù)領(lǐng)域是一種占主導地位且發(fā)展很快的施工技術(shù)，以其獨特的優(yōu)點在給水管道穿越河流、道路、建筑物等障礙物的施工中得到大量應(yīng)用。本文以工程實例并結(jié)合自己的工作經(jīng)驗對該技術(shù)進行闡述分析，以供同行參考。

給水管道；水平定向鉆進；軌跡設(shè)計；施工

1　工程概況

上海市浦東新區(qū)南部某路段輸水管建設(shè)工程，新建管管徑DN800，設(shè)計壓力0.5MPa，管位在道路規(guī)劃綠化帶內(nèi)，地面標高4.0m。局部管段從西往東需依次穿越某公司圍墻內(nèi)景觀綠化帶、市政道路及現(xiàn)狀河道，長約430m。規(guī)劃部門對道路沿線景觀有嚴格要求，所有公用管線穿越河道不允許采用自建管橋方式；市政道路路口交通流量大，地下管線種類較多較復雜；穿越公司景觀綠化帶協(xié)調(diào)難度大，賠償費用高。

該段場地土層水平分布較均勻，可分為5層土，地層自上而下分布為：①素填土、雜填土；②粉質(zhì)粘土夾粉土；③粉土夾粉砂；④粉砂夾粉土；④-1粉土夾粉砂；⑤粉砂。通過從施工方式、工程費用、安全性及對現(xiàn)有交通和環(huán)境的影響等幾個方面的因素分析，決定對該管段采用非開挖水平定向鉆進拖拉法施工，穿越層選擇④-1層，管中心標高-7.0m，距規(guī)劃河床底7m。

2　水平定向鉆進拖拉法的工藝原理和主要設(shè)備

2.1工藝原理

該方法是從石油鉆井領(lǐng)域發(fā)展演變過來的一種適用于快速鋪設(shè)地下管線的先進非開挖施工技術(shù)，其主要運用水平定向鉆機在最小地表開挖幅度下對多種地下公用設(shè)施進行鋪設(shè)，在自來水、天然氣、電力和電信部門已是一種得到廣泛認可的施工工藝，大量應(yīng)用在穿越河流、道路、建筑物等障礙物的施工中。其典型的鋪管作業(yè)可分為導向孔鉆進、回拉擴孔以及管線回拖三個階段。

（1）導向孔鉆進

導向孔的鉆進一般采用小口徑全面鉆頭，進行全孔底破碎鉆進。使用的是可在地表控制方向的鉆頭或鉆具，一類是斜面鉆頭，是一種前端帶有斜掌面的射流輔助切削鉆頭，當鉆桿帶動鉆頭連續(xù)回轉(zhuǎn)給進時鉆出直孔，當鉆頭不回轉(zhuǎn)只給進時，鉆孔發(fā)生偏斜，從而達到改變鉆進軌跡的目的。另一類是孔底動力機加彎接頭，即泥漿馬達，靠泥漿做動力，將泥漿液壓力轉(zhuǎn)化為機械轉(zhuǎn)動力，驅(qū)動轉(zhuǎn)子帶動牙輪導向鉆頭旋轉(zhuǎn)。泥漿馬達的轉(zhuǎn)向原理是依靠馬達內(nèi)的彎接頭將馬達調(diào)整到所希望的鉆進方向，然后啟動泥漿泵，并使泵量達到泥漿馬達和鉆頭所需的值，由鉆機給鉆桿施加壓力進行鉆進，直到鉆進方向達到設(shè)計方向為止。

導向孔的軌跡控制通過導向鉆頭完成。在鉆頭或鉆具內(nèi)安裝有測量探頭，鉆進中探頭連續(xù)或間隔地測量鉆孔位置、指向等參數(shù)，并通過無線或有線的方式實時地將測量數(shù)據(jù)發(fā)送到地表接收器，操作人員根據(jù)實測鉆孔數(shù)據(jù)來評價和及時調(diào)整鉆進狀態(tài)，從而人工控制鉆孔軌跡按設(shè)計軌跡延伸。

（2）回拉擴孔

導向孔鉆進完成后，需及時卸下導向鉆頭，換上擴孔器進行回擴。根據(jù)敷設(shè)管線的管徑、地質(zhì)條件、設(shè)備能力，分一次或多次逐級擴孔，最終擴孔直徑按經(jīng)驗控制在管線外徑的1.2～1.5倍，當?shù)貙泳|(zhì)完整時，擴孔率取較小值，當?shù)貙訔l件復雜時，擴孔率取較大值。

（3）管線回拖

擴孔完成后應(yīng)立即進行管道回拖。拉管時，將擴孔器接在鉆桿上，然后通過旋轉(zhuǎn)接頭連接到待鋪管子的拉頭上，旋轉(zhuǎn)接頭可防止管線和擴孔器一起回轉(zhuǎn)并擰壞管線，利用定向鉆機一邊回轉(zhuǎn)一邊回拉，將管線拖入已擴鉆孔，完成管道鋪設(shè)。

與傳統(tǒng)開挖法施工相比，水平定向鉆進拖拉法鋪管不會阻斷交通，對周圍環(huán)境影響??；先進的穿越設(shè)備具有較高的穿越精度，能夠?qū)β裆钜约胺笤O(shè)方向予以靈活調(diào)整，使管線能夠有效避免地下障礙物，方便施工；施工不受季節(jié)限制，施工周期短人員少，在很多情況下綜合費用比其他施工方法少。

2.2主要施工設(shè)備

本工程施工過程中投入的主要儀器和設(shè)備見表1。

表1　主要儀器和設(shè)備

3　定向鉆孔軌跡設(shè)計

定向鉆孔軌跡的設(shè)計是施工的依據(jù)和質(zhì)檢的標準，直接影響到施工的安全和成本。設(shè)計前要進行詳細的工程勘察，包括地質(zhì)、地形、地貌、地物、現(xiàn)有地下管線及新建管線路徑等，充分掌握相關(guān)資料；設(shè)計時要綜合考慮管線敷設(shè)的最小覆土深度、與地下管線及障礙物的安全距離、所用管材的規(guī)格和性能、出入土角及管線曲率半徑、穿越場地的條件限制及特殊要求等因素。

本工程導向孔軌跡由入土造斜段-直孔鉆進段-出土造斜段構(gòu)成。造斜段曲率半徑由鉆桿和待鋪管線的允許曲率半徑共同決定，在條件允許情況下，宜選擇較大的曲率半徑，以減小管道彎曲應(yīng)力，降低管道的回拖阻力。本工程使用的鉆桿外徑為139.7mm；管線采用高密度聚乙烯（HDPE）給水管，外徑800mm，公稱壓力1.25MPa，徑厚比13.6；管線最大埋深11m。

（1）鋪設(shè)的HDPE管最小允許曲率半徑：

式中：E為HDPE管彈性模量，為960MPa；D為管線外徑，為800mm；δp為HDPE管彎曲應(yīng)力，取5MPa。

（2）鉆桿的曲率半徑由鉆桿的彎曲強度值所確定，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，取值不小于鉆桿外徑的1200倍。本工程鉆桿最小曲率半徑為167.64m。

（3）入土角α1、入土曲線段水平長度L1及入土造斜段彎曲半徑R1值

地面始鉆式的入土角α1宜為8°～20°；

式中：R1為管線入土造斜段的彎曲半徑，應(yīng)不小于待鋪HDPE管和鉆桿彎曲半徑兩者中的大值；H為管道埋設(shè)深度。

本工程H為11m，取R1為500m，經(jīng)計算α1為12°，L1為104m。

（4）出土角α2、出土曲線段水平長度L2及出土造斜段彎曲半徑R2值

地面始鉆式的出土角α2對塑料管宜為0°～20°；

式中：R2為管線出土造斜段的彎曲半徑，應(yīng)不小于待鋪HDPE管和鉆桿彎曲半徑兩者中的大值；H為管道埋設(shè)深度。

本工程H為11m，取R2為730m，經(jīng)計算α2為10°，L2為126m。

4　水平定向鉆進拖拉法施工

施工工藝流程為：施工現(xiàn)場準備→測量放線定位→鉆機就位→泥漿配置→導向孔鉆進→擴孔→管道焊接→管道回拖就位→清理現(xiàn)場。

4.1設(shè)備選型

回拖階段，在成孔良好情況下，管道回拖力構(gòu)成主要有兩部分，一部分是管段在泥漿中的重力和浮力作用引起的摩擦力，另一部分是拖管前進時管段在泥漿中的黏滯力。GB 50423-2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》中穿越管段回拖力計算經(jīng)驗公式為：

式中：FL-計算拉力（KN）；L-穿越管段的長度（m），為430m；f-摩擦系數(shù)，取0.3；D-管道外徑（m），為0.8m；γm-泥漿重量（KN/m3），取12 KN/m3；γs-管道重度（KN/m3），為9.408KN/m3；δ-管道壁厚（m），為0.0588m；Wf-管道單位長度配重（KN/m），為0；K-泥漿黏滯系數(shù)（KN/m2），取0.18KN/m2。經(jīng)計算本工程單位長度FL值為1.844KN/m，其中摩擦力為1.392KN/m，泥漿黏滯阻力為0.452KN/ m，總回拖力為792.92KN。

水平定向鉆機能力應(yīng)能滿足穿越管道回拖力的要求，根據(jù)國內(nèi)外多年施工經(jīng)驗，一般按上述回拖力計算值的1.5～3倍作為鉆機選型的依據(jù)。本工程投入使用的XZ-3000型定向鉆機最大回拖力為3000KN，完全滿足本次施工需要。

4.2測量放線

根據(jù)測量合格的控制樁測定出管線入土點、出土點、管線穿越中心線及管線施工作業(yè)邊界線。在入土點一端測量并確定鉆機安裝位置及泥漿池的占地邊界線，在出土點一端，根據(jù)管線中心軸線和占地寬度及長度，放出管線組裝焊接預(yù)制場地邊界線及出土點作業(yè)場地邊界線。放線時入土點、出土點應(yīng)設(shè)置標志樁，并注明穿越管線的入土角、出土角、水平轉(zhuǎn)角、高程坐標。放線時入土點、出土點位置左右偏差不超過10mm，沿管線軸線方向誤差不超過20mm。

4.3鉆機就位

按照施工布置圖及規(guī)范要求，進行鉆機就位，罐區(qū)擺放，開挖泥漿回收池。

4.4泥漿的配制

泥漿俗稱鉆孔施工的“血液”，泥漿質(zhì)量好壞對穿越工程施工順利進行和安全生產(chǎn)起十分重要的作用，其主要作用體現(xiàn)在潤滑冷卻鉆具、懸浮和攜帶鉆屑、穩(wěn)定孔壁、平衡地層壓力、軟化和輔助破碎巖土等方面。泥漿通常是由水、膨潤土及添加劑經(jīng)攪拌而成的混合物，要求具有良好的穩(wěn)定性和流變性，不同的地質(zhì)條件對泥漿的使用有不同要求。

本工程穿越地層主要為粉砂、粉土夾粉砂，地層顆粒之間缺乏膠結(jié)，鉆進時孔壁容易坍塌，因此成孔難度大，針對砂土層主要特點，本工程泥漿配制方案如下：1）在鉆導向孔階段，泥漿主要作用是護壁、排屑，另外還要考慮泥漿在鉆頭噴嘴處的粘度，提高鉆進效率。本工程在泥漿中加入高分子聚合物，水解后可橋連更多的膨潤土小板分子，形成良好的泥漿骨架體系，迅速提升泥漿粘度，同時在高分子長鏈作用下，泥漿潤滑性能也得到提升，有效降低鉆具在砂土層中鉆進的扭矩。該階段泥漿粘度控制在40～50s，泥漿配方為水+5～7%膨潤土+適量潤滑劑。2）在擴孔階段，泥漿的主要作用是護壁和排屑，本工程通過使用高分散性泥漿、增加膨潤土含量、添加增粘劑、泥漿漏失控制劑等措施來提高泥漿粘度，抑制泥漿漏失，在孔壁上形成薄而韌的致密泥皮，從而增強泥漿攜沙能力及孔壁穩(wěn)定性。該階段泥漿粘度控制在70～90s，泥漿配方為水+8～10%膨潤土+防塌劑+燒堿、火堿適量（1：1）。3）在回拖階段，本工程在泥漿中適當加入無毒害植物潤滑劑和添加劑，提高泥漿潤滑性和流變性，從而降低管道回拖力，有效降低施工風險。該階段泥漿粘度控制在70～90s，泥漿配方為水+7～10%膨潤土+護壁劑+潤滑劑。

施工現(xiàn)場用馬氏漏斗每2h對泥漿粘度測量一次，泥漿PH值控制在8～10之間，失水量宜控制在5ml/30min以下，比重控制在1.02～1.25g/cm3。鉆進泥漿應(yīng)在專用的攪拌器中配置，并具有足夠的供應(yīng)量。在施工過程中，要密切注意泥漿壓力變化情況，合理控制鉆機扭矩、推力等參數(shù)，及時根據(jù)穿越地層地質(zhì)狀況的變化情況調(diào)整并控制好泥漿的壓力、排量等參數(shù)，防止壓力過大產(chǎn)生冒漿、漏漿等情況。

本工程利用泥漿固相控制技術(shù)（稀釋、沉淀和機械清除）對泥漿實施回收處理再利用，節(jié)約施工中泥漿的使用量，對無法回收利用的剩余泥漿統(tǒng)一采用罐車運到指定地點妥善處理。

4.5鉆導向孔

本工程導向孔施工鉆具連接方式為：XZ-3000鉆機→鉆桿→泥漿分流器→無磁鉆鋌→無磁短節(jié)→泥漿馬達→牙輪鉆頭；采用DX-01型有線導向系統(tǒng)和GPS鉆頭跟蹤測量儀來進行精確控向。在導向孔鉆進過程中，應(yīng)對鉆桿的方位角、傾角等數(shù)據(jù)進行嚴格控制，造斜段每0.5m～3m應(yīng)進行一次測量計算，水平直線段每3m～5m進行一次，如發(fā)現(xiàn)測量參數(shù)與設(shè)計軌跡有偏差，應(yīng)及時進行糾偏鉆進，確保穿越曲線在合理的范圍內(nèi)。導向過程中遇到突然的振動、卡鉆、扭矩變化等異常情況，應(yīng)立即停鉆，查明原因，解決問題后方可繼續(xù)施工。

4.6擴孔、清孔、測孔、修孔

本工程擴孔鉆具連接方式為：XZ-3000鉆機→鉆桿→擠擴式擴孔器→鉆桿。針對本工程穿越管徑較大、穿越距離較長的特點，采用減小擴孔器級差，增加擴孔次數(shù)，加快預(yù)擴孔速度的措施，擴孔級差150mm，擴孔直徑φ400mm～φ1000mm。根據(jù)擴孔情況，每一次擴孔后都進行一次洗孔處理，以排除孔內(nèi)多余渣土，使孔內(nèi)壁進一步穩(wěn)固，如發(fā)現(xiàn)有抱鉆桿情況，適當增加洗孔次數(shù)。擴孔完成后或在擴孔、洗孔過程中，在鉆桿之間安裝測孔器，隨時在孔洞內(nèi)進行測量，如孔的參數(shù)（傾角、方位角）不滿足回拖管線角度要求，針對有問題部位進行修孔，保證回拖前孔的光滑。

4.7回拖管道

擴孔孔徑達到要求后應(yīng)立即進行管線回拖，回拖前應(yīng)檢查已焊接完成的管線，確保管線長度、焊縫等符合要求。本工程回拖時采用φ1150擴孔器→旋轉(zhuǎn)接頭→U形環(huán)→待鋪管線。管道回拖時，要嚴密監(jiān)控孔內(nèi)情況，對鉆機的速度和拉力進行嚴格控制，確?；赝系姆€(wěn)定性。管線回拖過程盡量一次性完成，若必須分段進行要做好鉆孔的維護措施，以避免由于時間的停待而造成地層的變化，發(fā)生塌孔或抱管事故?；赝线^程中，應(yīng)盡可能降低卡管、鋪管擠壓變形以及泥漿滲出等情況發(fā)生的頻率，一旦發(fā)生應(yīng)對其原因予以認真分析，及時采取相應(yīng)措施解決問題。

5　結(jié)語

與開挖施工相比，水平定向鉆進拖拉管技術(shù)對施工設(shè)備、鉆具有較強依賴性，且導向孔鉆進、擴孔和管道回拖等過程存在不可預(yù)見性，具有較高的施工作業(yè)風險，因此需要加強技術(shù)指導，制定科學合理的設(shè)計及施工方案，并對施工每個環(huán)節(jié)的質(zhì)量進行嚴格控制，出現(xiàn)失誤及時調(diào)整，才能保證工程的順利實施，從而為整個給水管道工程的施工質(zhì)量提供保障。

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