水平定向钻进管道铺设技术在南水北调配套工程中的应用

王洪培

（河北省水利工程局市政工程处，石家庄050021）

水平定向钻（HDD）施工技术是20世纪70年代兴起的一种非开挖管道铺设技术。我国从20世纪90年代引入了这一施工技术，随着经济的迅猛发展，水平定向钻施工技术在供水、天然气、电力、电讯、石油等市政管道工程中的应用日益广泛，充分发挥了其环保、经济、安全、快速等施工优势。

1 发展与应用

在非开挖技术行业中，水平定向钻进是主要的增长领域之一。传统的水平定向钻进主要应用于石油、天然气、自来水、电力与电讯电缆导管铺设。近年来随着设备性能和施工技术的快速提高，水平定向钻进铺设管道在大口径、长距离输水工程上得到了广泛应用。目前在均质土层的条件下，我国水平定向钻进最长的穿越距离为2308m （铺设管径2730mm）。在杂填土、砂卵砾石层、冰渍层和硬岩层的穿越也有较大的技术突破。与其他施工方法相比较，其对环境影响最小，且道路不断交，河道不断流，许多情况下费用更低，工期更短。

2 水平定向钻进穿越铺设管线的实际应用

南水北调中线干线工程配套工程某项目，运用水平定向钻进穿越铺设管线施工技术，取得了良好的效果。该项目水平定向钻进穿越铺设管线长度1200m（管径DN1200，壁厚22mm）。水平定向钻进穿越地带为防洪堤、河道、公园、高速公路。

2.1 平面布置

根据设计提供的平面地形图并经复测后，确定水平定向钻进的入土点、出土点。水平定向钻进穿越平面如图1所示。

图1 水平定向钻进穿越平面示意图

2.2 线路确定

根据管线铺设长度和管径焊接弹性曲率半经实际要求。将出土点设在防洪堤及民宅以东方向。该出土点处于开阔的麦田，麦田为喷灌，地下密布不同管径的管网，若采用挖发送沟回拖管线将破坏大量的地下喷灌管网，造成临时占地补偿费用的增加。为减少工程投资和不破坏耕地和地下管网，在回拖管线时采用吊车排列式进行发送。

3 水平定向钻进穿越管线铺设施工设备

3.l 施工机械设备的选择

穿越层为砂土及中砂，且含有少量砾卵石层。按水平定向钻进穿越长度及管径尺寸，决定采用XZ5000型水平定向钻机。

XZ5OOO型水平定向钻机主要性能参数：最大扩孔直径2000mm，最大顶进/回托力5000/5000KN；泥浆流量3000L/min；最大泥浆压力200bar；发动机功率394kW/1800×2；

3.2 XZ5000水平定向钻机主要技术特点

（1）设备机械化程度高，结构布置合理，整体性好。

（2）结构简单易于操作，可控性强，有足够的回转扭矩和四拉力。

（3）钻机倾角可调，适应不同铺设管线设计深度和不同施工场地条件。

（4）易于随时监测钻进方向，调整孔内钻头，控制钻进轨迹。

3.3 水平定向钻进穿越管线铺设施工特点

（1）精确性。拖管轨迹准确，随时可确定钻进位置及埋深。

（2）铺管速度快施工周期短，不阻碍交通及河道输水，不污染环境。

（3）管线铺设质量高。由于基本没有破坏原有土质结构，无须进行地下水防范和软土层的加固措施，避免了土壤沉降过程对管道的应力破坏。

（4）具有较好的经济效益。管径越大，埋深越深，穿越长度越长，地上建筑物多且周边环境越复杂，经济效益越显著。

4 水平定向钻进工序及工艺

4.1 施工工序

施工准备→施工场地布置→测量放线→设计钻进轨迹→场地道路修整→设备材料进场→设备安装调试→管节摆铺焊接→无损捡测→试压→防腐处理→钻导向孔→扩孔→挖发送沟灌水→管道回拖→管线穿越完工验收。

4.2 施工工艺

钻导向孔→导向监测→分级扩孔→泥浆配合比调试→管道入发送沟→回拖器连接→管道回拖铺设。

5 施工准备

5.1 查勘现场

复测入土点、出土点的标高和水平距离，对穿越现场周围建筑物、地形地貌、河床、交通道路、地质状况、水源、地下电力、电讯、供水、油气等地下管线进行查勘。

5.2 编制施工方案

根据施工图纸，设计文件，有关规范及规程，现场实际与工程特点，编制施工方案和作业指导书。

5.3 水平定向钻进轨迹的施工设计

定向钻进轨迹由曲线段和直线段组成，曲线段作为钻孔的一部分，既要保证钢质钻杆在其中受到复杂应力时的工作安全，又要保证管道回拖时受力安全。根据地质情况，场地条件，河流与道路穿越安全要求，根据钻杆的曲率半径、管道的允许曲率半径（常用为R=1500Dn），根据钻头方位角、工具面向角，计算入土角、出土角，确定钻进曲率半径轨迹线路，并依据地貌及地下设施位置，制定水平钻进轨迹。根据钻头变向能力，所铺设管道的性能等，设计出最佳钻进轨迹。确保施工安全和穿越成功。

5.4 测量放线

测量人员根据交接桩记录，进行施工测量放线，对入土点、出土点设置控（标）志桩，在穿越中心线上，每隔9.6m设置一个控（标）志桩。

5.5 设备及控向系统调试

设备进场安装后，进行系统连接调试运行，严格按控向系统调校程序对定位系统进行调校，以保证设备正常工作。

5.6 试钻

设备系统调试完成后，依据穿越层的地质条件，进行泥浆配制，并开始钻进泥浆试喷射，试钻进2/3根钻杆时，检查系统各部位的运行情况是否正常，发现问题进行处理。

6 成孔与泥浆护壁

6.1 钻进液

水平定向钻机钻进中，钻进液用于稳固孔壁、降低回转扭矩和拉管阻力、冷却钻头和发射探头、清除钻进产生的土屑等，它被视为导向钻进的“血液”。一般采用优质膨润土制备。

6.2 钻进液循环

钻进时钻进液会从另一端的上口返出，这时要使用两套泥浆系统处理，或运走泥浆，减少环境污染。根据地质情况预设泥浆配制方案，确定成份掺量和混合次序，按不同的地层调整泥浆配合此。

7 钻导向孔

钻头整体采用标准螺旋型，钻头前端设置梅花型喷射水眼，通过定向钻头的高压泥浆射流冲饳破碎旋转切削成孔，且有利于保护僵土孔道内壁。常用的孔内控制钻进方向的机构称为导向钻头，在钻头底唇面釆用非平衡结构设计，钻头唇面是一个斜面，当钻头连续回转时钻进直孔，保持钻头朝某个方向不回转加压时，则使钻孔发生偏斜，钻进斜孔。

钻头的准确位置状态与斜面钻头的方向是通过钻头空腔内的信号发射器及地面定位示踪仪来测量确定。每钻进一根钻杆，测量一次钻头方位，根据测得参数调整钻进参数和钻进方向，以控制钻头按设计轨迹钻进，直至钻头在预定位置出土。

8 逐级预扩孔

逐级扩孔是十分重要的环节，成孔质量的好坏直接影响管道穿越的成败。扩孔的目的是将导向孔孔径（DN1000以上）扩大至铺设管道管径1.5倍为止，以减少管道穿越时的阻力，保证管线能安全顺利旋入铺设。预扩孔前，试喷泥浆，检查切割刀头和扩孔器水咀是否通畅，泥浆压力是否正常等。

8.1 工程案例

穿越铺设DN1200 的钢管道，逐级扩孔为：D400mm、D600、D800、D900、D1OOO、D1100、D1200、D1300、D1400、D1500mm、D1600mm（清孔）。

8.2 扩孔

将D400扩孔器连接在钻头后端，然后由钻机旋转回拉扩孔，每扩完一根钻杆，便在入土点侧卸下一根钻杆，同时在出土点侧装上一根钻杆，如此往复直至D400mm扩孔完毕。按第1次扩孔程序，逐级更换扩孔器直至扩孔径达到管道穿越要求，最后再进行一次清孔，以保证管道回拖顺畅。

8.3 回拖管道铺设

当扩孔完成后，更换大于管经200mm的扩孔器、万向旋转头、“U”型环与管道端口焊接的回拖头进行组装，检查分动器连接牢固后，进行管道回拖铺设。

9 防沉陷加固措施

为防止穿越公路、铁路、河道段发生沉陷，在回拖管道时，在主回拖头旁安装一个小型回拖头，并与1～1.5吋焊接管连接，作为注浆管，长度与管线长度相等，一并回拖。回拖完成后，卸下主回拖头，将1～1.5吋焊接管继续回拖至需要防沉陷加固段，注浆管与注浆泵连接，进行加固注浆。注浆压力根据理场实际情况，调整注浆压力和时间。当一段防沉陷固结完成后，回拖注浆管至下一段进行注浆固结，依此类推。注浆管连接方式采用丝扣连接。注浆固结材料为：高效纳基膨润土、水泥、膨润土浆液按此例配制。

10 结语

当今在经济快速发展，城市人口迅速增长，人与产业用水量不断增加的情况下，新增或原有供水管道改造，都需要大口径管道才能满足日异增长的供水需求，水平定向钻进穿越施工，能够在不破除道路，不影响交通，不影响环境，不破坏或拆移地下管网的情况下进行施工，且施工速度快。

［1］水平定向钻进管线铺设工程技术规范（试行）［S］.2001.

［2］闫相祯，丁鹏，杨秀娟，等.长距离复杂地层水平定向钻穿越管道施工技术［J］.油气储运，2007（2）.

［3］DBJ13102—2008，水平定向钻进管线铺设工程技术规程［S］.备案号:J11214-2008DB福建省工程建设地方标准DBJ13-102-2008.

［4］GB50424—2007，油气输送管道穿越施工规范［S］.

［5］CSTT.水平定向钻进管线铺设及验收规范［S］.

［6］SY/T4103—2006，钢质管道焊接及验收［S］.

［7］SY/T4071—93，管道焊接工艺规程［S］.