水平定向钻非开挖施工的运用实例

文/周卫丰 马鞍山天和市政工程有限公司 安徽马鞍山 243000

水平定向钻非开挖施工的运用实例

文/周卫丰 马鞍山天和市政工程有限公司 安徽马鞍山 243000

非开挖施工方案即水平钻机钻孔牵引管道的施工方法。水平导向钻进法，它的主要特点是，可根据预先设计好的铺管线路驱动装有契形钻头的钻杆从地面钻入，地面仪器接收由地下钻头内传送器发出的信息，控制钻头按照预定的方向绕过地下障碍物直达目的地，然后卸下钻头换装适当尺寸和特殊类型的回程扩大器，使之能够在拉回钻杆的同时将钻孔扩大至所需直径，并将需要铺装的管线同时返程牵回钻孔入口处。在整个工作中，特别的混合机组提供的钻孔混合液不断地从钻头的钻口嘴喷出，用以润滑钻头，钻杆和加固钻道，以提高整个工程的工作效率。

水平定向钻；非开挖施工；实例

一、工程概况

蚌埠市高新区污水拉管工程是蚌埠市高新区内的污水截流工程，对于企业污水排放、环保生产具有重要意义。本次施工共涉及九家企业，均是从厂区截流污水穿过已建成的水泥混凝土路面至污水干管。管道采用F型钢筋混凝土D400管，全长356米，最长拉管距离72米，最短拉管距离28米。

二、施工准备

1.地层勘探

主要了解有关地层和地下水的情况，为选择钻进方法和配制钻液提供依据。其内容包括：土层的标准分类、孔隙度、含水性、透水性以及地下水位、基岩深度和含卵砾石情况等。地下管线探测主要了解有关地下已有管线和其它埋设物的位置，为设计钻进轨迹提供依据。根据现场实际情况解决施工用电、用水。以钻机路线的入土点和出土点各挖一个工作井和接收井，便于钻机入土开钻，并且作为泥浆的排放和收集点，若泥浆过多采用泥浆车外运。

2.技术准备

（1）组织工程施工技术人员参与设计单位、建设单位的施工图会审和企业内施工技术交底，了解施工特点和技术要求，熟悉施工操作规程和各项技术数据。

（2）根据敷设管道的管径尺寸，计算出管道孔的扩孔次数和每次回扩所使用的回扩器的规格。

（3）根据钻机操纵手册和导向仪的控制、精度要求，制定出详细的技术交底。并向施工作业人员进行交底。

（4）与钻机操作手共同制定出管道中线和高程的控制数据和纠偏措施。

3.机械准备

采用国产DDW-350铺管钻机，马克3导向仪。另配功率为45KW的不停钻射流循环泥浆搅拌系统，可快速制备钻进用泥浆；操纵台全功能数字仪表显示，独立的液压锚桩系统。钻机整体性能优越。 （1）钻机的主要技术参数：发动机功率：200KW最大推力/拉力：380KN

最大回转扭矩：18000N.m输出轴转速：0－110r/min

泥浆系统功率：45KW泥浆泵流量：320L/min

泥浆泵压力：10Mpa角度范围：8°—20°

钻杆规格：Φ89mm×7mm/5000配套钻杆：300m

钻头级配：6个—Φ 450mm

主机外形尺寸（长×宽×高）：5200mm×2300mm×2200mm

泥浆搅拌站外形尺寸（长×宽×高）：4200mm×2300mm×2700mm

三、施工方案

1.施工工艺流程

2.施工测量

2-1平面控制放线

平面控制及放线，依据现有边线，通过勘测方提供的控制点引测本工程的定位点，为保证施工各阶段控制点网，坐标及高程的准确，首先对施工现场内各控制桩加以保护。并把各控制点引测至现场外加以保护，以便竖向引测放线。同时要做闭合校核。

施工前通过全站仪沿地面上拉管的中心线每3米设置一桩（有障碍物的除外），并沿拉管的中心线撒好白灰线且测出桩高程，算好桩高程与设计拉管流水面的关系。

2-2高程控制

高程控制根据勘测方提供的水准点引测施工现场的高程控制点。根据本工程的实际情况，在现场选择固定的地方做临时水准点，并做好保护。

高程控制采用两次仪器高程前后视等距测法，保持精度。为保证设计方向、位置的正确性，控制线的传递用经纬仪进行引测，保证平面位置的准确。

3.基坑开挖

工作坑深度根据拉管流水面高程确定。为保证工作坑内干燥和扩孔施工,在工作坑侧边设（4 m宽×1.5 m长×1.5 m深）泥浆沉淀池,并在池底设泥浆泵随时将多余泥浆抽出坑外。

工作坑视土质情况是否采用支护。

4.地层勘探地下管线探测及钻进轨迹的规划与设计

地层勘探主要了解有关地层和地下水的情况，为选择钻进方法和配制钻液提供依据。其内容包括：土层的标准分类、孔隙度、含水性、透水性以及地下水位、基岩深度和含卵砾石情况等。需要在现场挖探坑确定土质情况。

导向孔轨迹设计是否合理对管线施工能否成功至关重要。钻孔轨迹的设计主要是根据工程要求、地层条件、地形特征、地下障碍物的具体位置、钻杆的入出土角度、钻杆允许的曲率半径、钻头的变向能力、导向监控能力和被铺设管线的性能等。

5.钻机就位

根据管道设计坡度方向和现场实际情况，安置钻机。因拉管距离长，拉力较大，钻机底脚要安置在20cm厚C15混凝土平基上，并在平基混凝土内预留∮20钢筋（地锚）和钻机焊接紧密，以防地基沉降影响钻机稳定。

6.钻液的配置

钻液的好与坏对于拉管施工的成败起到了关键的作用。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。

钻液由水、膨润土和聚合物组成。水是钻液的主要成份，膨润土和聚合物通常称为钻液添加剂。钻液的品质越好与钻屑混合越适当，所制造的泥浆的流动性和悬浮性越好，回扩成孔的效果越理想，成功的概率越大。

为改善泥浆性能，有时要加入适量化学处理剂。烧碱（或纯碱）可增粘、增静切力、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%，转液宝1%，水75%，2%膨润土重量的烧碱。

7.导向钻进

钻机就位后，调整钻机导向杆到略高于设计管位中心高程的位置，水平钻入土中。在导向钻头中安装发射器，通过地面接收器，测得钻头的深度、鸭嘴板的面向角、钻孔顶角、钻头温度和电池状况等参数，将测得参数与钻孔轨迹进行对比，以便及时纠正。地面接收器具有显示与发射功能，将接收到的孔底信息无线传送至钻机的接收器并显示，操作手根据信号反馈操纵钻机按正确的轨迹钻进。在导向钻孔过程中技术人员根据探测器所发回的信号，判断导向头位置与钻进路线图的偏差，随时调整。并把调整数值记录在“钻进位置”相应的表格中。

为了保证导向头能严格按照操作人员发出的指令前进，需要在管道线路初步布点后对控制点进行加密加细。间隔3m设中线、高程控制点，用木桩做出明显标志，并在桩点周围用混凝土砌出护墩加以保护。控制人员严格按照点位，操纵仪器。

管道在孔内拉动的过程中受重力的作用，会发生管道下沉现象。因此导向钻进的钻进点选择在略高于设计管中线的地方。以减低管道自重对高程的影响。

8.扩孔

根据现场地质情况，采用刮刀式扩孔器。扩孔器尺寸为铺设管径的1.2～1.5倍，即40cm×1.5=6cm。这样既能够保持泥浆流动畅通又能保证管线的安全、顺利的拖入孔中。

回拉扩孔铺管的距离比较长，泥浆作用特别重要，孔中缺少泥浆会造成塌孔等意外事故，使导向钻进失去作用并为再次钻进埋下隐患。考虑到地层泥浆较易漏失，泥浆漏失后，孔中缺少泥浆，钻杆及管线与孔壁间的摩擦力增大，导致拉力增大。因此要保持在整个钻进过程中有“返浆”，并根据地质情况的变化及时调整钻液配比以产生的不同泥浆。

本工程选用的DDW-350型铺管钻机有混合搅拌、泵送系统。施工中将水、膨润土、聚合物等加入混合仓，进行充分搅拌形成钻液。然后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。实验人员需要随时检测泥浆内各组成材料的配比并及时调整，反复循环使用。

9.拉管

拉力计算:φ400管重量为45.76kg/m。管道倾斜角度为：10。

F拉=(G’+ G’×μ)×n =(16.38+16.38×0.4)×1.15=26.37吨

G’-管道总重量在X方向的分量 μ-摩擦系数 n-安全系数经计算,所选用拉管机能承受该拉力。

管道检验合格后，即可进入拉管施工。首先用现场制作的“封套”将管头密封，然后在管头后端接上回扩头，管后接上分动器进行接管，将管子回接到工作井后，卸下回扩头、分动器、取出剩余钻杆，堵上封堵头，进行水压试验。

施工时，拉管机操作人员要根据设备数据均匀平稳的牵引管道，切不可生拉硬拽。

10.注浆加固

管道拉通后，为了避免地面沉降，需要进行注浆加固。由于受场地条件限制，本次采用孔内注浆的加固措施。

拉管施工前在管道前端连接两根与管道同长度的∮25钢管,与管道一同拉入土中并一同到达拉管设计终点桩号。到达终点后，解除∮25钢管与管道的连接，在两根钢管前面各加一根6 m长同直径的注浆花管。

移动拉管机到接收坑，和∮25钢管连接并回拽。每拽入6 m，把钢管和拉管机的连接取消，换成和高压注浆泵连接。注入1：1水泥、粉煤灰浆液（0.4Mpa），从而置换触变泥浆，补充管道周围的空隙。然后再换再拉，再拉再注，反复进行。直到把钢管全部拉出接收坑，注浆过程也就全部结束了。

在注浆施工时应注意：

根据实际情况每3-6米注浆一次，根据计算注浆量一定大于泥浆量，注浆时尽量保持不要间断。

当花钢管拖入地面时一定要用堵头堵死，防止浆液从花管前端流出。

11.安全保护系统

由于施工中的地质情况复杂、距离较远等特点，在施工中必须设置必要的安全保护措施，主要有：

防触电报警系统，一旦地下钻头触及电缆等带电体后，钻机发出触电报警，此时操作手必须坐在座椅上不得离开，以免触电。报警解除后，操作人员方可离开钻机。

远距离遥控紧急停机装置，随钻跟踪测量者应时刻保持与钻机操作手的联系，一旦发生意外应及时处置。目前一般采用无线通信联络方式，有时由于受到当时当地环境的影响这种方式己不能应付紧急突发事件。所以在施工中应由随钻跟踪者采用紧急措施停止钻机工作，待处理完后，由后者解除对钻机的限制后，方可启动钻机。

12.井室砌筑

在砌筑井室时，应注意以下四项：

（1）测量人员准确测设井位，支垫层模板，浇筑垫层混凝土打底板。

（2）严格控制井室的几何尺寸在允许偏差之内。井室内的爬梯应采用球墨铸铁。

（3）砖墙勾缝砂浆塞入灰缝中，压实拉平，深浅一致，横竖缝交接处应平整。凹缝比墙面凹入3-4毫米，勾完一段应及时将墙面清扫干净，灰缝不应有搭茬、毛刺、舌头灰等现象。

（4）井盖均选用重型井盖。

13.工作坑土方回填

还土应选用细土、好土进行回填，不得含砾石、垃圾，回填应两侧分层对称回填，管道回填管顶以上0.5m处，并应注意保护。

14.拉管的质量控制方法及要求

路面建筑物及管道铺设区域无塌陷，施工后进行雷达扫描检测，不得低于压实度要求。

管铺设规定要求：

管铺设满足排气要求，管无向上的折点。水平最大偏差±0.3米。纵向垂直最大偏差±0.25米。保持管内壁干净，拉管过程中封堵内壁。

拉管过程中，操作手严格按照地面预布控制桩的平面位置和高程控制钻头走向，每隔水平距离3米校核一次。

管道内底高程的复测

管道拉通后，应对管道内底高程进行复合测量。用钻机将装有探测器的钻头在管道内拉动，试验人员根据探测器发出的信号来确定钻头的深度，经过换算后即计算出管内底高程。得出的结果和原始控制轨迹高程进行比较，就得到各桩位高程偏差数值。

结论：

水平定向钻非开挖施工的本次实例运用，实现了设计意图，满足了企业要求。在工期要求短，无法破路开挖或可减少破路开挖的情况下，可以节省工程造价，缩短工程工期，以期取得良好的社会效益和经济效益。