水平定向钻在给水管道施工中的应用

查湘义

摘 要：随着城市化的不断发展，城市市政基础设施建设不断加快，许多跨越河流、穿越公路、铁路等管道工程施工经常发生，而水平定向钻管道铺设技术作为一种非开挖施工技术则应运而生。本文介绍了水平定向钻的原理及特点，论述了水平定向钻的施工流程，并对该技术在给水管道铺设的工程应用进行了探讨。

关键词：水平定向钻；给水管道；工程应用

水平定向钻最早于20世纪70年代开始发展的一种非开挖施工技术，主要用于跨越河流、穿越公路、铁路等障碍物的管道工程施工，包括给水管道、排水管道、燃气管道及石油管道等。该项技术源于海上钻井平台钻进技术，钻进方向由垂直向变成水平向，为了区分冠以“水平”二字，称“水平定向钻”。1985年，中石油工业部引进了当时国际上最先进的一套大型水平定向钻机，成功地敷设了一条穿越黄河管道。目前，水平定向钻技术广泛用于各类管道的非开挖施工中，以其不影响交通、对外界干扰小、成本低等优点而得到广泛的应用。

1 水平定向钻原理及特点

1.1 工作原理

水平定向钻的组件主要包括钻机、导向系统、钻杆、回扩器等组成。水平定向钻机敷管的关键技术就是钻头的定向钻进。钻头在钻进时受到两个来自钻机的力：推力和切削力。定向钻的钻头前面带有一个斜面，随着钻头的转动而改变倾斜方向。钻头连续转动时，在推力和切削力的联合作用下钻出一个直孔；钻头不转动时，斜面的倾斜方向不变，这时钻头在钻机的推力作用下向前移动，并朝着斜面指着的方向偏移，则使钻进方向发生改变。只要控制斜面的朝向，就控制住了钻进的方向。

1.2 特点

水平定向钻的特点主要为：①钻进速度快，工期短。在穿越障碍物施工时，如果采用大开挖的方法，不仅需要开挖大量土方，而且施工中出现的突发情况得不到保证，影响工程进度，导致工期延长；而水平定向钻施工，可以减少土方开挖，降低成本，提高施工进度，缩短工期。②不影响交通，对环境影响小。在穿越公路等重要设施时，如果采用开槽施工，则会影响道路的正常运行，造成道路拥堵，影响人们出行。而水平定向施工不断绝交通，避免土方堆放，不会影响周边环境；③可以控制管道的走向，管道轴线可以是各种形状的曲线。

2 水平定向钻的施工流程

2.1 勘察放线

勘察放线的目的是探明地下已建管道的分布、走向及管道的埋深情况，从而确定所需铺设管道的钻进轨迹及深度，确保不与已建管道发生交叉、碰撞，保证已建管道和新建管道的安全。

2.2 开挖工作坑

管轴线两端一般不設发射坑和接受坑，钻机直接从地面以小角度下钻。只有当管道纵向刚度较大，或者施工场地较小等特殊情况下才设发射坑、接受坑。工作坑的大小根据管道直径大小进行布置，一般可挖成倒三角的工作坑。

2.3 钻导向孔

钻导向孔是整个施工中最为重要的一个环节。水平定向钻在管轴线的一侧下钻，钻头在受控的情况下穿过河床、穿越公路或铁路、绕过地下障碍物，最后在管轴线的另一侧钻出地面，完成导向孔的施工。其中钻杆的加长或缩短由钻机的自动装卸系统来完成，而钻头的钻进方向则由安装在钻头后部空腔内的探头和地面接收器组成的导向系统完成，探头发出的无线信号由地面接收器接收，从接收器可以得到钻头的位置、深度，进而调整钻头的钻进方向。

2.4 钻杆回拖扩孔

导向孔完成后将钻杆回拖。回拖前钻杆末端装上扩孔器，在回拖过程中同时扩孔，视工程需要可增加回扩次数。导向孔施工和扩孔时一般采用循环泥浆，泥浆液通过钻杆内孔送到钻头，再从钻杆与孔之间的环形通道返回，并把破碎下来的弃土和钻屑携带至过滤系统进行分离和再循环。

2.5 管道随杆回拖

最后一次回扩时，将需要敷设的管道通过回转接头与扩孔器连接，并随着钻杆的回拖拉入扩大了的钻孔内，直至拖出地面。拉管之前，管道事先按照标准的操作规程进行连接，保证接口质量。拉管时控制拉管速度，保证平稳回拖。

3 水平定向钻在管道施工中的应用

某输水管线总长度10 km，管径为300 mm，管材为PE 管。该管线铺设过程中两次穿越某省级公路，局部路线穿越村屯，为了减少对交通和原有建筑物的影响、降低施工成本，采用非开挖的技术进行施工。该工程采用设备为：国产DDW 350 铺管钻机，马克3导向仪，45 kW循环泥浆搅拌系统。按照设计的钻进轨迹，首先钻进导向孔，边钻进边喷射泥浆辅助钻头钻进。利用钻头中的无线发射棒，将钻头的位置、深度信息发射到地面接收器上，以控制钻头的钻进方向。导向孔成孔后，然后开始钻孔回扩，本工程沿着导向孔回扩两次，形成450mm的钻孔。最后是回拖PE管道。在回扩器后连接回转接头，再连接PE管道，一边回扩一边拖进，直至到对面接受坑。

某给水工程位于台州湾循环经济产业集聚区，该工程管道铺设路线穿越老洪三路、八条河、八塘路、海昌路、海丰路、九条河等路段，穿越长度为1319m，给水管道管径为630mm，管材为钢管。施工土层为海淤泥土层，受现场施工条件的限制，钢管需要在拉管中间时段进行2次焊接，增加了施工的风险。本工程采用ZT400型号的铺管钻进机，选用膨润土和添加剂配置泥浆，以保证工程施工质量。在物资材料、机械设备、施工人员准备就绪后，首先开挖4m×2m×2m、4m×2m×2m发射坑和接受坑，入土点开挖20m×10m×2m泥浆池，出土端开挖10m×15m×2m泥浆池。导向孔成形后，根据拉管管径，确定扩孔尺寸为880mm，分别采用直径为680mm和880mm的扩孔器分级扩孔。最后是钢管回拖，利用直径为140mm的钻杆+ 880mm的扩孔器+400T分动器+DN630mm钢管进行回拖。回拖时，控制回拖速度以及保证回拖作业的持续进行。由于本工程穿越土层复杂，有填土、粉质粘土、黏土以及淤泥质黏土等，穿越管线长，从而增加了施工的难度。

4 结语

综上所述，水平定向钻在给水管道工程中具有非常广泛的应用，尤其是在穿越重要障碍物或者采用开挖技术不经济的情况下优势非常明显。但是水平定向钻属于地下工程施工，在施工准备、施工安全措施方面一定要保障到位，否则一旦发生意外，不仅会导致工期延长，而且还会造成成本大幅增加。比如钻进导向孔时沿途冒浆问题、导向孔发生缩孔、 堵孔问题等。因此，必须加强施工人员的岗前培训，建立健全的运行管理制度，以发挥水平定向钻的技术优势。

参考文献：

[1]张春宇.水平定向钻法在某给水工程中的应用[J].水利科技与经济，2015， 21（2）： 116117.

[2]张华军.浅谈市政给水管道水平定向钻的施工技术[J].科技创新与应用，2017，10（16）：186187.