中国非开挖协会定向钻进技术规范

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1、定向钻进管线穿越铺设技 术 规 范中国非开挖技术协会2002目 录一、 总则二、 技术概述三、 工程投标指南四、 施工合同（示范文本）五、 施工场地探测技术指南六、 工程施工技术规范七、 安全操作规程八、 名词及术语解释九、 参考文献本规范由中国非开挖技术协会定向钻进专委会起草执笔：中国地质科学院探矿工艺研究所 李山总则1. 总则采用定向钻进穿越地面及地下障碍物铺设管线技术正在我国蓬勃发展。为规范我国定向钻进穿越铺设工程施工市场，统一施工技术质量标准，中国非开挖协会参照国内外已有的相关规范和标准，特制定本规范。定向钻进穿越铺设管线工程无论大小，都必须进行设计和施工的质量控制。中国非开挖技术协会

2、希望通过应用本规范，促进我国的定向钻进穿越铺设管线技术水平提高，也使工程承包商的施工效益更高。1.1 目的中国非开挖技术协会推荐本规范用于工程承包商与管线业主进行业务协商、用于工程承包商进行施工管理及其质量、安全控制。1.2 适用范围本规范适用于采用任何机械回转钻进设备进行定向钻进，使各种材质的管道或缆线在障碍物之下穿越铺设的工程施工。技术概述2.技术概述2.1发展与应用始于二十世纪七十年代的定向钻进穿越技术，综合了传统的道路钻孔和地质勘探与油气井定向钻进技术。现在，这项技术已成为一种完善的施工方法。它已用于运输石油、天然气、自来水、污水及其它流体的管线铺设，也用于电力和电讯缆线的导管铺设，除

3、穿越河流和水渠之外，还用于穿越街道、高速公路、铁路、机场跑道、海滩、岛屿、建筑物拥挤的地方、管线通道和运河。2.2优越性在非开挖技术行业中，定向钻进一直是主要的增长领域。目前，在天然气、自来水、电力和电信部门，定向钻进已是一种得到广泛认可的施工工艺，最近由于在施工精度上的改善，定向钻进也被用于污水管和其它重力管线的铺设。定向穿越与其它任何一种施工方法相比，对环境的影响最小，能提供障碍物下管线覆盖的深度最大，因此对管线的保护作用最大，维修费用最小。由于大多数的工作都在道路的两侧进行，因而不会阻断交通。定向穿越还有一个可预测的短期施工计划。更为显著的是，定向穿越在许多情况下比其它施工方法费用更少。

4、2.3技术局限定向钻进穿越铺设管线技术正在全世界广泛推广。迄今为止，定向钻进最长的穿越距离已达到1831米（铺设管径600毫米）。定向钻进用于均质土层的穿越能够取得满意效果，在杂填土、砂卵砾石层、冰渍层和硬岩层中的穿越也越来越多。2.4技术工艺定向穿越铺管普遍采用：首先定向钻进导向孔，然后扩大钻孔，最后拉入铺设成品管的施工技术工艺。2.4.1导向孔 导向孔钻进一般采用小直径全面钻头，进行全孔底破碎钻进。在钻头底唇面上或在钻具上，设置有专门的控制钻进方向的机构。在钻具内或在紧接其后部，安装有测量探头。钻进过程中，探头连续或间隔地测量钻孔位置参数，并通过无线或有线的方式实时地将测量数据发送到地表接

5、收器。操作者根据这些数据及其通过处理这些数据得到的图表，采取适当的技术措施调整孔内控制钻进方向的机构，从而人工控制钻孔的延伸轨迹以达到设计要求。目前常用的孔内控制钻进方向的机构主要有两类：一类是钻头底唇面采用非平衡结构设计，如常见的是带有一个斜面，当钻头连续回转时钻出一个直孔，而保持钻头斜面朝某个方向不回转加压时，则使钻孔发生偏斜。这类方法因需要在不回转条件下破碎孔底，所以在软质的土层大多数采用钻进液喷射辅助破碎，而在硬质的岩层则采用冲击式碎岩方式。另一类是钻具采用弯外管或弯接头，其弯曲方向即决定了钻头的钻进方向。这类方法因钻具弯曲，所以导向钻进中钻杆是不旋转的，钻头破碎孔底的扭矩，来自于钻头

6、后部的孔底动力机，如螺杆马达或涡轮马达。这类方法通常用于钻进岩石等硬地层。2.4.2扩孔 导向孔完成后，必须扩大至适合成品管铺设的直径。一般情况下，扩孔器是在钻机对面的钻头出土处连接于钻杆上，再回拉进入导向孔，随着扩孔器的回扩，要在其后不断地加接钻杆。根据导向孔与适合成品管铺设孔的直径差异大小和地层情况，扩孔可一次或分为多次进行。一般，推荐最终扩孔直径按下式计算： K1式中：适合成品管铺设的钻孔直径成品管外径K1经验系数，一般取K1=1.21.5，当地层均质完整时，K1取小值，当地层复杂时，K1取大值。2.4.3拉管 扩孔完成后，即可拉入需铺设的成品管。管子最好预先全部连接妥当，以利一次拉入。

7、当地层情况复杂，例如钻孔缩径或孔壁垮塌，可能会对分段拉管造成困难。拉管时，应将扩孔器接在钻杆上，然后再通过单动接头连接在管子的拉头上，单动接头可防止管子跟着扩孔器回转，从而保证其能够平滑地回拖进钻孔中。2.5施工设备2.5.1钻机 钻机可据其工作位置分为两类：地表始钻式和坑内始钻式。地表始钻式钻机通常具有行走机构，可方便地迁移。铺管施工时它们可不需要发射坑和接受坑，但管线连接时仍需要开挖。如果要求在地下相同深度连接其它管线，则可能会造成新管的开头几米废弃。地表始钻式钻机有几种桩定方式将钻机锚固在地上，性能完善的钻机桩定系统可以是液压驱动的。一些地表始钻式钻机是整装式的，载有钻进液用搅拌池和泵，

8、以及动力辅助装置、阀和控制系统，有的还配置有一个钻杆自动装卸系统，定长的钻杆装在一个“传送盘”上，随钻进或回扩的过程而自动从钻杆柱上加、减钻杆；也有采用搅拌池和泵等设备分离配置的。钻进液通过钻杆柱内孔泵送到钻头，再从钻杆与孔壁的环空内返回，并把破碎下来的钻屑携带至过滤系统进行分离和再循环。坑内始钻式钻机一般体积较小，施工时在钻孔的两端都需要挖坑，但可在空间受限的地方操作。坑内发射钻机固定在发射坑中，利用坑的前、后壁承受给进力和回拉力。一些设计紧凑的钻机的发射坑，可只比接管所需的坑稍大一点就行。钻杆单根的长度受坑的尺寸限制，这可能对铺设速度和钻杆成本造成影响。2.5.2钻杆 钻杆要求很高的物理机

9、械性能，必须有足够的轴向强度承受钻机给进力和回拖力，足够的抗扭强度承受钻机施加的扭矩；要有足够的柔韧性以适应钻进时的方向改变；还要尽可能地轻，以方便运输和使用；同时，还要能耐磨损与擦挂。2.5.3导向系统 多数定向钻进技术要依靠准确的钻孔定位和导向系统。随着电子技术的进步，导向仪器的性能已有明显改善，能获得相当高的精度。导向系统有几种类型，最常用的如“走过式（walk-over）”系统，它以一个装在钻头后部空腔内的探测器或探头为基础。探头发出的无线电信号由地面接收器接收，除了得到地下钻头的位置和深度外，传输的信号还往往包括钻头倾角、斜面面向角、电池电量和探头温度。这些信息通常也转送到钻机附属接

10、受器上，以使钻机操作者可直接掌握孔内信息，从而据此作出任何有必要的轨迹调整。走过式系统的主要限制，是必须要到达直接位于钻头上部的地面。这一缺陷可采用有缆式导向系统或装有电子罗盘的探头来克服。有缆式导向系统用通过钻杆柱的电缆从发射器向控制台传送信号。虽然缆线增加了复杂性，但由于不依靠无线电传送信号，对钻孔的导向就可以跨越任何地形，并且可以用于受电磁干扰的地方。为使电子元件免受严重动载，一种基于磁性计的导向系统被用于有冲击作用的干式定向钻进上。系统的永久磁铁装在冲击锤体上，当其旋转时即产生磁场，磁场的强度及变化由地表磁力计探测，数据交由计算机处理，从而得到钻头的位置，深度及面向角。2.5.4附助设

11、备 大量的附属和辅助设备在定向钻进施工的成功中仍起着重要的作用。拉管的拉头类型很多，包括压力密封式拉头和专用于定向钻进的改进型拉头。定向钻进拉头的一个重要作用是防止钻进液或碎屑进入成品管道，这对必须无毒的饮用水管特别重要。单动接头是扩孔和拉管操作中的基本构件，应设计成防止泥浆和碎屑进入的密封式轴承。已有的单动接头的承载能力从低于5 t至200 t 以上。可使用“断路式接头”保护成品管，该接头上有一系列在预定载荷下断开的销钉，可根据成品管的允许拉伸载荷断开接头。这种断开式接头不仅减少了疏忽造成损失的风险，而且对那些知道不能超过允许载荷的操作者，也有一种心理作用，不会去试图增大载荷而追求高效率。其

12、它重要的附助设备包括：聚乙烯管焊接机、管道支护滚筒和电缆牵引器。2.6冲洗介质及钻进液多数定向钻机采用钻进液。钻进液可以冷却、润滑钻头，减少磨损；可以软化地层，易于钻进；可以携带碎屑返回工作坑；可以在回扩过程中稳定孔壁；可以在回扩和拖管时润滑管道；还可以在钻进硬地层时为泥浆马达提供动力。钻进液性能取决于其成分和配方。膨润土/水的混合物是常用的钻进液或“泥浆”，它能使携带的岩屑处于悬浮状态，并能通过循环系统过滤。导向孔施工完成后，触变泥浆可保持孔壁的稳定，以便于回扩。在钻进岩石或其它硬地层时，也可用钻进液驱动孔底“泥浆马达”，在这种情况下，需要很高的钻进液流速。一些钻进系统设计采用空气作冲洗介质

13、，故又被称为“干式钻进工艺”。其操作简单，废弃物少，不需要太多的现场设备，但要受到铺管尺寸和地层条件的限制。与完全依赖推进力和回转扭矩不同，干式钻机施工导向孔时采用高频气动锤钻进。与采用钻进液辅助钻进的设备一样，冲击锤前的钻头也有一个斜面，当在某个方位停止回转而冲击钻进时，也可控制钻孔轨迹。铺设小直径的管道、导管或电缆线，可使用直接连接在钻杆上的镶有碳化钨合金齿的锥形扩孔器，这种扩孔器安装有空气喷嘴，气流通过钻杆柱进入，在回扩时高速气流有助于清除钻屑。对于大直径管道铺设，采用气动锤扩孔器，同样在其后部用单动接头连接管道。此时对扩孔起主要作用的是气动锤扩孔器的冲击作用，而不是钻机的回拉力，而且回

14、扩过程中也可无须回转。工程投标指南3. 工程投标指南3.1施工条件3.1.1一般条件评价一项定向穿越工程时，委托方应当提供下列资料：适当比例的地形、地物图纸气象、水文资料（河流水位、潮汐涨落、雨、温度等）地面建筑物资料（房屋、道路、杆塔等）已有地下管线及构筑物图纸（管道、缆线、隧道、人井等）钻进区域的地质情况钻进区域的所有地层情况3.1.2特殊条件对一项工程进行详细评价时，应有下列条目及资料，如取得这些资料需要产生费用，应由工程委托方承担：通道 在管线穿越的两端都需要使用设备，甚至是大型设备，因此应给出施工现场的进出道路的详细资料（如桥梁和道路的重量限制、隧道和桥梁的最大高度等）。为使费用最少

15、，提供的到达穿越两端的通道必须距离已有的道路最近。通常，管线施工的通道需办理道路使用权，所有关于通道的使用许可应由业主提供，在投标文件应当明确这些许可。工作场地 与传统的铺管方法完全不同，定向钻进只需要很小的施工场地。场地大小取决于钻进长度、管柱直径和所钻地层情况。定向钻进穿越工程需要两个分离的工作场地：设备场地（钻机的工作区）和管柱场地（与设备场地相对的钻孔出土点工作区）。设备场地 安放设备和进行施工操作需要充足的工作面积。这个面积应从穿越的入土点开始算起。当设备是可分离的时，由于没有必须的相关位置要求，摆放设备位置也可由一些较小的、不规则的面积组成。如果地面水平、坚实及上方无障碍物，就便于施工操作。因需要大量的水搅拌钻进泥浆，所以附近有水源是必要的。管柱场地 应充分考虑并提供足够长的工作空间便于欲铺设管子的连接。在穿越工程设计时，应尽量设法将欲铺设的管线做到以全长度一次拉入，并尽可能避免水平方向的弯曲。足够的长度可确保回拉铺管的操作过程不被打断，回拉应连续进行，如果回拉时多次连接管线会大大地的增加施工风险。地下水位 当地下水位可能对施工产生影响时，应在设计钻孔