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1、定向钻进管线穿越施工工法文本陈志龙、应群勇、王玲才、何山腾达建设集团股份有限公司方远建设集团股份有限公司1定向钻进管线穿越施工工法1 前言1.0.1 城市地下管线的敷设或更换工程需进行路面开挖施工，对社会交通和环境带来了较大的影响，日益受到社会普遍的关注。近年发展起来了一项新技术，即非开挖定向钻进管线穿越技术，在地下管线的施工中发挥了越来越重要的作用。1.0.2 我公司20062008 年期间在上海市轨道交通6 号线港城路车辆段33A 标工程、上海浦东国际机场扩建工程南区给水泵站工程、上海虹桥综合交通枢纽市政道路及配套1标段工程施工中应用了定向钻进穿越管线施工工法，与传统开挖施工方法相比，定向
2、钻进管线穿越技术具有不影响周边环境、不影响交通、施工方便、综合施工费用低、施工周期短、地表不受损坏等优点。通过上述三个工程的实践总结，其施工工艺已基本成熟，并在所应用的工程中获得了较好的经济效益和社会效益。2 工法特点2.0.1 对地表干扰少：采用本工法在城市敷设的管网埋深可达到3m 以上，穿越河流时，一般可埋深在河床下918m，不影响地貌、植被、环境或周边建（构）筑物。2.0.2 本工法施工精度较高，易于控制和调整被敷设管线的方向和埋深，管线弧形敷设距离长，操作简易方便。2.0.3 本工法以非开挖的形式进行地下定向穿越施工，大多数工作都在道路的两侧进行，因而不会阻断交通，具有施工占地少、周期
3、短、投入人员少、工程造价低、不受季节限制、施工安全可靠等特点。经济效益和社会效益显著。3 适用范围3.0.1 适用于穿越道路、铁路、建（构）筑物、河流等不允许或不宜以开挖形式进行的管线敷设，施工管径为50600mm；敷设长度为200300m；管材为PE 管、HDPE 管、PVC管或钢管的燃气、电力、给排水、通讯线路等地下管道敷设施工。4 工艺原理4.1 基本原理：设计出一个适合于地质土层结构和环境的钻孔轨迹（一般为曲线），先2用定向钻机在土体中钻一个导向孔，钻进过程中，由导向跟踪仪和计算机进行导向、定位控制。待先导钻具在被穿越障碍物的另一端露出后，在钻具的端部换接上大直径的扩孔钻头，并依次接上
4、直径小于扩孔钻头的待敷管线，然后回拖钻杆，在扩孔的同时，将待敷管线拉入钻孔（有时根据钻机的能力和待铺设管线的直径大小，可通过多级扩孔后再回拖管线），从而完成管道穿越的铺设施工（图4.1）图4.1 非开挖铺管导向钻进示意图图（4.1）定向钻进管线穿越施工示意图4.2 导向孔轨迹的设计4.2.1 导向孔轨迹设计应按地质条件、设计平面位置、埋深和地下管线的影响，以及钻杆和管材的弯曲半径等，根据设计文件和现场勘察结果进行。4.2.2 导向孔的轨迹一般由三段组成：第一造斜段、直线段和第二造斜段（图4.2.2-1）。直线长度为管线穿越障碍物的实际长度，第一造斜段为钻杆进入铺管位置的过渡段，第二造斜段为钻杆
5、出露地表的过渡段。导向孔的轨迹由以下几个基本参数决定：图（4.2.2-1） 导向孔的设计：两个造斜段1) 穿越起点B；32) 穿越终点C；3) 铺管深度h；4) 第一造斜段的曲率半径R1；5) 第二造斜段的曲率半径R2。R1 和R2 主要由钻杆的曲率半径和待铺设管线的允许弯曲半径决定,选择时以曲率半径大的为设计依据。计算公式（4.2.2-1）、（4.2.2-2）：式4.2.2-1式中：R 钻杆钻杆的曲率半径（m）。D 钻杆钻杆外径（m）。式4.2.2-2式中：RPE铺设管线的最小曲率半径（m）；E铺设管线的弹性模量（MPa）；DPE待铺设管线的外径（mm）；PE待铺设管线的弯曲强度（MPa）。
6、以上五个参数确定后，其它各项参数均可用计算法来确定。计算公式（4.2.2-3）、（4.2.2-4）由下述公式分别计算出1、2、L1和L2： ( )1/ 21 1 L = h 2R h 式4.2.2-3 1/ 21 1 = 2arctg h(2R h) ( )1/ 22 2 L = h 2R h 式4.2.2-4 1/ 22 2 = 2arctg h(2R h)由计算法得出各参数之后， 还应考虑下列因素对入口倾角和出口倾角的限制：钻杆钻杆 R = 1200DPEPEPER ED20=4钻机倾角的可调范围是限制入口倾角的主要因素，一般钻机的倾角可在1045之间调节。对小直径的钢管，考虑到管道的焊接
7、问题，出口倾角2 一般应控制在015内；对于PE 管一般控制在030以内。对大口径钢管，因弯曲半径2 太大，L2 增大，一方面使导向孔距离增长，另一方面也浪费管材， 因此一般用开挖下管工作坑来代替第二造斜段（图4.2.2-2）图（4.2.2-2 ） 导向孔的设计：一个造斜段4.3 定向钻穿越公路、铁路、河流、地面建筑物时，最小覆土深度应符合专业规范要求；当专业规范无特殊要求时，最小覆土深度应符合表4.3 的规定。表4.3 最小覆土深度项目深度城市道路与路面垂直净距1.5m公路与路面垂直净距1.8m；路基坡角地面以下1.2m高速公路与路面垂直净距2.5m；路基坡角地面以下1.5m铁路路基坡角处地
8、表下5m；路堑地形轨顶下3m；0 点断面轨顶下6m河流一级主河道百年一遇最大冲刷深度以下3m二级河道河底最低标高以下3m，最大冲刷深度以下2m地面建筑根据基础结构类型，经计算后确定。注：最小覆土深度还应大于拖拉管管径56 倍以上。5 施工工艺流程及操作要点5.1 定向钻进管线穿越施工工法工艺流程（图5.1）5图（5.1 ）定向钻进管线穿越工艺流程图5.2 施工操作要点5.2.1 现场施工准备：1 测量、定位：先按施工区域及路径范围初步定出钻孔中线和地表走向，测量中心线地面的海拔高度或相对高度，并根据要求的铺管深度初步确定导向孔的造斜长度和入射点位置、铺管长度、下管位置。2 穿越河流的铺管工程应
9、测量河道周围的地形地貌、河床底部形态和水流情况。3 勘察或复核施工场地地下管线和设施的平面位置、走向、埋深（或高程）、规格、性质、材质等情况，并编绘地下管线走向图，设置安全距离，以防止施工对管线和设施的影响。4 设备进场前，应先做好场地平整和清洁工作。对场地推平、碾压，并设断面不小于0.3m0.3m 的排水边沟，以便现场施工。设备及材料存放场地应高出自然地面不小于150 。由于穿越施工时需要大量的淡水供搅拌泥浆用，施工现场应临近水源或自行解决水源。5 设置钻机工作区：场地面积根据钻机设备大小确定，一般约需30m 宽，长45m 的面积。该面积应超过入土点位至少3m 以上，6 设置管线场地与钻孔出
10、土点工作区：为便于连接与铺设成品管道，管线场地一侧总长度（场地的总长度应为穿越管道长度再加上适当的管线拖拉操作距离）应以能置放所需穿越钻机选择、安装与调试挖入土（出口）工作坑泥浆（钻液）配制钻导向孔扩孔回拖铺管施工现场清理、恢复现场施工准备6的管道，宽度应满足管道施工的需要（一般为1218 米）。7 设置泥浆循环池：泥浆循环池一般由三个以上的坑池组成，从孔口算起依序是返回池、沉淀池、供浆池。坑池之间有供泥浆流动的沟槽连接，其间设置泥浆净化设备或装置。泥浆循环池的大小根据泥浆返回量的多少确定，但一般应至少为111m，为保证泥浆自由沉淀的效果，沉淀池可大一些或多12 个。8 导向控制仪器、泥浆设备
11、等机具进场后应进行检查、调试，确保设备安全运行。5.2.2 钻机选择、安装与调试1 钻孔设计终孔口径、弯曲强度、铺管长度等，根据它们的大小通过以推拉力和最大输出扭矩性能为主要技术参数，按设计要求进行选择。考虑钻孔复杂情况，所选择的钻机能力应不小于计算所需的1.3 倍以上。2 最大回拖力应大于回拖管段自重的12。3 钻机应具有良好的连续工作性能，以避免施工中途停钻而发生故障。4 按入土点、入土角度并结合现场实际情况使钻机准确就位，定向钻机设置应符合下列要求：1）钻机应安装在管道中心线延伸的起始位置。2）调整机架方位至设计的钻孔轴线。3）调整机架钻机倾角至轨迹设计规定的入土角。4）钻机安装后，起钻
12、前应用锚杆锚固，满足钻机回拖力支撑要求。土层坚硬和含水率低时，宜用直锚杆；土层较软时，宜采用螺旋锚杆。5.2.3 挖入土（出口）工作坑，按设计入土点、出土点位置挖掘长约4.0m、宽1.5m、深1.5m 并配有发送沟（道）的工作坑。用于设置泥浆循环池和连接、拆卸钻具、钻杆、管线的工作坑的作业面。5.2.4 泥浆（钻液）配制1 泥浆指水和膨润土或聚合物的混合物，有时还需加入某些处理剂主要用于钻进施工中的冷却、润滑钻具、护壁和悬浮携带岩屑。其应按设计要求进行现场试配，使用成品泥浆的，泥浆进场后应按设计要求进行验收并检查产品合格证。2 泥浆用量的经验估算：施工时可根据下列经验公式（5.2.4）进行初步
13、计算每分钟泥浆用量、回拖时工程所用泥浆总量等相关参数：7Q=(D2 /13)*K*104 式5.2.4式中：Q-泥浆用量(升/米)；D-回扩头直径(米)；K-系数，通常在25 之间，根据土质条件的不同从中选择，如：在粘性土壤中K 取23，而在砂石或泥浆漏失严重的地质条件下，K 取45。以上计算值为初步估算值，实际应用时泥浆用量比估算值稍大。5.2.5 钻导向孔1 分别将探头装入探头盒内，导向钻头连接到钻杆上；转动钻杆，测试探头发射是否正常；回转钻进2m 左右；开始按设计轨迹进行导向孔钻进施工。2 导向仪器由探头、手提式地面跟踪仪和同步显示器组成。接收器接收并显示探测数据，同步显示接收器探测的数
14、据，同步显示接收器应置于钻机旁。3 钻杆钻入后，安装在钻头腔室内的信号发射器发出导向钻头的准确位置状态和造斜面方向参数，手提式地面跟踪仪进行跟踪测定。操作人员应根据探测的数据比对设计钻进轨迹并对偏离值进行修正。4 导向孔每钻进一根钻杆应以地面跟踪仪测量一次，以确定钻头的位置。对有地下管线、关键的出口点或调整钻孔轨迹时，应增加测量点，将测量数据与设计轨迹进行比较，确定下一段要钻进的方向。5 钻头在出口处露出地面后，测量实际出口是否在误差范围之内。如果钻孔的一部分超出误差范围，应拉回钻杆，重新钻进钻孔的偏斜部分。当出口位置符合设计要求时，取下钻头和相关钻具，开始扩孔。5.2.6 扩孔：1 当敷设管
15、直径等于或小于导向孔直径时，导向孔完成之后可直接回拖铺管。2 当导向孔需进行回扩时，在钻具端部换接上回扩器进行扩孔，扩孔次数可根据钻机回转压力及回拖压力以及土层工况条件分数次进行。终孔孔径一般为管线外径的1.21.5 倍。3 扩孔钻头（扩孔器）小眼孔正常喷浆时，方能开始扩孔，严禁干扩。由钻机转盘带动钻杆旋转后退，进行扩孔回拖，边扩孔边打入泥浆。在扩孔过程中应严格控制扩孔速度，扩孔速度应控制在830mm/min 以内。4 扩孔时，边扩孔边打入泥浆，视旋转压力及回拖压力逐渐加大扩孔级别。5 扩孔结束后，可进行洗孔作业（清理一遍或多遍钻孔，使孔内保持通畅）。在扩孔过8程中，如果发生扭矩、拉力突然增大
16、情况时，应考虑进行洗孔作业；洗孔结束后，再继续进行扩孔。5.2.7 回拖铺管1 回拖前，应完成管道拼接作业，内容包括：按相应设计管道规范所规定的焊接质量、管道吹扫、通球及试压等检验和检测。2 根据地形地貌及铺管长度、材质、管径等因素，开挖发送沟（道）或设置钢托架。3 当回拖管径大于1m 时，宜进行回拉时浮力控制：在发送沟内注满水，用吊管机将拼接完毕的穿越管段放入发送沟中，使整个管段在沟中处于悬浮状态。4 管道连接：将成品管线两端封闭，在管段端部焊上拖拉头。将钻杆、扩孔器、旋转接头、U 型环、拖拉头依次连接；5 管线回拖前，试喷泥浆，检查扩孔器水咀是否通畅，泥浆压力是否正常，一切正常后，开始回拖。回拖作业时严格控制泥浆压力、旋转扭矩、回拖力，密切注意管线回拖情况，直至管线在钻机侧出土。6 回拖时，可向孔内泵入润滑液，并在待回拖管线下，每间隔25m 摆放1 个托辊，以便回拖中起到减阻护壁
