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1、马保松马保松 教授教授/博导博导 中美联合非开挖工程研究中心中美联合非开挖工程研究中心 China-U.S. Joint Center for Trenchless R&D 中美联合非开挖工程研究中心中美联合非开挖工程研究中心 China-U.S. Joint Center for Trenchless R&D 中国地质大学中国地质大学(武汉武汉) 美国国家非开挖工程研究中心美国国家非开挖工程研究中心（路易斯安娜路易斯安娜工业工业大学大学，TTC） 美国地下设施研究与教育中心美国地下设施研究与教育中心（德克萨斯大学德克萨斯大学，UTA） 美国亚利桑那州立大学美国亚利桑那州立大学（ASU） 美国
2、印第安纳大学美国印第安纳大学-普渡大学普渡大学（IUPUI） 美国合作教授美国合作教授/Guest Professors Dr. Mohammad Najafi 美国土木工程师学会美国土木工程师学会 管线工程分会主席管线工程分会主席，主任主任 Dr. Ray Sterling 国际非开挖协会前国际非开挖协会前 主席，美国路易斯主席，美国路易斯 安娜理工大学教授安娜理工大学教授 Dr. Tom Iseley 美国非开挖技术“之父”美国非开挖技术“之父” 美国普渡大学教授、主任美国普渡大学教授、主任 Dr. Sam Ariaratnam 国际非开挖协会主席国际非开挖协会主席 美国亚利桑那州立大美国
3、亚利桑那州立大 学教授学教授 科学研究和工程技术咨询服务领域：科学研究和工程技术咨询服务领域： 非开挖新管道建设技术（包括水平定向钻进、顶管和非开挖新管道建设技术（包括水平定向钻进、顶管和 微型隧道技术、夯管技术等；微型隧道技术、夯管技术等； 地下管道非开挖修复、更换技术；地下管道非开挖修复、更换技术； 地下管网的安全管理与评价。地下管网的安全管理与评价。 人才培养：人才培养： 非开挖管道工程领域博士后、博士、硕士（工程硕非开挖管道工程领域博士后、博士、硕士（工程硕 士）、本科生和各类技术人员培训等。士）、本科生和各类技术人员培训等。 研究和服务领域研究和服务领域 1.1.马保松马保松主编，国
4、家工程建设行业标准城镇排水管道非开挖修 复更新工程技术规程，2013年将由住建部批准发布，中国建 筑工业出版社 2.2.马保松马保松主编，安徽省工程建设标准给排水工程顶管技术规程 DB34/T1789-2012，已颁布 3.3.马保松马保松主编，中国工程建设标准化协会标准水平定向钻管道 穿越技术规程（市政管道），计划于2013年颁布实施 4.4.马保松主编马保松主编，非开挖工程学, 人民交通出版社，2008.11 5.5.马保松主编马保松主编，顶管施工技术及验收规范, 人民交通出版社， 2007.2 6.6.马保松马保松等编著，顶管和微型隧道技术, 人民交通出版社，2004 7.7.马保松参编
5、马保松参编，ASCE Pipe Ramming Manual of Practice （美国 土木工程师学会夯管施工技术手册），美国土木工程师学会， 2007 主要成果 代表性著作代表性著作 一、HDD技术的研究与应用 1.1 油气管道穿越 1.2 水利管道工程 1.3 市政管道工程 （一） HDD的工程应用 干线：全长4900公里，管径1219毫米， X80钢，输量300亿方/年；以中卫为界 分东西两段，西段长2434公里，设计 压力12兆帕，东段长2476公里，设计 压力10兆帕。 支干线：8条，全长约3665公里。 合计投资合计投资377亿元，全长亿元，全长2445公里公里 中石油集团“
6、十二五”期间将建设油气管中石油集团“十二五”期间将建设油气管 道道5.4万公里，是“十一五”期间的两倍。万公里，是“十一五”期间的两倍。 河南焦作沁河穿越工程河南焦作沁河穿越工程 原设计：管径：原设计：管径：1524mm （60in），穿越长度：），穿越长度：1827m 最终方案：两条最终方案：两条1016mm（40in），穿越长度：），穿越长度：1827m 市政管道工程-HDD的重大机遇 包括：市政供水、排水、燃气、 热力、通讯、电力管道等。 “十二五十二五”期间我国市政管道规划期间我国市政管道规划 在国家城镇供水、污水处理、城镇燃气在国家城镇供水、污水处理、城镇燃气“十二五十二五”发展发展
7、规划中明确提出：规划中明确提出：“十二五十二五”期间，新建城镇供水管网期间，新建城镇供水管网18.53万公里，新建城镇污水管网万公里，新建城镇污水管网15.9万公里，新建城万公里，新建城镇燃气管网镇燃气管网25万公里，共计万公里，共计68.66万公里，这其中还未万公里，这其中还未包括城镇雨水管网和城镇集中供热管网建设。由此可包括城镇雨水管网和城镇集中供热管网建设。由此可推测，推测，“十二五十二五”期间，我国城镇市政管网建设量预计期间，我国城镇市政管网建设量预计将达到将达到8090万公里万公里（不含通信、电力、热力等）（不含通信、电力、热力等）。 HDD工程面临的挑战工程面临的挑战 Challe
8、nges？ 1. 地层的精确勘地层的精确勘 察及工艺与地层察及工艺与地层 的适应性问题。的适应性问题。 钻孔泥浆漏失钻孔泥浆漏失 泥浆的稳定性泥浆的稳定性 钻进效率钻进效率 钻具磨损钻具磨损 钻孔稳定钻孔稳定 6. 如何预防和解如何预防和解 决冒浆问题决冒浆问题 大型大型HDD面临的挑战面临的挑战/Challenges？ 大型大型HDD的安全施工长度和最大管道直径？的安全施工长度和最大管道直径？ 如何选择最优的工艺参数，泵压、泵量、钻进速度？如何选择最优的工艺参数，泵压、泵量、钻进速度？ 岩屑运移的基本规律及环空的合理流速？岩屑运移的基本规律及环空的合理流速？ 钻机的能力及与钻具的合理配套？钻
9、机的能力及与钻具的合理配套？ 如何防治地面冒浆问题？如何防治地面冒浆问题？ 如何预防管道失效和损坏？如何预防管道失效和损坏？ 合理的钻头结构及与地层的适应性？合理的钻头结构及与地层的适应性？ 合理的扩孔程序设计？合理的扩孔程序设计？ 2.1 推管机辅助技术 为钻机提供额外动力 定向钻机 推管机 为长距离的穿越提供额外的动力为长距离的穿越提供额外的动力 推管机安装在管线工地，为回拖助力。 适合长距离、大直径和有困难地层的项目。 可用于施救、支援和管道安装。 为长距离的穿越提供额外的动力为长距离的穿越提供额外的动力 400吨钻机和吨钻机和500吨推管机吨推管机 500吨推管机施救吨推管机施救 2.
10、2 大直径HDD反循环技术 管道直径越来越大管道直径越来越大 508mm(20inch) 610mm(24inch) 813mm(32inch) 1016mm(40inch) 1219mm(48inch) 1422mm(56inch) 特大井孔、超低流速、高岩屑浓度下的携砂难题特大井孔、超低流速、高岩屑浓度下的携砂难题 西二线干管直径为1219mm，钻孔 直径需要扩至1600mm超大环状间 隙； 产生大量的钻屑； 环状空间泥浆流速非常低，甚至 低到只有0.01m/s，远远小于有 效排出钻屑的最小临界流速； 形成特大井孔、超低流速、高岩 屑浓度下的携砂难题。 钻孔直径=（510）钻杆直径 水平定
11、向钻施工难度越来越大水平定向钻施工难度越来越大 特大井孔、超低流速、高岩屑浓度下的携砂难题特大井孔、超低流速、高岩屑浓度下的携砂难题 地层的窜浆问题地层的窜浆问题 工程风险大，由于孔内渣土很难清除干净，易造成管道工程风险大，由于孔内渣土很难清除干净，易造成管道 回拖失败；回拖失败； 由于孔内沉渣较多，泥浆中沙土含量较大，易造成钻具由于孔内沉渣较多，泥浆中沙土含量较大，易造成钻具 磨损严重、扩孔扭矩过大，出现卡钻和钻具折断等工程磨损严重、扩孔扭矩过大，出现卡钻和钻具折断等工程 事故；事故； 需要进行多次洗孔作业，消耗大量需要进行多次洗孔作业，消耗大量高质量的高质量的泥浆材料；泥浆材料； 对施工工
12、艺要求严格。对施工工艺要求严格。 反循环钻孔技术的发展反循环钻孔技术的发展 联邦德国在1951年成功地采用泵吸反循环钻进法。此后 钻孔的直径、深度、适用地层和应用领域不断扩大，施 工技术迅速发展。 如荷兰于19541959年钻成两口孔径75m、深506和 512m的竖井； 苏联于19601964年由直径3m的导向孔一次扩孔钻成直 径875m的竖井； 美国所钻大口径孔的最大深度达1960m。 反循环技术的突出优越性反循环技术的突出优越性 反循环钻进泥浆在钻杆中心通道中具有较高的上返流速（可反循环钻进泥浆在钻杆中心通道中具有较高的上返流速（可 达达2 2- -4m/s4m/s），能有效地解决孔底钻
13、进重复破碎岩屑的问题。），能有效地解决孔底钻进重复破碎岩屑的问题。 可高效清除整个钻孔中的每一处钻渣，不留死角。可高效清除整个钻孔中的每一处钻渣，不留死角。 反循环清渣系统使用的是沙石泵，对泥浆中的含沙量几乎没反循环清渣系统使用的是沙石泵，对泥浆中的含沙量几乎没 有要求，携带钻渣反出孔外的泥浆只需稍加沉淀即可重复使有要求，携带钻渣反出孔外的泥浆只需稍加沉淀即可重复使 用。用。 可大大减少泥浆的使用量。可大大减少泥浆的使用量。 可大幅度降低对泵站设备配置的要求。可大幅度降低对泵站设备配置的要求。 可大大提高管道回拖的安全性。可大大提高管道回拖的安全性。 水平定向钻反循环钻进施工中不会出现泥浆窜漏
14、和地面冒浆水平定向钻反循环钻进施工中不会出现泥浆窜漏和地面冒浆 问题。问题。 采用采用反循环反循环技术排出的岩块技术排出的岩块 一种水平定向钻管道穿越反 循环钻进方法及专用钻头 一种孔内驱动式水平定向钻 反循环扩孔钻头 2.3 PDC扩孔钻头的推广应用 PDC扩孔钻头的优越性扩孔钻头的优越性 钻头耐磨性好，寿命长，可提高钻进速度，减钻头耐磨性好，寿命长，可提高钻进速度，减 少更换扩孔钻头次数。少更换扩孔钻头次数。 钻头坚固性好，没有牙轮、轴承等运动部件。钻头坚固性好，没有牙轮、轴承等运动部件。 重量比传统扩孔器轻。重量比传统扩孔器轻。 穿过式冲洗结构可保证钻渣有效排除和回扩施穿过式冲洗结构可保
15、证钻渣有效排除和回扩施 工的顺利进行。工的顺利进行。 可铺设的管道直径增大，扩孔级数减少。可铺设的管道直径增大，扩孔级数减少。 钻顶结合技术的优越性 地层适应性很广地层适应性很广，包括水平定向钻难以施工的于松散包括水平定向钻难以施工的于松散-密密 实沙砾石层实沙砾石层（50%砾石含量砾石含量85%重量比重量比）、松散松散-密密 实的卵砾石地层以及含有大量孤石或障碍物地层实的卵砾石地层以及含有大量孤石或障碍物地层。 一次性铺设管道一次性铺设管道，管道本身可以起到支撑作用管道本身可以起到支撑作用，不用考不用考 虑因不稳定地层坍塌掉块而引起的事故虑因不稳定地层坍塌掉块而引起的事故。 环形空间小环形空
16、间小，对上部地层影响小对上部地层影响小 一次性铺设管道一次性铺设管道，施工速度快施工速度快 不用施工工作井不用施工工作井(和顶管技术相比和顶管技术相比) 曲线管段牵引导向简单曲线管段牵引导向简单 大型大型HDD发展趋势发展趋势 1.1.钻机大型化：最大钻机大型化：最大10001000t t回拖力；回拖力； 2.2.穿越距离不断创纪录：英国穿越距离不断创纪录：英国39003900m m，国内国内33003300m m 3.3.管径不断增大：管径不断增大：15241524mm(mm(设计设计) )，18001800mm(mm(成功穿成功穿 越越，距离较短距离较短），极限极限？ 4.4.管道穿越深度大：兰郑长长江穿越：江底下管道穿越深度大：兰郑长长江穿越：江
