第四章 管道穿跨越工程本章内容n定向钻管道穿越n顶管法管道穿越n盾构n大开挖n跨越工程第一节 定向钻敷管穿越 一、概述 n主要用于穿越河流、湖泊、铁路、公路和山体或建（ 构）筑物等障碍物n定向钻施工:先施工一个导向孔，随后扩孔和管道回拖 n有时多次扩孔后再回拖n定向钻进中，多数工作通过回转钻杆来完成，钻机的 扭矩与轴向给进力和回拖力同样重要n优点为：对地表的干扰较小；施工速度快；可控制铺 管方向，施工精度高 n不足之处：对施工场地要求较大，在砾石层中施工比 较困难，一般不适用于成孔困难的地层 二、定向钻管道穿越 n1．一般规定 n（1）适宜于穿越的地质条件有：粘土、亚粘土、成孔条件好的 砂层和软岩石层等n（2）穿越管道中心线与地下管线、通信线路或动力电缆间的垂 直距离（采用有线控向系统）应大于15m避免地下管线和电缆 产生的磁场干扰地下仪表单元的传感器，使测量误差增大n（3）在穿越长度和工艺条件允许的情况下，穿越管道曲率半径 应尽量取大一些，曲率半径以1500D为宜（D为穿越管道的结构 外径尺寸），以避免回拖阻力增大曲率半径的选择要综合考虑 管道的埋深、管径和穿越范围内是否存在河堤等因素。
n（4）穿越的入土角和出土角应根据穿越地形、地质条件和穿越 管段管径的大小来确定，一般入土角控制在7°～13°，出土角控 制在4°～9°为宜；目前最大入土角可达28°，出土角可达15°二、定向钻管道穿越n1．一般规定 n（5）定向钻穿越施工前，应有地质详勘报告，地质详 勘报告至少提供以下资料：平面图、地质剖面图、取 样深度、含水量、饱和度、颗粒度、标准贯入数、液 性指数、塑性指数、液限、塑限等，有岩石层需提供 岩芯采收率、无侧压极限应力、岩石硬度和强度n（6）定向钻穿越堤坝或建（构）筑物前，应征得有关 部门同意，并采取适当措施以保证堤坝或建（构）筑 物的安全n（7）为保护防腐层和减少回拖力，可以在管道内加装 充水塑料内管，减少管道上浮力，同时减少了穿越管 道的回拖力n（8）应验算穿越管线的管子刚度，保证施工过程中不 失稳 2．定向钻系统组成 n钻机系统n控向与造斜系统n钻具n泥浆系统n回拖系统n动力系统n辅助系统 （1）钻机系统 n底座n钻机架n活动卡盘n控制室底座 n其上有行程齿条轨道、人行 道、扶手栏杆等n底座后底部有支撑腿，其上 端与底座铰链联结，下端与 钢垫块相连，垫块座落在地 面上或固定在专用拖车上。
n底座上配有两个液压管钳（ 卡盘），一个固定在底座前 端，另一个可以沿底座两侧 滑轨前后移动，从而实现钻 杆的螺纹连接与拆卸n后支撑腿高度可调，从而可 以改变入土角度 钻机架 n带有行程驱动系统，由 齿轮与钻机底座内侧的 齿条啮合n它由液压马达通过齿轮 副驱动，在底座上前进 后退n全部液压马达的驱动均 配有刹车、起动弹簧、 液压断开装置等n钻机架的主要作用是为 导向孔的钻进提供顶力 、为管道回拖提供拉力 活动卡盘 n安装在钻机架前端， 由液压马达驱动，通 过控制系统控制，可 以使钻杆产生不同的 转速和扭矩 控制室 n有各种控制仪表、显示仪表和计算机系 统，用以控制钻机架和转盘的速度与方 向，远程控制泥浆泵，远程操作管钳（ 卡盘）可对钻机推拉力、转盘扭矩和 泥浆泵的压力排量进行调节 （2）控向与造斜系统 n有线控向和无线控向 n无线控向只适用于短距离、浅层穿越， 配合中小钻机使用，其特点是控向方便 ，准确，但受穿越深度和地形的限制， 一般使用较少 n有线控向适用于长距离、深层穿越，配 合大型钻机使用 有线控向n有线控向系统主要包括三部分：探头、控向软件和联 接转换设备 n探头用于测量磁方位角和井斜角。
探头结构主要由一 个三轴磁强计、一个三轴重力加速计、数模转换器和 计算电路部分组成三轴磁强计用于测量磁场矢量， 三轴重力加速计用于测量重力场矢量 n控向软件用于计算探头所在位置的里程、高程和左右 偏差值控向软件依据磁场矢量算出磁方位角，依据 磁场矢量和重力场矢量算出井斜角 n联接转换设备是将探头在井下测量的数据传输到地面 ，提供给计算机中的控向软件 地面信标系统 n有线控向系统的精确度依靠当地地磁场的变化 n有较大的钢构件（桥梁、钢板桩、其他管线等 ）、电力线路等时，就会影响当地的地磁场， 造成计算机反映的磁偏角与实际不符，左右出 现偏差n地面信标系统(Tru-Trucker system)就是在管 道穿越的中心线上加一个人工、可计量的磁场 来消除不稳定因素造成的磁场变化对控向仪器 的影响因为该磁场是稳定可控的，所以能最 大限度地提高导向精度 造斜与纠偏 n造斜短接（造斜弯节）和造斜偏 块 n造斜短接是两端有斜口和螺纹的 短管节，装在钻头后面n钻进时，若只给进而不旋转钻杆 ，作用于造斜短接上的反力使钻 头改变方向，实现造斜钻进；若 同时给进和旋转钻杆，造斜短接 失去方向性，可实现保直钻进。
n造斜偏块是加在钻头后面钻杆上 的半圆形金属块，它的工作原理 是改变钻杆受到的侧向力而造斜 n当地质条件是岩石时，在造斜短 接与钻头之间，需安装泥浆马达 驱动钻头旋转，切削岩石 （3）钻具 n常用的钻具有：钻头、泥浆马达和钻杆 n常用的定向钻钻头有：铣齿钻头、牙轮钻头和 金刚石钻头，它的外径比钻杆的外径要大； n泥浆马达可以有效地减小钻头前进所需的推力 ；n定向钻所使用的钻杆与普通钻井用钻杆相同 钻具的合理组合n1）钻杆直径愈大， 其受压时稳定性越好 n2）在钻杆中间加上 扶正器，并在扶正器 上开几个小水眼 n3）长距离导向孔的 钻进过程中，钻导向 孔最好使用泥浆马达 和大钻头 （4）泥浆系统 n作用：护壁、携砂、润滑 n用于：①水力喷射切割、② 给泥浆马达提供能量、③润 滑钻头、④携带钻屑到地面 、⑤固孔防塌 n泥浆系统：泥浆配制容器、 泥浆泵、泥浆管线、泥浆回 收池和泥浆回收系统组成n泥浆回收系统由振动筛、除 砂器和除泥器组成，用于分 离出钻屑等固体杂物，便于 泥浆的回收利用 经验n在导向孔通过粘土层时，采用4%土加0.1%的水平定 向钻携砂剂和0.1%的水平定向钻增粘降失水剂，使定 向钻孔在这种地层基本上能有规律地完成。
n在粉土和淤泥地层，在预扩孔和回拖以及洗孔阶段， 采用5%土加0.1%的水平定向钻携砂剂和0.1%的水平 定向钻增粘降失水剂，保证这些工序顺利完成n在粘土层的预扩孔阶段，采用5%土加0.3%的水平定 向钻增粘降失水剂n在淤泥地层的预扩孔阶段，采用5%土加0.05%的水平 定向钻携砂剂和0.2%的水平定向钻增粘降失水剂n在全部为砾石层的情况下，采用6%土加0.03%的水平 定向钻携砂剂和0.15%的水平定向钻增粘降失水剂 （5）扩孔与回拖系统 n回拖要充分考虑泥浆、扩 孔直径、扩孔井壁条件， 科学设定回拖力n常用的扩孔器：桶式扩孔 器、带导流槽的桶式扩孔 器、板式扩孔器和飞旋式 扩孔器 桶式扩孔器桶式扩孔器n对地层的挤压作用使 其十分适用于易塌方 和可塑地层，同时它 具有良好的清孔能力 ，因而应用十分广泛 飞旋式扩孔器 n角度十分陡直，切割刀 口的长度非常短，因此 其阻力和旋转所需的能 量小，切削能力较强n由于这种形式的扩孔器 不挤压土层，所以在车 道、人行道以及担心会 破裂的街道底下进行钻 进工程时，是理想的选 择n它比较适用于不塌方且 不易鼓泥包的地层扩孔 飞旋式扩孔器 板式扩孔器 n具有较好的切削能力， 能极好的混合钻屑和泥 浆，并且能让泥浆自由 流过。
n对于大直径扩孔，由于 自身重量过重而导致扩 孔器有逐渐下沉的趋势 ，从而恶化了孔道成形 质量n大尺寸扩孔时，应与桶 式扩孔器同时配套使用 ，此时桶式扩孔器起到 扶正器的作用 板式扩孔器 岩石扩孔器 n用于岩石地带的扩孔 作业，其上有多个破 岩牙轮和水射流孔岩石扩孔器 回拖n在扩孔完成后马上进行 ，回拖系统的连接方式 为管线+卸扣+活接+ 钻杆n回拖时在钻机的拉力和 泥浆的润滑作用下，主 管道从一岸沿导向孔回 拖至另一岸 回拖系统连接方式 （6）动力与辅助系统 n柴油机、液压泵和发电机n主要作用是为钻机、泥浆泵提供高压油 ，以驱动各部分的液压马达，同时为计 算机、照明和空调设备提供电源n主要辅助设备有：起重机、单斗挖掘机 、推土机和管道施工设备等 3．定向钻管道穿越施工程序 施工准备测量放线安装钻机钻导向孔预扩孔管道发送回 拖泥浆处理管线组装恢复（1）施工占地与施工准备 n1）施工占地n① 定向钻施工占地包括钻机场地、管线场地 、蓄水池及泥浆池占地、管线焊接占地n② 钻机安装场地的大小根据钻机型号而定 泥浆池和蓄水池占地根据管径的大小、场地 及地质情况而定，尽量节约用地n③ 在出土点一端，应根据管道中心轴线、占 地宽度和长度（为穿越设计曲线管道长度加 50m），本着节约用地的原则，放出管道场 地、泥浆池占地及管道焊接占地边界线，并 标出拖管车出入场地路线和地点。
n④ 管道预制应在穿越中心线上，如地形不允 许，从出土点起200m后方可弯曲，弯曲半 径应不小于1500D（D为管子结构外径尺寸 ） 定向钻机场地示意图 出土作业场地示意图 2）施工准备 n修筑施工便道n平整场地n仪器设备的检查维护n施工辅助用料的准备n钻机锚固系统 修筑施工便道n根据穿越地点的地理环境，在施工场地 （入土点与出土点）与公路主干线之间 修筑施工便道，施工便道的承载能力应 不低于最重车辆或设备的重量，并在适 当位置找一开阔地平整压实，以方便车 辆调头进入钻机场地 平整场地n在入土点，以穿越中心线为中线，平整场地， 安放钻机、泥浆系统、钻杆和泥浆池等；n在出土点平整作业场地，安放钻杆、钻具、挖 掘机和泥浆池，设置合适大小的管线预制作业 带在合适位置开挖泥浆池、废浆池等收集废 弃泥浆n根据穿越地段的地质情况及管径长度，配备一 定数量的泥浆罐，准备好泥浆用料，并妥善保 管好各类泥浆用料和油品，防止污染施工工地 及水源 仪器设备的检查维护n主要针对钻机系统、钻具、泥浆系统、 控向系统进行，检查各仪器设备是否运 转良好 钻机的锚固 n如果钻机在推拉过程中发生了移动，其推拉力不但会降低，而 且可能会出现孔内功率损失，这时会出现钻机的全部功率作用 在钻机机身上，容易发生设备破坏和人员伤害。
如果钻机本身 的固定能力差，一方面，钻机的控制能力降低，从而导致无法 很好地按预定的计划完成钻进工作；另一方面，钻机在运转过 程中振动较大，会引起钻杆发生弯曲或损坏，使钻孔无法按预 先设计的轨迹完成 钻机下所垫钢板地锚墙和混凝土12米长1.8米深，0.5米厚钢箱挡板管桩连接槽钢（2）测量放线 n按照设计确定出的管道穿越中心线、入土点、 出土点，在入土点侧测出钻机安放位置、地锚 箱、泥浆池、占地边界等；n在出土点侧测出焊接管道中心线及泥浆池位置 、占地边界等；n现场测量完成后，技术人员要及时编写施工计 划、方案及措施，并向施工人员进行技术交底 （3）安装钻机 n1）钻机一般应安装在入土点和出土点的 连线上钻机导轨与水平面的夹角与设 计的入土角相等n2）钻机应安装牢固、平稳，经检验合格 后进行试运转n3）应对控向系统进行准确调校，调校的 基准参数应存入计算机内 （4）钻导向孔 n泥浆通过钻杆推动装在钻杆前的钻头破 土钻进，泥浆从钻杆和钻孔的间隙返回 泥浆罐 操作要点 1）液压起重机将钻杆吊上钻台，固定在能在钻台上移动 的活动卡盘上，钻杆的前端连接钻头，后端与泥浆管 路连通开动泥浆泵后，泥浆推动钻头向前钻进，活 动卡盘和钻头同步向前移动。
2）当活动卡盘移动到钻台前部的固定卡具时，卸开钻杆 接头向后移动活动卡盘，能放上一根钻杆（9.5m）时 ，吊上另一根钻杆，进行接加钻杆，接头安装卸开均 靠前端卡具固定钻杆，活动卡盘的正反转动来完成， 然后继续钻进 操作要点n3）钻头的入土角为7°～13°，出土角为4°～9°特殊 情况下，沿管线出、入土点的地面管道中。