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1、非开挖水平定向钻技术在施工中的应用第一章前言随着现代文明意识和环保意识的逐渐加强，开挖路面进行各类地下管线施工导致的社会问题，交通问题和环境污染问题已越来越受人民的关注，城市限制开挖施工的法规将陆续出台，这里介绍的就是用来进行非开挖施工的水平定向钻穿越施工技术。采用水平定向钻穿越技术进行管线穿越施工，是城市市政建设和电气化管网改造，通讯光缆敷设和穿越大中小型江河，湖泊以及不可拆迁建筑物的最佳选择，是不破坏地貌状态和保护环境的最理想的施工方法。近几年水平定向钻穿越技术在世界各国及各个行业得到了广泛的应用，尤其在环保和市政管网改扩建项目及大型管道穿越江河工程项目上更显出了其独特的优势，其工作过程是
2、通过计算机控制进行导向和探测，先钻出一个与设计曲线相同的导向孔，然后再将导向孔扩大，把产品管线回拖到扩大了的导向孔中，完成管线穿越的施工过程。第二章水平定向钻穿越施工工艺使用水平定向钻机进行管线穿越施工，一般分为二个阶段：第一阶段是按照设计曲线尽可能准确的钻一个导向孔；第二阶段是将导向孔进行扩孔，并将产品管线（一般为PE管道，光缆套管，钢管）沿着扩大了的导向孔回拖到导向孔中，完成管线穿越工作。第一节钻导向孔要根据穿越的地质情况，选择合适的钻头和导向板或地下泥浆马达，开动泥浆泵对准入土点进行钻进，钻头在钻机的推力作用下由钻机驱动旋转（或使用泥浆马达带动钻头旋转）切削地层，不断前进，每钻完一根钻杆
3、要测量一次钻头的实际位置，以便及时调整钻头的钻进方向，保证所完成的导向孔曲线符合设计要求，如此反复，直到钻头在预定位置出土，完成整个导向孔的钻孔作业。见图一：钻导向孔。第二节预扩孔和回拖产品管线一般情况下，使用小型钻机时，直经大于200毫米时，就要进行预扩孔，使用大型钻机时，当产品管线直径大于Dn350mr时，就需进行预扩孔，预扩孔的直径和次数，视具体的钻机型号和地质情况而定。回拖产品管线时，先将扩孔工具和管线连接好，然后，开始回拖作业，并由钻机转盘带动钻杆旋转后退，进行扩孔回拖，产品管线在回拖过程中是不旋转的，由于扩好的孔中充满泥浆，所以产品管线在扩好的孔中是处于悬浮状态，管壁四周与孔洞之间
4、由泥浆润滑，这样即减少了回拖阻力，又保护了管线防腐层，经过钻机多次预扩孔，最终成孔直径一般比管子直径大200mm所以不会损伤防腐层。见图二：预扩孔和图三：回拖管线。1.5 导向孔不仅要避开地下管线，而且要留有足够的安全距离。调查地下管线的深度和位置时的数值只是一个估值，有误差，导向测量有差值，扩孔时钻头会自动修直，有差值，三种差值叠加，钻头伤其管线。设计导向孔时，要留出安全距离来抵消三种差值。安全距离一般取1米米，最少要0.5米。穿越河流时，水面下的导向孔尽量设计成水平孔。水面导向困难，一般采用盲钻或半盲钻。导向孔距离河底面至少3米。水流坡度大，河床易改变，导向孔要加深。穿越铁路时，导向孔距离
5、铁路路基面至少4米，如果扩孔直径大，深度再加深。以确保铁路安全，穿越铁路时采用盲钻或半盲钻。穿越高速公路时，导向孔距离路面至少4米，扩孔直径大，深度应加深。穿越高速公路时采用盲钻，防止发生交通事故。在三层楼层下铺管时，导向孔深度不低于5米，如果扩孔直径大，又是软地层，导向孔深度应加深。在视线不良的地区导向，如居民住宅区、作物区、地势不平地区施工，应在穿越路线设点，用来控制导向精度。第二节导向孔设计注意事项查清地下隐埋物后，在地下管线分布图上设计导向孔曲线。绘制导向孔平面图和剖面图，实际施工时，一般小型工程不绘图，导向员心中有数。导向孔设计必须同时满足三个要求：一是尽量满足甲方要求，二是避开地下
6、隐埋物，三是满足施工工艺要求。导向孔设计不能同时满足上述三个要求，修改导向孔设计方案。无法修改导向孔设计方案，只有修改三个要求。导向孔设计的重要参数：定点：确定铺管的出入土孔口位置，严格讲要求测量标定铺管出入土点的坐标，备齐完整资料存档。入土角：钻机导轨与地面夹角，即钻头入土角。钻头入土角常取0220，铺设钢管常取0120。出土角：钻头钻出地面的斜度。出土角常取0180，铺设钢管时常取080。第三节定向钻进的优点2. 1泵，保证新铺管线不受损坏；不必挖掘工作井，可铺装直径为100mm-1000m的各种材质的管线；钻进设备采用集成式设计，安装快速安全；具有最大扭矩和独特设计的钻进系统可对付各种地
7、质，绝无卡钻问题；特殊设计的形钻头可随时调整钻进的方向、绕避障碍物；一体式钻杆可为钻进各种地质提供足够的强度和韧度；钻杆自动装卸系统，可使操作效率更高，工作更安全；导向定位系统可测至30.5m深度，确保施工路线准确无误；施工快速，一次钻进最长可达500米的距离；适于铺料各种不同材质工程管线。第四章水平定向钻进中扩孔、清孔、铺管技术难点第一节扩孔技术难点一、卡钻卡钻是扩孔中常见技术的难点，遇到卡钻，分析判明原因后处理。1、与地下管线相碰卡钻，退出钻头，拖回钻杆，钻机移位，重做导向孔。2、杂填土中的砖块、石块卡钻：松脱扭矩，转动钻头，缓慢扩孔；杂填土中的大块石、混凝土块卡钻：设法退出钻头，钻机移位
8、重做，或者挖出石块，继续扩孔。切莫蛮干，否则会扭断钻杆，将钻具丢失孔内。403、大直径钻头扩孔，遇到硬粘土层，造成频繁卡钻，放慢扩孔速度，加大泥浆量，有时回拖一根钻杆，需要分钟。4、钻头与树根相遇卡钻，松脱扭矩，缓慢回扩，通过树根后又给进重新回扩，将树根粉碎，以防铺管时有障碍。二、缩径软土层扩孔，孔内容易产生缩径现象。钻杆卸下后，孔内水从钻杆倒流出，说明孔内严重缩径。缩径严重时，被铺管会受到挤压变形，甚至卡死被铺管。遇到严重缩径，选用固相泥浆护壁，使孔内压力平衡，保持成孔。或加大一级钻头扩孔，再清孔铺管。选用硬度较高，抗侧压力强的PEPVC管材。如果轻微缩径，一般多清一次孔即可铺管。三、坍孔沙
9、质粘土层、沙层、松散回填土层扩孔易坍孔，坍孔埋钻、卡钻、卡死被铺管，造成路面裂缝下陷。选用固相泥浆、重胶质固相泥浆护壁，可有效地防止坍孔。如果是块石堆积处坍孔，只有将块石清除后方可继续扩孔。四、钻孔膨胀黏土层，昔格达底层遇水膨胀：在这类地层钻孔铺管，成孔后，孔内土层膨胀，孔内泥屑增多，孔径变小，被铺管易拉扁。选用优质无固相护壁，泥浆失水少，减少孔壁与水接触。扩大一级扩孔，多清两次孔，可有效防止地层膨胀，挤压铺管。五、泥浆漏失在松散的回填土层，地下水位较低，沙质粉土层、粉土层、沙层、河床底的软土层，沙层扩孔。泥浆不从孔口返出，而从孔内漏失，增大泥浆浓度和粘度，在孔壁形成泥皮阻漏，有效地防止泥浆漏
10、失。在穿越河流时，泥浆漏失而又无法阻漏就顺其自然。六、扩孔效率钻机的扭矩越大转速越高，扩孔效率越高，在钻机的额定扭矩和转速条件下，扩孔效率与被扩孔土层，扩孔钻头，扩孔泥浆质量和泥浆量有直接关系。要提高扩孔效率，必须搞清楚土层结构和土质成份，选择适应切削该土层的高效钻头，调配好适应该土层的泥浆和合理泥浆量，进行扩孔，扩孔效率高。第二节清孔技术难点一、泥浆渗出在扩孔回拖铺管时，常见泥浆从孔中渗出地面。泥浆渗出的原因，一是扩孔铺管孔中残留泥屑过多阻塞钻孔，泥浆无法从孔口返出，泥浆在孔中形成高压而从地面渗出。二是地层松散，给泥浆留出通道，泥浆顺其通道渗出地面。一般的情况泥浆从地面渗出无关紧要，在一些特
11、定的环境中要特别留意，泥浆不可以从居民房中渗出，不可以从养鱼、养虾、养蟹池中渗出。防止泥浆渗出措施是增加钻孔深度，原设计深度6米可增加至9米，原设计深度9米可增加至12米。改善钻头结构，尽可能将钻孔中的泥屑搅成泥浆，同时适量增大泥浆的粘度、浓度和流量，增加泥浆的护壁、悬浮和排屑能力。钻孔中形成完整通道，泥浆畅通无阻地从孔口返出。二、停钻不停泥浆在回拖铺管过程中，经常因各种原因要停钻，如中途焊接管，中途修补防护层，市政干扰。要停钻回拖铺管，停钻不能停送泥浆，让泥浆在孔内继续循环，防止增加被铺管回拖力，防止埋管。尤其是沙质地层，停钻更不能停泥浆。如果被迫停泥浆，在停钻前送入又粘又浓的泥浆，再停送泥
12、浆，重新钻后，开泵送泥浆十分钟，泥浆从孔口返出良好后，再回拖铺管。第三节铺管技术难点一、流沙流沙层扩孔，孔扩后不能形成完整的孔，而且流沙具有吸附力特性，给被铺管造成阻力。选用重胶质固相泥浆，放慢回扩速度，让泥浆与流沙充分乳化，流沙悬浮孔内，消除流沙吸附力。在铺管时，流沙随泥浆从钻孔中流出。二、管子变形黏性强的地层扩孔，粘土形成块状残留在孔内，很难把它搅成泥浆。铺管时，泥块堆积挤压，管子受挤压变形。铺管前多清一次孔再铺管。管子变形量少，试通合格。管子变形量大，拖出管子修复，不能修复作报废处理。三、管子卡死孔内残留的泥块多，坍孔，缩径易造成被铺管子卡死在孔内。在卡死前，回拖压力表逐步上升，见到表针
13、上升时，暂停或放慢回拖速度，加大泥浆量，可避免管子卡死。管子卡死后，调推土机、挖土机将管子拖出。重新清孔铺管。第五章工程实例一、工程概况杭州群龙非开挖工程有限公司承接湖南星大建筑股份有限公司在东莞市石碣镇崇焕东路拟建的东莞市石碣镇沙腰汗水处理厂载污主干管工程，辅设巾500PE（外径为巾580mm管333米。杭州群龙非开挖工程有限公司是专门从事地下管线非开挖铺管工程技术施工的企业，现有二台ZT-25型钻札能承建1000mm以下的钢管和PE管的水平导向敷管工程。我公司使用此项技术已在上海、深圳、安徽、山东、特别是杭州各城市完成约六万六千多米地下管线的敷设工程，取得了显著的社会效益和经济效益。该工程
14、主要通过的地层为：0-2.3米为人工填土，湿,松散,主要由粘土回填，上部含有少量的建筑垃圾，局部含有少量生活垃圾，上部20厘米左右为混凝土路面；2.3-3.7米为粉质粘土，很湿,可塑状,以粉细粒、粘粒为主，含少量粉砂;3.7-8.0米为细砂、中砂，饱和，松散，颗粒均匀，分选性差.5.2.1 二、施工技术方案、地下原有管线勘测运用英国雷迪公司RD4OOO-T10型管线仪，在所辅管施工范围内，对地下原有管线的位置、走向、深度进行探测。探测方法：经过踏勘找出所有可能涉及到的管道井盖，工作人员首先打开井盖，下井观察管线大致情况如走向等，然后用管线仪发射器连接所要查的管线，地面用管线接收机接收信号来确定
15、管线的位置、走向及深度同时作好记录并画出管线草图。A9-3号井有一条底深2米的污水管道与拟设路线垂直交叉，A9-8、A9-7井位与原有雨水管道重合，A9-6、A9-5、A9-4、A9-3井位此同时离原有雨水管道边缘均小于20厘米。5.2.2 、工作坑开挖及支护管线查清后，参照管线图纸进行钻孔轨迹设计。根据设计要求，然后开挖工作坑。入土工作坑大小约为3m（长）x1.5m（宽）x1.5m（深）,出土工作坑大小为5m（长）x1.5m（宽）x1.5m（深）以便下钻，靠钻机一头的检查井大小为3m（长）x3m（宽）x3.6m（深）（工作坑的开挖深度一般与上下游节点拟辅管道的设计深度吻合。如工作坑的深度超过
16、3.6米应采取支护。、先导孔施工阶段先导孔的施工是整个工程施工的关键阶段，它决定管线穿越位置的科学与合理性，必须要考虑到580mmPE管的物理特性及最小弯曲半径。为了拉管时管头能顺利入孔，因此导向的出土角应控制在15度以内，而入土角也不宜过大，应为控制在18度左右。因扩孔直径为900mm且大曲率半径钻进（非开挖施工聚乙烯管道的最小弯曲曲率半径一航为100-300D）,又由于施工处地质比较理想，因此管材的最小弯曲曲率半径设为185D即126米。钻导孔时，以不损坏路基路面、原有管道和影响交通为前提，钻孔轨迹依据查完管线之后的实际情况进行设计。580PE管的弯曲曲率半径按185D即126m上表是以实际可以施工的最小曲率半径结合出入土序号穿越深度（m曲率半径（m所需水平距离（m出入口斜度（
