水平定向钻穿越技术在长输管道施工中的应用

王建

摘要：非开挖穿越管道技术是指在地面不开挖沟槽的情况下铺设、修复和更换地下管道的施工技术。与传统的开挖施工相比，非开挖地下管线施工具有不影响交通，不污染环境等优点，非开挖穿越主要包括水平定向钻穿越、顶管穿越、水平螺旋钻、夯管锤等方法。每种施工方法都有各自的适用范围和局限性，所适用的管径大小、管线材料、施工長度、地层和地下水条件以及周围环境各有所不同。本文主要针对长输管线施工中常用的水平定向钻穿越技术做简要概述。

关键词：非开挖 水平定向钻 导向孔 扩孔 回托铺管

1、水平定向钻的特点

水平定向钻穿越技术的优点为：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。不足之处在于对施工场地要求较大，在非黏性土质和砾石层中施工比较困难，一般适用于不含大卵石的各种地层，包括含水地层。水平定向钻穿越技术是一项由多学科、多技术、不同设备集成运用于一体的系统工程，在施工过程中任何一个环节出问题，都可能导致整个工程的失败，造成巨大的损失。

2、水平定向钻的施工原理

水平定向钻进使用一种射流辅助切削钻头，钻头通常带有一个斜面，因此当钻杆不停地回转时则钻出一个直孔，而当钻头朝着某个方向给进而不回转时，钻孔发生偏移。导向钻头内带有一个探头或发射器，探头也可以固定在钻头后面。当钻孔向前推进时，发射器发射出来的信号被地表接受其所接受和追踪，因此可以监视方向、深度和其他参数。一般施工分三步进行：首先钻进导向孔，然后扩孔，最后回拉铺管的施工技术工艺。导向钻进施工示意图如图。

3、施工设备

钻机、钻杆、导向系统、附助设备（拉头、单动接头、安全接头、管道支护滚筒和电缆牵引器、管道顶推装置辅助拉管）、钻进液/泥浆

4、施工场地及布置

4.1施工场地

水平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）和管线场地（与设备场地相对的钻孔出土点工作区）。

（1）设备场地

安放设备、施工操作需要充足的工作面积。一般应保证钻进设备周围具有至少大于钻杆单根长度的操作空间，设备上方应无障碍以保证吊放和防止落物。

（2）管线场地

应提供足够长的工作空间便于欲铺设管子的连接。穿越工程的设计，应尽量设法将欲铺设的管线做到全长度一次性拉入，并尽可能避免水平方向的弯曲。多次回拉连接管线会增加施工风险。

施工场地还应考虑可能干扰钻架或起重机操作的空中设施，以及可能影响设计轨迹线和钻机布置的地下设施。交通高峰期对工作时间的限制也影响施工场地的充分利用。

施工场地还须考虑开挖进、出口坑和泥浆循环池。尽管水平定向穿越对公共设施的破坏最小，但必须告知财产所有者或管理机关，这些坑是定向穿越施工的必要组成部分。

4.2工作坑

进、出口工作坑是非常重要的，进、出口工作坑可有以下功用：

（1） 兼作地层情况和地下管线及构筑物的探坑；

（2） 用作泥浆循环池的组成部分；

（3） 作为连接与拆卸钻具、钻杆、管线的工作坑；

（4） 坑内始钻式钻机的设备安放位置。

4.3泥浆循环池

泥浆循环池由返回池、沉淀池、供浆池三个以上的池组成。池之间由沟槽连接，其间还可有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，一般至少应为1×1×1m，为保证泥浆自由沉淀的效果，沉淀池可大一些或多1～2个。

5、钻进液

钻进液通常是钻进泥浆。钻进泥浆有许多功能，最基本的是维持钻孔的稳定性。另外，泥浆还有携带钻屑、冷却钻头、喷射钻进等功能。钻进液的成分根据底层条件、使用要求作调整。管道与孔壁环状空间里的钻进液还有悬浮和润滑作用，有利于管道的回拖。

钻进泥浆经泥浆泵泵入钻杆，从钻头喷射出来，在经钻杆与孔壁的环状间隙还回地面。钻进液是一种由清水+优质粘土（膨润土）+处理剂（若需要）或清水+少量的聚合物+处理剂（若需要）的混合物。膨润土是常用的泥浆材料，它是一种无害的泥浆材料。

钻进过程中，监控和维持粘度、比重、固相含量等技术参数是极为重要的。当孔内情况有所改变时，可以按需要调整这些参数。

钻进液应在专用的搅拌池中配制。从钻孔中返回的泥浆需经泥浆沉淀池或泥浆净化设备处理后，再送回供浆池，或与新泥浆混合后再使用。常用的泥浆净化方法是分级滤出不同粒径的土屑，如：从孔口返回的泥浆依次通过振动筛、除砂器、沉淀池处理。钻屑增加钻进液的固相含量，固相含量必须始终控制在30%以下，这样才能保证堵塞钻孔。

作为环保施工技术，对非开挖水平定向钻进的钻进液进行适当处理可避免在地表不能存放钻进液的问题。使用后的膨润土泥浆（不含有害处理剂）最常用的处理方法是散布在田野里，用后的膨润土泥浆散布在田地、牧场或管线周围，对工程承包商和土地主人都是有利的。预先设计好泥浆处理技术可降低实际处理成本。

6、钻进过程

钻进过程分三步：导向孔、扩孔、回托铺管。

6.1导向孔

进导向孔是水平定向穿越施工的最重要阶段，它决定铺设的管线的最终位置。导向孔钻进采用小直径全面钻头，进行全孔底破碎钻进。在钻头底唇面上或钻具上，安装有专门的控制钻进方向的机构。在钻具内或在紧接其后部位，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收器。操作者根据这些数据及其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轨迹，达到设计要求。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。钻头在出口处露出地面，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，可能要拉回钻杆，重新钻进钻孔的偏斜部分。当出口位置满足要求时，取下钻头和相关钻具，开始扩孔和回拉。

6.2扩孔

导向孔完成后，必须将钻孔扩大至适合成品管铺设的直径。在钻机对面的出口坑将扩孔器连接于钻杆上，再回拉进行回扩，在其后不断地加接钻杆。不同地层应采用不同的扩孔器。刮刀扩孔器用于软土层；筒形扩孔器用于混合土；镶嵌硬质合金块的牙轮扩孔器用于岩石层。扩孔器的类型和地层条件直接影响扩孔速度。采用与地层相匹配的扩孔器和适当的钻进液流量是扩孔施工的关键，可节约资金和时间。同径铺设时，导向孔完成之后，可直接回拖铺管。但是，大多数导向孔需要扩孔，将孔径扩至能铺设管道。终孔孔径一般应为管线外径的1.2～1.5倍。地层情况复杂时，扩孔直径越大越好；但是，孔徑越大，维持孔壁稳定越困难。应考虑钻进液和钻屑返回的环空间隙和铺设管线的弯曲半径。根据要求的终孔直径和土层条件，扩孔可一次或多次完成。

6.3回拖铺管

扩孔完成后，即可拉入需铺设的成品管。管子预先全部连接妥当，以利于一次拉入。当地层情况复杂，如：钻孔缩径或孔壁垮塌，可能对分段拉管造成困难。拉管时，应将扩孔器接在钻杆上，然后通过单动接头连接到管子的拉头上，单动接头可防止管线与扩孔器一起回转，保证管线能够平滑地回拖成功。准备回拉的管线应在出口一侧连接并进行检测。如果铺设的是钢管，推荐将钢管放在滚筒上以减少摩擦力，保护管线的涂层。对于高强度聚乙烯管通常不需要这个工序。钻杆使用一个拉头或拉钩和一个单动接头与铺设管连接，单动接头用于防止管线回转，并拧坏管线。也可将扩孔器安装于拉头与钻杆之间，以确保钻孔畅通，回拉时，可向孔内泵入润滑液。

拉管和其后的测试试验（静水压测试、定径清管器、密封测试）等工作完成后，应清理管线现场和设备现场。这项工作包括排除入口坑和出口坑中的钻进液，并回填这些工作坑。

7、结论

随着国家天然气管道工程的进一步开展，以及城市用户的不断开发，水平定向钻作为一项高效安全的新技术将会得到越来越广的应用。性能优良的设备、合理的施工工艺、科学的施工组织和有效的施工措施是工程顺利完成的主要因素，水平定向钻穿越施工会存在一定的工程风险性，因此必须不断的补充、完善、掌握好这项新技术。

参考文献：

[1] 李山水、刘宝林、王鹏.水平定向钻进管线铺设工程技术规范.中国非开挖技术协会，2001

[2] 颜纯文、蒋国盛、叶建良.非开挖铺设地下管线工程技术.上海科学技术出版社，2005

[3] 张伟、王鹏.现代非开挖地下管线施工方法及适用范围，地质与勘探，1998