论文部分内容阅读
【摘 要】 近年来，在市政管道工程中,非开挖水平定向钻的应用越来越多。与其他管线施工方法相比，水平定向钻具有不开挖路面、不阻断交通、不影响环境、工程造价低、施工速度快等优点。本文以水平定向钻施工技术为研究对象，对其进行简要分析。
【关键词】 市政工程；非开挖施工；水平定向钻
【中图分类号】 TU741.1 【文献标识码】 A【文章编号】 1727-5123（2011）02-082-03
近几年，随着我国经济的快速发展和城市化建设的不断推进，城市地下管线建设逐年增加。在城市地下管线施工中，因开挖路面进行各类地下管线施工而导致的社会问题、交通问题和环境污染问题日趋凸显。与其他管线施工方法相比，水平定向钻具有不开挖路面、不阻断交通、不影响环境、工程造价低、施工速度快等优点。本文以非开挖水平定向钻穿越施工技术为介绍对象，简要分析非开挖施工中水平定向钻的工作原理、施工工艺、施工要点。
１定向钻工作原理
水平定向钻的工作原理是根据预先设计好的铺管线路，驱动装有契形钻头的钻杆从地面钻入，地面仪器接收由地下钻头内传送器发出的信息，控制钻头按照预定的方向绕过地下障碍物直达目的地，然后卸下钻头换装适当尺寸和特殊类型的回程扩大器，使之能够在拉回钻杆的同时将钻孔扩大至所需直径，并将需要铺装的管线同时返程牵回钻孔入口处。在整个工作中，钻孔混合液（膨润土、水、气的混合物）不断地从钻头的钻口嘴喷出，用以润滑钻头、钻杆和加固钻道，以提高整个工程的工作效率。水平定向钻工作示意图如图１．１～图１．３所示。
２定向钻适用范围
水平定向钻适用于城市道路、高速公路、立交桥、铁路、河流及其他不宜进行大开挖施工地段的柔性管道穿越工程。定向钻穿越管道直径范围为Φ５０~１０００ｍｍ，常用管道直径为ＤＮ３００、ＤＮ４００、ＤＮ５００、ＤＮ６００。
水平定向钻施工中常用管道的弯曲半径Ｒ取值有钢管：Φ４００以下Ｒ≥１２００Ｄ；Φ４００~６３０，Ｒ≥１２５０Ｄ；６３０~１０１６，R≥１５００Ｄ（Ｄ为钢管直径）。ＰＥ管：采用Φ５０ｍｍ钻杆时Ｒ≥３０ｍ，Φ６３．５ｍｍ钻杆时Ｒ≥５０ｍ，Φ７３ｍｍ钻杆时Ｒ≥６０。
３定向钻施工
３．１施工前准备工作。水平定向钻施工前应根据所敷设管道的管径尺寸，计算出管道孔的扩孔次数及每次回扩所需回扩器的规格，每次回扩的级差宜控制在１００~１５０ｍｍ。其次，根据每段管道钻进的实际情况，应在管道的起点处设置一个工作面，在管道的终点处设置一个接收面。工作面和接收面占用面积因根据定向钻的机械型号确定。
３．２定向钻钻孔轨迹设计。水平定向钻的钻孔轨迹线段由造斜直线段、曲线段、水平直线段组成。造斜段水平距离Ｌ，可按式３－１及式３－２计算确定。
３.５.１导向孔施工。导向孔施工是成孔的关键，根据图纸中管道设计标高通过计算确定导向孔的入土角度和造斜段水平距离，使施工钻孔轨迹接近设计轨迹线。导向孔钻进过程中，应注意井眼的返浆情况并做好记录。以便准确判断钻进过程中的地质情况，为预扩孔提供可靠数据，导向孔的施工是否符合设计要求，直接影响工程质量。根据钻进过程中记录的数据仔细分析所钻进的线路中是否存在回填土，以便及时调整施工工艺及应对措施。另外，在导向孔施工过程中，导向技术人员要确保曲线偏移不能超越规定设计范围，每根钻杆间的角度变化也要得到严格控制，确保导向孔高质量完成。
３.５.２各级预扩孔。导向孔完成后，技术人员应根据操作人员的原始记录并与原设计轨迹线相核对，再次复核导向孔的质量。在导向孔符合质量要求的情况下，取下导向钻头，接上分动器，接上反扩钻头，即可进行回拉扩孔。设计回拉扩孔次数根据设计管径确定。一般情况下扩孔级数分别为Φ１６０ｍｍ、Φ３５０ｍｍ、Φ４５０ｍｍ、Φ６００ｍｍ。增加扩孔级数，更能保证成孔的质量，扩孔时应视地层的不同选择不同类型的反扩钻头。同时根据地层情况选择泥浆配方，一般情况下，地质粘质成份多，可用清水和刮刀钻头扩孔，自然造浆，保持孔壁稳定。如果所穿越地层中含砂量高，则必须选择优质泥浆，用膨润土进行泥浆护壁处理，使泥浆达到一定黏度，失水量降低，同时能抑制地质土体的分化，保持孔壁稳定。扩孔直径符合铺管要求时，扩孔即告结束。
３.５.３清孔。扩孔结束后，用终孔清孔器两次清孔。清孔时应注意泥浆比重，保证泥浆质量。机械操作人员应注意仪表的变化，以此判断孔内情况。并作好记录，技术人员根据记录的数据，分析清孔的效果如何，决定能否铺设管材。
３.５.４回拖管材。当钻孔清孔达到铺管要求后，需进行回拖前准备，复查管材质量以及搬运过程中有无损伤，管材焊（连）接是否符合规定要求，检验完毕后，方能铺设。操作人员控制钻机的拉力和速度，确保所铺设管材不受损害。回拖产品管材时，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。
3.6管道施工。
３.６.１HDPE聚乙烯平壁管接口焊接质量应符合下列要求：①对接热熔焊焊缝焊接力学性能不低于母材；②对接热熔接后应形成凸缘，且凸缘形状大小均匀一致，无气孔、鼓泡和裂缝；接头具有沿管材整个圆周平滑对称的翻边，翻边最低处不低于管材外表面；对接错边量不大于管材壁厚的10%，且不大于3；③管道内壁凸缘必须处理平整。
３.６.２管道接口应不渗漏泥水。
３.６.３控制井内管道口连接应密封牢固，洞口不应渗漏泥水。
３.６.４管道水力坡度应符合设计要求。控制井处管道平面位置、管内底标高应进行复测。两段拖拉管交叉处应能在控制井内顺利连接。
4定向钻施工要点
4.1导向孔钻进施工要点①钻机必须先进行试运转，确定各部分运转正常后方可钻进；②第一根钻杆入土钻进时，应采取轻压慢转的方式，稳定钻进导入位置和保证入土角；且入土段和出土段应为直线钻进，其直线长度宜控制在20左右；③钻孔时应匀速钻进，并严格控制钻进给进力和钻进方向；④每进一根钻杆应进行钻进距离、深度、侧向位移等的导向探测，曲线段和有相邻管线段应加密探测；⑤保持钻头正确姿态，发生偏差应及时纠正，且采用小角度逐步纠偏；钻孔的轨迹偏差不得大于终孔直径，超出误差允许范围宜退回进行纠偏；⑥绘制钻孔轨迹平面、剖面图。
4.2扩孔施工要点：①从出土点向入土点回扩时，扩孔器与钻杆连接应牢固；②根据管径、管道曲率半径、地层条件、扩孔器类型等确定一次或分次扩孔方式；分次扩孔时每次回扩的级差宜控制在100150，终孔孔径宜控制在回拖管节外径的1.21.5倍；③严格控制回拉力、转速、泥浆流量等技术参数，确保成孔稳定和线形要求，无坍孔、缩孔等现象；④扩孔孔径达到终孔要求后应及时进行回拖管道施工。
4.3回拖施工要点：①从出土点向入土点回拖；②回拖管段的质量、拖拉装置安装及其与管段连接等经检验合格后，方可进行拖管；③严格控制钻机回拖力、扭矩、泥浆流量、回拖速率等技术参数。
4.4定向钻施工的泥浆(液)配制要点。①导向钻进、扩孔及回拖时，应及时向孔内注入泥浆(液)；②泥浆(液)的材料、配比和技术性能指标应满足施工要求，并可根据地层条件、钻头技术要求、施工步骤进行调整；③泥浆(液)应在专用的搅拌装置中配制，并通过泥浆循环池使用；从钻孔中返回的泥浆经处理后回用，剩余泥浆应妥善处置；④泥浆(液)的压力和流量应按施工步骤分别进行控制。
5工程实例
5.1工程概况。南京市铁北污水处理系统一期工程厂外部分经五路污水管道工程位于南京市栖霞区南京经济技术开发区新港污水处理厂西侧，北临恒通大道，西南临近新生圩港铁路专用线。该工程管道全长4399m，其中开槽施工段为3262m，水平定向钻施工段为1137m。污水管管材分为DN400、DN500，管材种类分为HDPE管、玻璃钢夹砂管和实壁PE管。
5.2施工准备。
５.２.１进场前准备。地下管线探测了解有关地下已有管线和其它埋设物的位置，为设计钻进轨迹提供依据。根据现场实际情况解决施工用电、用水。
５.２.２主要设施设备。采用国产TY-25B铺管钻机,另配功率为15KW的不停钻射流循环泥浆搅拌系统，可快速制备钻进用泥浆；操纵台全功能数字仪表显示，独立的液压系统。钻机的主要技术参数如下：
5.2.3 施工平面布置。根据每段管道钻进的实际情况，在管道的起点设置一个工作面，在管道的终点设置一个接收面。工作面需占用场地面积为12×4m，接收面需占用12×4m的场地做焊接管的入点，并作为下段管道钻进的工作面。
5.2.4材料准备。管道生产厂在产品出厂时应附带质量保证书。管材进场后,堆放在现场附近,并设专人看护。
5.3定向钻施工。
５.３.１施工测量。施工前通过全站仪沿地面上拉管的中心线每3米设置一桩（有障碍物的除外），并沿拉管的中心线撒好白灰线且测出桩高程，计算桩高程与设计拉管流水面的高差。
５.３.２导向钻进。钻机就位后，调整钻机导向杆到略高于设计管位中心高程的位置。在导向钻头中安装发射器，通过地面接收器，测得钻头的深度、鸭嘴板的面向角和钻孔顶角等参数，将测得参数与钻孔轨迹进行对比，以便及时纠正。
５.３.３扩孔。根据现场地质情况，采用刮刀式扩孔器。扩孔器尺寸为铺设管径的1.2～1.5倍。本工程选用的国产TY-25B铺管钻机有混合搅拌、泵送系统。施工中将水、膨润土、聚合物等加入混合仓，进行充分搅拌形成钻液。然后由钻液泵将钻液通过中空钻杆输送至孔底钻头，并与孔中钻屑混合形成泥浆在孔底流动。扩孔时只需将泥浆池内的泥浆通过钻机泵送系统随时向孔内补充。
５.３.４拉管。经五路拉管段所用管材为De600 PE管，其重量为71kg/m，单次最大拉管长度为122m，管道倾斜角度为10°。在焊缝和管道强度检验合格后，即进入拉管施工阶段。先用现场制作的“PE管封套”将管头密封，然后在管头后端接上回扩头，管后接上分动器进行接管，将管子回接到工作井后，卸下回扩头、分动器、取出剩余钻杆，堵上封堵头，进行水压试验。
6结束语
水平定向钻技术是一种环境影响低、工程造价低、施工速度快的非开挖施工技术。它具有实用性强、适用面广、效益好等特点。相信在我国未来的城市地下管线工程中，定向钻技术将得到越来越多的运用。
参考文献
1《给水排水管道工程施工及验收规范》.GB 50268-2008
2刘灿生等.市政管道工程施工手册.北京：中国建筑工业出版社出版，2010
3刘灿生.给水排水工程施工手册.北京：中国建筑工业出版社出版，2002
4王健中.管道工程施工工艺规程.北京：中国建筑工业出版社出版，2010
5孙仪琦.管道工程施工技术规程.北京：中国建筑工业出版社出版，2010
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
【关键词】 市政工程；非开挖施工；水平定向钻
【中图分类号】 TU741.1 【文献标识码】 A【文章编号】 1727-5123（2011）02-082-03
近几年，随着我国经济的快速发展和城市化建设的不断推进，城市地下管线建设逐年增加。在城市地下管线施工中，因开挖路面进行各类地下管线施工而导致的社会问题、交通问题和环境污染问题日趋凸显。与其他管线施工方法相比，水平定向钻具有不开挖路面、不阻断交通、不影响环境、工程造价低、施工速度快等优点。本文以非开挖水平定向钻穿越施工技术为介绍对象，简要分析非开挖施工中水平定向钻的工作原理、施工工艺、施工要点。
１定向钻工作原理
水平定向钻的工作原理是根据预先设计好的铺管线路，驱动装有契形钻头的钻杆从地面钻入，地面仪器接收由地下钻头内传送器发出的信息，控制钻头按照预定的方向绕过地下障碍物直达目的地，然后卸下钻头换装适当尺寸和特殊类型的回程扩大器，使之能够在拉回钻杆的同时将钻孔扩大至所需直径，并将需要铺装的管线同时返程牵回钻孔入口处。在整个工作中，钻孔混合液（膨润土、水、气的混合物）不断地从钻头的钻口嘴喷出，用以润滑钻头、钻杆和加固钻道，以提高整个工程的工作效率。水平定向钻工作示意图如图１．１～图１．３所示。
２定向钻适用范围
水平定向钻适用于城市道路、高速公路、立交桥、铁路、河流及其他不宜进行大开挖施工地段的柔性管道穿越工程。定向钻穿越管道直径范围为Φ５０~１０００ｍｍ，常用管道直径为ＤＮ３００、ＤＮ４００、ＤＮ５００、ＤＮ６００。
水平定向钻施工中常用管道的弯曲半径Ｒ取值有钢管：Φ４００以下Ｒ≥１２００Ｄ；Φ４００~６３０，Ｒ≥１２５０Ｄ；６３０~１０１６，R≥１５００Ｄ（Ｄ为钢管直径）。ＰＥ管：采用Φ５０ｍｍ钻杆时Ｒ≥３０ｍ，Φ６３．５ｍｍ钻杆时Ｒ≥５０ｍ，Φ７３ｍｍ钻杆时Ｒ≥６０。
３定向钻施工
３．１施工前准备工作。水平定向钻施工前应根据所敷设管道的管径尺寸，计算出管道孔的扩孔次数及每次回扩所需回扩器的规格，每次回扩的级差宜控制在１００~１５０ｍｍ。其次，根据每段管道钻进的实际情况，应在管道的起点处设置一个工作面，在管道的终点处设置一个接收面。工作面和接收面占用面积因根据定向钻的机械型号确定。
３．２定向钻钻孔轨迹设计。水平定向钻的钻孔轨迹线段由造斜直线段、曲线段、水平直线段组成。造斜段水平距离Ｌ，可按式３－１及式３－２计算确定。
３.５.１导向孔施工。导向孔施工是成孔的关键，根据图纸中管道设计标高通过计算确定导向孔的入土角度和造斜段水平距离，使施工钻孔轨迹接近设计轨迹线。导向孔钻进过程中，应注意井眼的返浆情况并做好记录。以便准确判断钻进过程中的地质情况，为预扩孔提供可靠数据，导向孔的施工是否符合设计要求，直接影响工程质量。根据钻进过程中记录的数据仔细分析所钻进的线路中是否存在回填土，以便及时调整施工工艺及应对措施。另外，在导向孔施工过程中，导向技术人员要确保曲线偏移不能超越规定设计范围，每根钻杆间的角度变化也要得到严格控制，确保导向孔高质量完成。
３.５.２各级预扩孔。导向孔完成后，技术人员应根据操作人员的原始记录并与原设计轨迹线相核对，再次复核导向孔的质量。在导向孔符合质量要求的情况下，取下导向钻头，接上分动器，接上反扩钻头，即可进行回拉扩孔。设计回拉扩孔次数根据设计管径确定。一般情况下扩孔级数分别为Φ１６０ｍｍ、Φ３５０ｍｍ、Φ４５０ｍｍ、Φ６００ｍｍ。增加扩孔级数，更能保证成孔的质量，扩孔时应视地层的不同选择不同类型的反扩钻头。同时根据地层情况选择泥浆配方，一般情况下，地质粘质成份多，可用清水和刮刀钻头扩孔，自然造浆，保持孔壁稳定。如果所穿越地层中含砂量高，则必须选择优质泥浆，用膨润土进行泥浆护壁处理，使泥浆达到一定黏度，失水量降低，同时能抑制地质土体的分化，保持孔壁稳定。扩孔直径符合铺管要求时，扩孔即告结束。
３.５.３清孔。扩孔结束后，用终孔清孔器两次清孔。清孔时应注意泥浆比重，保证泥浆质量。机械操作人员应注意仪表的变化，以此判断孔内情况。并作好记录，技术人员根据记录的数据，分析清孔的效果如何，决定能否铺设管材。
３.５.４回拖管材。当钻孔清孔达到铺管要求后，需进行回拖前准备，复查管材质量以及搬运过程中有无损伤，管材焊（连）接是否符合规定要求，检验完毕后，方能铺设。操作人员控制钻机的拉力和速度，确保所铺设管材不受损害。回拖产品管材时，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。
3.6管道施工。
３.６.１HDPE聚乙烯平壁管接口焊接质量应符合下列要求：①对接热熔焊焊缝焊接力学性能不低于母材；②对接热熔接后应形成凸缘，且凸缘形状大小均匀一致，无气孔、鼓泡和裂缝；接头具有沿管材整个圆周平滑对称的翻边，翻边最低处不低于管材外表面；对接错边量不大于管材壁厚的10%，且不大于3；③管道内壁凸缘必须处理平整。
３.６.２管道接口应不渗漏泥水。
３.６.３控制井内管道口连接应密封牢固，洞口不应渗漏泥水。
３.６.４管道水力坡度应符合设计要求。控制井处管道平面位置、管内底标高应进行复测。两段拖拉管交叉处应能在控制井内顺利连接。
4定向钻施工要点
4.1导向孔钻进施工要点①钻机必须先进行试运转，确定各部分运转正常后方可钻进；②第一根钻杆入土钻进时，应采取轻压慢转的方式，稳定钻进导入位置和保证入土角；且入土段和出土段应为直线钻进，其直线长度宜控制在20左右；③钻孔时应匀速钻进，并严格控制钻进给进力和钻进方向；④每进一根钻杆应进行钻进距离、深度、侧向位移等的导向探测，曲线段和有相邻管线段应加密探测；⑤保持钻头正确姿态，发生偏差应及时纠正，且采用小角度逐步纠偏；钻孔的轨迹偏差不得大于终孔直径，超出误差允许范围宜退回进行纠偏；⑥绘制钻孔轨迹平面、剖面图。
4.2扩孔施工要点：①从出土点向入土点回扩时，扩孔器与钻杆连接应牢固；②根据管径、管道曲率半径、地层条件、扩孔器类型等确定一次或分次扩孔方式；分次扩孔时每次回扩的级差宜控制在100150，终孔孔径宜控制在回拖管节外径的1.21.5倍；③严格控制回拉力、转速、泥浆流量等技术参数，确保成孔稳定和线形要求，无坍孔、缩孔等现象；④扩孔孔径达到终孔要求后应及时进行回拖管道施工。
4.3回拖施工要点：①从出土点向入土点回拖；②回拖管段的质量、拖拉装置安装及其与管段连接等经检验合格后，方可进行拖管；③严格控制钻机回拖力、扭矩、泥浆流量、回拖速率等技术参数。
4.4定向钻施工的泥浆(液)配制要点。①导向钻进、扩孔及回拖时，应及时向孔内注入泥浆(液)；②泥浆(液)的材料、配比和技术性能指标应满足施工要求，并可根据地层条件、钻头技术要求、施工步骤进行调整；③泥浆(液)应在专用的搅拌装置中配制，并通过泥浆循环池使用；从钻孔中返回的泥浆经处理后回用，剩余泥浆应妥善处置；④泥浆(液)的压力和流量应按施工步骤分别进行控制。
5工程实例
5.1工程概况。南京市铁北污水处理系统一期工程厂外部分经五路污水管道工程位于南京市栖霞区南京经济技术开发区新港污水处理厂西侧，北临恒通大道，西南临近新生圩港铁路专用线。该工程管道全长4399m，其中开槽施工段为3262m，水平定向钻施工段为1137m。污水管管材分为DN400、DN500，管材种类分为HDPE管、玻璃钢夹砂管和实壁PE管。
5.2施工准备。
５.２.１进场前准备。地下管线探测了解有关地下已有管线和其它埋设物的位置，为设计钻进轨迹提供依据。根据现场实际情况解决施工用电、用水。
５.２.２主要设施设备。采用国产TY-25B铺管钻机,另配功率为15KW的不停钻射流循环泥浆搅拌系统，可快速制备钻进用泥浆；操纵台全功能数字仪表显示，独立的液压系统。钻机的主要技术参数如下：
5.2.3 施工平面布置。根据每段管道钻进的实际情况，在管道的起点设置一个工作面，在管道的终点设置一个接收面。工作面需占用场地面积为12×4m，接收面需占用12×4m的场地做焊接管的入点，并作为下段管道钻进的工作面。
5.2.4材料准备。管道生产厂在产品出厂时应附带质量保证书。管材进场后,堆放在现场附近,并设专人看护。
5.3定向钻施工。
５.３.１施工测量。施工前通过全站仪沿地面上拉管的中心线每3米设置一桩（有障碍物的除外），并沿拉管的中心线撒好白灰线且测出桩高程，计算桩高程与设计拉管流水面的高差。
５.３.２导向钻进。钻机就位后，调整钻机导向杆到略高于设计管位中心高程的位置。在导向钻头中安装发射器，通过地面接收器，测得钻头的深度、鸭嘴板的面向角和钻孔顶角等参数，将测得参数与钻孔轨迹进行对比，以便及时纠正。
５.３.３扩孔。根据现场地质情况，采用刮刀式扩孔器。扩孔器尺寸为铺设管径的1.2～1.5倍。本工程选用的国产TY-25B铺管钻机有混合搅拌、泵送系统。施工中将水、膨润土、聚合物等加入混合仓，进行充分搅拌形成钻液。然后由钻液泵将钻液通过中空钻杆输送至孔底钻头，并与孔中钻屑混合形成泥浆在孔底流动。扩孔时只需将泥浆池内的泥浆通过钻机泵送系统随时向孔内补充。
５.３.４拉管。经五路拉管段所用管材为De600 PE管，其重量为71kg/m，单次最大拉管长度为122m，管道倾斜角度为10°。在焊缝和管道强度检验合格后，即进入拉管施工阶段。先用现场制作的“PE管封套”将管头密封，然后在管头后端接上回扩头，管后接上分动器进行接管，将管子回接到工作井后，卸下回扩头、分动器、取出剩余钻杆，堵上封堵头，进行水压试验。
6结束语
水平定向钻技术是一种环境影响低、工程造价低、施工速度快的非开挖施工技术。它具有实用性强、适用面广、效益好等特点。相信在我国未来的城市地下管线工程中，定向钻技术将得到越来越多的运用。
参考文献
1《给水排水管道工程施工及验收规范》.GB 50268-2008
2刘灿生等.市政管道工程施工手册.北京：中国建筑工业出版社出版，2010
3刘灿生.给水排水工程施工手册.北京：中国建筑工业出版社出版，2002
4王健中.管道工程施工工艺规程.北京：中国建筑工业出版社出版，2010
5孙仪琦.管道工程施工技术规程.北京：中国建筑工业出版社出版，2010
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文