非开挖导向钻进铺管技术的应用

1、    非开挖导向钻进铺管技术的应用    李宗杰摘要:非开挖施工技术在近年来得到广泛的应用，较之明挖技术有着自身的特点。由于它不需要开挖面层，就能穿越地面构筑物和地下管线及公路、铁路、河道。从而节省了大量投资和时间。本文阐述非开挖技术中的导向钻进铺管技术的施工特点及施工工艺，以及作为一种较新的施工技术在实例工程中出现的注意问题。非开挖导向钻进技术的特点：不破坏周边环境，对交通、公共设施、建筑没有影响，同时污染小，综合造价低，施工周期短，是一种高效的施工技术。非开挖导向钻进技术的原理：由人工控制装有导向钻头的钻杆，沿着设计管道轴线位置和高程钻进。钻通后把

2、导向钻头换成扩孔钻头进行回扩，最后牵引管道沿着扩孔形成的孔洞穿越就位。非开挖技术使明挖开槽施工难以实现的目标成为可能，并在工程造价、施工周期、环境保护等方面有着非常明显的优势。相信它在管线施工中的发展前景将极为广阔。通过工程实例可以证明，非开挖技术具有良好的社会效益和经济效益，值得在给排水、市政、水利管线工程中大力推广。关键词：非开挖导向钻进技术泥浆护壁管道焊接扩孔经济效益：p634.6 ： a绪论近年来，随着社会高速发展和城市的快速建设，大量的新建管网与已存在的基础设施相矛盾的问题日益突显，如何解决这一矛盾，非开挖技术，作为解决这一问题最有效的技术手段，在近年来得到了广泛的应用。由于它不需要

3、进行明挖，就能穿越地上设施，从而节省了大量投资和时间。本文将通过工程实例，来说明这一施工方法取得的良好效益。一、 非开挖技术定义及特点1、定义非开挖技术 (trenchless technology,简称tt技术)是指在不开挖地表的条件下，利用各种钻掘技术手段，铺设、探测、检查、修复和更换各类地下管道或设施的一种施工技术和方法。目前非开挖地下管线施工技术已达百余种，按其用途可分为管线铺设、管线更换和管线修复三大类。管线铺设的非开挖施工方法又可分为：顶管施工法、微型隧道施工法、导向钻进施工法、水平螺旋钻进法、气动矛施工法、夯管施工法等。2、特点(1) 对周边环境影响小不破坏周边环境，对交通、公共

4、设施、建筑没有影响，可以说是一种污染小的施工技术。(2) 高效综合造价低，施工周期短，是一种高效的施工技术。(3) 操作性强作业环境要求低，操作方便，可在复杂的地下环境下施工，是一种可操作强的施工技术。二、非开挖导向钻进技术的定义及原理1、定义导向钻进法是目前发展最快的一种非开挖铺设管线施工法，它主要用于在较软的地层中铺设长度较短的小口径地下管线。一般是一次铺设长度在200m以内，口径800mm，成孔方式均以斜面钻头来控制钻孔方向。其对地表干扰小，施工速度快，精度较高（3%-5%），但施工时必须注意安全，防止触电和损坏相邻管线，不适用于沙石和砾石层，深度受到控制（视探测器的能力而定，一般在10

5、m以内）。适用管材为聚乙烯（pe）管、钢管。2、原理其工作原理是由人工控制装有导向钻头的钻杆，沿着设计管道轴线位置和高程钻进。钻通后把导向钻头换成扩孔钻头进行回扩，最后牵引管道沿着扩孔形成的孔洞穿越就位。即：管道铺设分两步进行。首先是沿所需的轨迹钻导向孔，然后回扩钻孔以加大孔径。然后是回拖过程，工作管通过旋转接头与扩孔器连接，并随着钻杆的回拖把管道拉入扩大了的钻孔中。在复杂地层条件下、或孔径需增加很大时，可采用多级扩孔的方法将孔径逐步扩大。三、工程实际应用1、工程概况本工程为北京市中心城区重点水域陶然亭湖水质改善工程第1标段（土建部分）。由于开槽施工需拆除现况小山、公共设施、古树、竹林灌木等，

6、从而导致施工条件复杂、代价大、造价高等多种不利因素，经过对施工方案研究比对，决定采用非开挖导向铺设管道。主要工程量为：西线进水聚乙烯管道dn400pe管道162m，东线进水聚乙烯管道dn500pe管道96m，东线出水聚乙烯管道dn500pe管道96m。2、施工工艺流程（1）施工前准备2.1.1平面布置经现场勘察，南侧为山丘、树林高低不平，北侧干枯的河堤较平整；拟将铺管钻机放置在北侧的干枯的河堤上，南侧作为焊管场地。2.1.2进场前的准备2.1.2.1施工前先对现场进行地层勘探,地层勘探主要了解有关地层和地下水的情况,为选择钻进方法和配制钻液提供依据。其内容包括：土层的标准分类、孔隙度、含水性、

7、透水性以及地下水位、基岩深度和含卵砾石情况等。可采用查资料、开挖探坑或钻探方法获取。2.1.2.2结合各方提供的资料，熟知施工区域范围内有无地下管线，地下管道、电缆等，对其数量、走向和高程进行标定，为设计钻进轨迹提供依据，有必要请专业物探部门进行对路由的勘测，以防施工时受损。勘察设计管道所穿越的位置是否有足够的空间，以满足钻机固定位置和导向所需。2.1.2.3以钻机路线的入土点和出土点各挖一个工作坑和接收坑，尺寸长为3.5m×宽2.5m×深2.5m，便于钻机入土开钻和管材入土。2.1.3技术准备2.1.3.1组织工程施工人员进行技术交底，了解施工特点和技术要求，熟悉施工操作

8、规程和各项技术数据。2.1.3.2根据敷设管道的管径尺寸，确定管道孔的扩孔次数和每次回扩所使用的回扩器的规格。2.1.3.3技术人员根据有关技术数据和施工区域范围内的管道、电缆等设施资料，制定出模拟钻进路线图，使操作人员能直观地了解工程整个钻进过程。2.1.4主要设施设备准备2.1.4.1采用国产ddw-320铺管钻机，无线制导导向仪。另配功率为320l/min的大排量泥浆泵和容量2立方米的撬装式泥浆快速搅拌站；全功能数字仪表显示操纵台。如图2-1、2-2所示：图2-1：国产ddw-320铺管钻机图2-2：撬装式泥浆快速搅拌站以下为钻机的主要技术参数，如表2-1所示表2-1 ddw-320型钻

9、机主机2.1.4.2无线制导导向仪导向系统有几种类型，最常用的如“手持式(walk-over)”系统，它以一个装在钻头后部空腔内的探测器或探头为基础。探头发出的无线电信号由地面接收器接收，除了得到地下钻头的位置和深度外，传输的信号还往往包括钻头倾角、斜面面向角、电池电量和探头温度。这些信息通常也转送到钻机附属接受器上，以使钻机操作者可直接掌握孔内信息，从而据此作出任何有必要的轨迹调整。2.1.5材料准备工程开工前，完成各项施工用料和管材的调查落实，经试验合格后，材料一次组织进场。材料进场要做好存放、保管工作，并做好标识。(2) 钻孔2.2.1确定穿越距离和设计穿越线路根据相关资料，结合施工现场

10、和钻机的实际情况，确定出铺管的距离，一般一次钻铺不大于200m。描绘出导向管的路线图，以确定敷设管线的长度、深度。2.2.2设备就位在地面上架机，安装在管道轴线位置上，就位后将钻机锚固好，调整机头以达到一定的入土角度，一般钻孔角度应在1018度之间，以便导向开钻。2.2.3导向钻孔开钻前将探测仪的探头置于导向钻头上，并测试探头反射信号是否正常，再将导向钻头按入土角度钻入土中，通过给进和钻进过程直到接收坑，最终成孔直径110-130mm。在导向钻孔过程中技术人员根据所测获的钻头角度、深度等数据，判断钻孔位置与钻进路线图的偏差，再向钻机操作人员进行调整，及时记录好导向数据。(3) 扩孔根据现场地质

11、情况，本工程采用刮刀式扩孔器分级扩孔。400管线最后扩孔孔径为500，才能保证管线安全、顺利的拖入孔中，也就是要经过200、300、400、500的逐级扩孔，才能完成管线的扩孔作业。扩孔前3级使用高转速档进行回扩，回拖力控制43.5 kn，扭矩在2300-2762n.m之间。其中第一级200mm共使用了3个小时；第二级300mm共用了3.2小时；第三级400mm使用了4小时；最后一级500mm，考虑保持成孔质量和孔的稳定性，决定采用低速档回扩，共用5.5小时完成扩孔。在工程实际应用中，一般保证管道的通过性，扩孔直径应大于设计直径1.2-1.5倍。(4) 泥浆护壁非开挖拉管施工中泥浆起到举足轻重

12、的作用，泥浆配比的好坏是铺管成功的关键。泥浆具有润滑和冷却钻头，乳化砂土，稳定孔壁，平衡地层压力，减少铺管阻力功能。泥浆被广泛应用于非开挖铺管工程中。本工程选用的ddw-320型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。，形成泥浆套。考虑到地层泥浆较易流失，泥浆流失后，孔中缺少泥浆会造成塌孔等意外事故，钻杆及管道与孔壁间的摩擦力增大，导致拉力增大，甚至超过铺管机的最大负荷，最终导致拉管失败。因此要保持在整个钻进过程中有“返浆”，并根据地质情况的变化及时调整钻液配比

13、以产生的不同泥浆，尤其重要。2.4.1一般铺管在粘土层中施工，泥浆选用清水泥浆：水75%+膨润土24%+钻液宝1%。例如姚家园路中水管线工程0+2250+375段dn500中水管线铺管工程和朝园东路0+0060+090dn400中水管线铺管工程的土质都为粘土层，都选用了清水泥浆，施工过程非常顺利。2.4.2一般铺管在黏性土层、老黄土层中施工，选用碱水泥浆：膨润土22%+钻液宝1%+水75%+工业纯碱2%。例如六里屯路中水管线0+8401+010段铺管工程中的土质为黏性土层，选用了碱水泥浆，效果也很好。2.4.3在砂土层中施工，对泥浆的要求较高，施工前需现场取样试配泥浆的配比， 配出的泥浆呈糨糊

14、状，砂粒呈悬浮状。例如清河污水处理厂至黄土店北路再生水管线0+6150+760段中水管线，施工为dn600pe管，管线穿越民房。施工管线穿越层为砂层，管线全长145m，施工需保证民房基础不发生沉降。前期施工中采用常规的泥浆配比为膨润土22%，钻液宝1%，水75%，工业纯碱2%，在扩孔施工中进行泥浆护壁。施工中出现多次“险情”，砂层将回扩器“抱死”，孔内坍塌、沉淀，泥浆中水份流失，钻杆几次因超负荷而被拉断。分析原因，该施工段砂层土质及其松散、无凝结力、水份易丢失，且拉管管线较长，扩孔孔径需是管外径的1.5倍，扩孔较大，时间较长；同时由于施工处于冬季，泥浆施配过程中容易冻结，配合比掌握不恰当。根据

15、以上情况在泥浆中加入了聚丙烯铣胺（pnm）、羧甲基纤维素（cmc）材料，此材料起增粘、堵漏以及润滑钻杆的作用。且在现场取土样试配多次，确定泥浆的配比为：膨润土10%+钻液宝1%+水70%+工业纯碱2%+聚丙烯铣胺（pnm）7%+羧甲基纤维素cmc10%。按此配比泥浆的作用起到很大变化，钻机扩孔拉力和扭距降低了一半。扩孔成型后，拖拉管仅花费了3小时就将管线铺设完成。(5) 管道焊接（热熔连接）管道接口质量的好坏直接影响到铺管施工的顺利进行，因此要严格把握管道焊接的施工工艺。这里以聚乙烯（pe）管道焊接为例：2.5.1 首先热熔连接前、后连接工具加热面应用洁净棉布擦净。2.5.2 热熔连接加热时间

16、和加热温度应符合热熔连接工具和管材、管件的允许相应规定。2.5.3 热熔连接保压冷却时间，不得移动连接件，且连接件上不得施加任何外力。2.5.4 管道连接前，管材固定在机架上，取下铣刀，闭合卡具，对管子的端面进行铣削，当形成连续的切削时，退出卡具，检查管子两端的间隙（不得大于3mm）。电熔连接面应清洁干净，无杂物。2.5.5 热熔对接连接，两管段应各伸出卡具一定的自由长度，校对连接件，使其在同一轴线上，错边不宜大于壁厚的10%。2.5.6 加热板温度适宜（220±10），当指示灯亮时，必需在等10分钟使用，以使整个加热板温度均匀。2.5.7 温度适宜的加热板置于机架上，闭合卡具，并设

17、系统的压力。达到吸热时间后，迅速打开卡具，取下加热板。应避免与熔融的端面发生碰撞。2.5.8 迅速闭合卡具，对接管道，并在规定时间内，匀速地将压力调节到工作压力，同时按下冷却时间按钮。达到冷却时间后，（一般不小于45min），然后将压力降为零，打开卡具，取下焊好的管子。2.5.9 卸管前一定要将压力降至为零，若移动焊机，应拆下液压软管，并做好接头防尘工作。2.5.10 合格的焊缝应有两道翻边，焊道翻卷的管外圆周上，两翻边的形状、大小均匀一致，无气孔、鼓泡和裂纹，两翻边之间的缝隙的根部不低于所焊管子的表面。一般高于管面2-3mm为宜。2.5.11 管道连接时，施工现场条件允许时，可在在沟槽上进行

18、焊接，可节省二次装运，管口应临时堵封。在大风环境下操作，采取保护措施或调整施工工艺。(6) 拉管扩孔完毕后，在管头后接上回扩头，管后接上分动器进行接管。拉管时间过长，会导致孔中泥浆水分渗漏、缺失及沉淀，加大回拖阻力。因此在拉管施工前将管道焊接全部完成。具体施工时，操作人员要根据设备数据均匀平稳的牵引管道，切不可生拉硬拽。在本工程中，为保险起见，在拉管前先进行一遍洗孔作业以待观察是否成孔。2010年4月20日晚上10点28分，洗孔完毕，从钻机上看出，扭矩基本在2000n.m以下，接近空转扭矩，可以进行拉管；11点30分，500mm的挤扩式回扩器带管入土，回拖力61.7.-93.1kn，扭矩在35

19、88 n.m以下；凌晨2点30分，成功将管线拖至接入口处，工程顺利结束。(7) 铺管的质量控制方法及要求2.7.1 管道铺设要符合相应设计规范、规定要求；并要保持管内壁干净，拉管过程中封堵内壁。2.7.2 拉管过程中，操作手严格按照地面预布控制桩的平面位置和高程控制钻头走向，每隔水平距离3m校核一次。(8) 试压验收： 按给水排水管道工程施工及验收规范进行水压试验。(9) 注意事项应用非开挖导向钻进铺管技术时应注意以下事项： 2.9.1施工前应掌握施工位置的地质状况，选择适当结构的钻头。2.9.2仔细清查钻进轨迹中的地下管线情况，掌握地下管线的埋深、管线类型和管线材料，根据实际情况编制施工方案

20、。2.9.3 泥浆护壁的种类选择极为重要，根据不同的地层种类配制不同的泥浆。2.9.4 导向孔施工前应对导向仪进行标定或复检，以保证探头精度。2.9.5 导向孔每3米测一次深度，如发现偏差应及时调整，以确保导向孔偏差在设计范围内。2.9.6拖拉管线前应作好安全辅助工作，特别是拖拉非金属管线时，避免损伤管材。2.9.7管线拖拉完毕后，应按管道试压规程进行试压，验收合格后方可进行管道接驳。四、经济效益在本工程中，由于采用了非开挖导向技术，工程直接成本降低了45%，工期提前了1/3，最重要的是在不破坏一草一木的前提下圆满的完成了施工任务，取得了很好的社会效益，明挖与非开挖导向方案对比如下： 如表4-1所示表4-1方案综合分析对比表通过对多个工程的统计，采用非开挖导向技术较之明挖，成本可节约在25%-50%，工期可提前30%-65%。可见其带来的经济效益及社会效益十分明显。五、非开挖导向技术的局限性在众多工程实例中，非开挖导向技术