非开挖水平定向钻技术在施工中的应用

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

2、的优 势，其工作过程是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）

3、切削地层，不断前进，每钻完一根钻杆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Dn350mrftt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

4、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。见图二：预扩孔和图三：回拖管线。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1.5 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

5、，河床易改变，导向孔要加深。穿越铁路时，导向孔距离铁路路基面至少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

6、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0 220，铺设钢管常取0 120。出土角：钻头钻出地面的斜度。出土角常取0 180，铺设钢管时常取0 80。第三节 定向钻进的优点1. 泵，保证新铺管线不受损坏；2. 不必挖掘工作井，可铺装直径为100mm-1000mm各种材质的管线；3. 钻

7、进设备采用集成式设计，安装快速安全；4. 具有最大扭矩和独特设计的钻进系统可对付各种地质，绝无卡钻问题；5. 特殊设计的形钻头可随时调整钻进的方向、绕避障碍物；6. 一体式钻杆可为钻进各种地质提供足够的强度和韧度；7. 钻杆自动装卸系统，可使操作效率更高，工作更安全；8. 导向定位系统可测至30.5m深度，确保施工路线准确无误；9. 施工快速，一次钻进最长可达500 米的距离；10. 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

8、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。3、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40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，

9、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PE PVC管材。如果轻微缩径，一般多清一次孔即可铺管。三、坍孔沙质粘土层、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

10、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

11、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

12、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

13、。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（i）500PE（外径为 虫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

14、 型钻机，能承建0 1000mmz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.二、施工技术方案5.2.1 、地下原有管线勘测运用英国雷迪公司RD4000-T10型管

15、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

16、约为3m（长）x 1.5m （宽）x 1.5m （深），出土工作坑大小为5m（长）x 1.5m （宽）x 1.5m （深）以便下钻，靠钻机一头的检查井大小为 3m （长）X3m （宽）x 3.6m（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3.6 米应采取支护。5.2.3 、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

17、（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。0 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(nm所需水平距离(mj)出入口斜 度(为出入口角 度(0 )11.0012615.812.77.221.5012619.415.68.832.0012622.4118.0 10.242.5012625.020.211.453.0012

18、627.322.212.563.5012629.5124.113.574.0012631.525.814.484.5012633.427.515.395.0012635.129.0 16.2105.5012636.830.616.9处和最深处管位设计标高为依据得出的最小水平距离。1 .靠近钻机一侧要求管位与地面的高差为3.2米，由于实际辅设段要求是水平的，另外一侧的高差也差不 多，即从接收井到地表需要至少28米的水平距离造斜才 能符合管材的弯曲要求，因钻机一侧到发射井之间不需 要辅管，因此这段的水平距离可适当减小即20米左右。2 .由于施工需要避开原有雨水管道，拟设的污水管 道宜向南移1.5米

19、左右，又由于A9-2和A9-3设计井位 间距约6米，为了使其能以最小的间距连接，宜从 A9-4 号井向南缓移至A9-2井，即A9-3号井会在绿化边缘。 但在水平方向弯曲时须按相应的弯曲曲率半径进行水平造斜，因中间段地面起伏不大，因此需要在施工前每隔10 米设一个测点（量出管位的设计高程）即可，导向时每 3 米测定一次，严格按照设计标高导向。3 .在辅管完成后，管在孔内是紧贴上壁的，即管 中心标高会高于导向标高，因此导向时就相应加深0.45-0.29=0.16 米，由于管线实际穿越地段为粘土，在 扩孔及拉管阶段中心标高上台的可能很小，所以导向标高严格按设计的深度进行施工。根据设计，采用进口仪器美

20、国DCI 公司月蚀型定位系统对导向孔钻进精确定位。具体操作中，对钻头定位要进行多点测量，要求每3 米测定一次深度，如实际位置及深度偏离计划轨迹需进行纠偏时，应进行多点测量即每 1 米测定一次；控制好钻孔轨迹的走向，并使之与设计轨迹相吻合；曲线段的纠斜，要根据钻头面向位置及倾角变化值，角度变化不应太大；运用相关软件及经验数据，及时计算和预测出纠斜钻孔位置的变化；小角度钻进及水平钻进段，可根据倾角变化适当增加测点距 离；通过原有地下管线时，测点要精确，当深度和倾角与设计轨迹不符合时，应立即采取相应措施，确保钻孔按预定轨迹出土。5.2.4 、泥浆的配制a、泥浆用量计算每米钻孔的泥浆体积立方数V= 0

21、.785*（D2 d2）* 系数化学泥浆添加剂总用量T= t*V说明： 进行不同钻头直径回扩时的泥浆用量应累加V-需用泥浆体积（立方米）D-大回扩器的直径（米）d-小回扩器或导向孔的直径（米）在用同一直径回扩器进行多次回扩时，取 d = 0系数 -1.5 至 3（根据土质、管径、长度、回扩次数等选用）T-化学泥浆添加剂总用量（kg）t- 每立方米水中加入的化学泥浆添加剂参考用量（kg）b、泥浆的配制工序第一步，在抽用的清水里加一定比例（0.1-0.2% ）是纯碱软化水第二步，加入一定比例的膨润土，用机械搅拌使其充分溶于水，且完全分散，一般需搅拌20 分钟左右。第三步，加入一定比例的添加剂搅拌3

22、-5 分钟即可使用。5.2.5 、扩孔阶段导向孔施工完毕后，在出口位置将导向钻头拆下，换上扩孔钻头，分级多次将钻孔扩大到需要的孔径：第一次宜用D300的回扩头进行扩孔，第二次用 D500的回扩头扩孔，第三次用D700的回扩头扩孔，第四次用D900扩孔；第四次用D900清孔。扩孔时冲洗液采用优质膨润土泥浆，并使用钻液宝（液体Drispac 聚合物）添加剂，保证孔壁完整、光滑；因在扩孔完后会有粗粒的砂沉于孔底，减小的孔的有效直径，因此应适当增加泥浆比重，提高泥浆粘度；同时增加钻杆转速，适当减小拉力，即采取快转慢拉的方式回扩。5.2.6 、拉管施工阶段扩孔施工完成后，将PE管焊接好且经强度试验和气密

23、性试验。然后进入拉管施工，拉管时，由于钻机停放在路边无法固定，须用挖机拉或顶住钻机。一边拉管一边向孔内加注优质泥浆充实孔隙及护壁，并防止泥浆对地层的冲蚀作用，而造成孔壁坍塌；回拉管线的拉力尽可能保持与扩孔拉力的平衡性，采取快速回拉的办法，提高铺管效率。拉管完成后需抽掉井内泥浆拆掉拉管头。拉管完成后清洗两头泥浆，余土及时运走。5.2.7 、拉力计算管的重力为:G=p 管 gv管在孔中的浮力为:F浮=p泥学先gv排管所受的侧摩阻力为:F摩=（F 浮-G） xf i管子回拖时的粘着力为:F粘=31.4XDX LXf2管子回拖的同时扩孔的阻力为:F扩=62.8 X D拉管时管道承受的最大拉力为:管 =

24、F 粘 +F 扩拉管时钻机施加的最大拉力为：F总 =F 粘 +F 扩 +F 摩p管-PE管的密度（千克/立方米），所用管材的密度 为 0.93*1000 千克 /立方米p泥浆-泥浆密度（千克/立方米）v 排 - 管材排开泥浆的体积（立方米）f1 PE 管在 泥 浆 中 与 孔壁的摩擦系数 一般取0.2-0.3f2- 泥 浆粘 附 在 管 表 面的粘着力系数 一般取0.002-0.003D- 管材的外径（米）L- 管材长度（米）g-9.8N/kg以上力的单位均为KN三、 设备情况1、 工程施工的主要设备钻机采用 ZT-25 型非开挖铺管钻机，其主要技术性能指标为：主轴转速（在额定扭矩和负载下）0

25、100 rpm主轴扭矩0-8000Nm回拖力250kN给进力250kN给进行程3.3m角度调节8-20钻机动力康明斯柴油机：125KW/2400i7min泥浆泵流量250升/分钻杆长度3.00 m钻杆接头直径83mm钻杆管直径73 mm2、定向导向仪器采用英国雷迪公司RD4000T-10型定位系统.3、其他设备、仪器5KW发电机一台污水泵二台塑料管道热熔对接机一台25 吨汽车一辆指挥车一一辆地下管线探测仪一套月蚀导向仪一套经纬仪一台四、施工组织及工艺流程设备进驻工地前，首先要对施工现场进行勘查，对地 下原有管线的走向、埋深，管径确定具体位置，对不明 管线应找有关单位进行核实，确保原管线安全。设

26、备进 场后，要准确定位钻机，根据设计要求有步骤地完成每 一道工序。1、施工工艺流程:场地初勘探测管线钻机定位钻导向孑分级扩孔 口 , i拉管焊接管口检查拉管质量|退场以上各工序详细情况在施工技术方案中已做阐述。2、人员组成：根据工程需求及以往施工经验，组建施工队伍，岗位 设置如下:工程总负责项目经理:技术负责:负责施工技术问题机 长:仪器员:安全员:钻工5人组织、参与生产导向及操作仪器负责质量及安全工作钻机操作、维修五、施工质量保证措施1、质量保证体系：2、质量保证措施：1）现场勘查、测量要仔细、认真，确保施工的安全和质量；2）先导孔每钻进3.0米测量一次，若发现偏差及时调整,并增加测量次数，

27、以确保先导孔在设计范围内；3）各岗位人员要严格履行自己的职责，并互相配合，尤具司钻和仪器导向人员，司钻应严格按照导向人员的指 令进行操作，遇到异常情况及时停钻，与有关人员研究 决定，不得擅自主张；4）扩孔时逐级扩孔，精心配制泥浆，确保成孔质量；5）拉管结束后，管头两端及时封堵，防止杂物落入；泥 石碎屑应及时处理；6）参加施工人员认真学习施工技术规范等有关文件，增 强质量意识；7）施工前对操作进行交底，强调质量标准和质量要求；8）强化质量保证体系，由项目经理全面负责质量管理工 作，全部施工人员积极配合，认真作好施工记录，保证 每一道施工工序严格按设计规定要求进行。六、施工进度项目总共施工时间为1

28、7天A9-5 至 A9-9 段 116米755A9至A9-2段110米A9-2 至 A9-5 段 107 米七、 文明施工及安全注意事项1 、施工人员要认真学习有关文件，强化安全质量意识，严格按质量标准办事；2、强化质量保证体系，由项目经理全面负责质量管理工作，全部施工人员要服从安全质检员的命令，各岗位认真作好工作记录，严格按施工工艺规范进行；3、严格执行安全生产制度，安全员跟班现场检查，发现不安全因素及时解决；4、分工明确，统一信号，专人负责电器电路，所有非电人员不得随意乱动；5、 各设备、 仪器要科学维护、保养， 遵守安全操作规程；6、工作坑周围设围栏，夜间设标识；7、严禁工作时间内喝酒及酒后作业；8、施工时加强对边坡的支撑和检查；9、在水上作业探测人员必须准备救生圈，仪器设备必须系好安全绳，防止掉入水中；10 、实行文明施工，减少工地周围的环境污染。淤泥、渣土合理堆放，保持清洁卫生。第六章 实习心得时至今日，我在杭州群龙非开挖工程有限公司有限公司实习的时间已2 个月，在我的实习期即将结束之际，回想起在公司走过的日子，在无限感慨的同时觉得收获颇丰。从我的实习过程来看，我有以下心得体会：一、刚接触一样新东西，要有信心把它做好，不要退缩。其实再难的事只要有信心，肯用心，积极主动就一定能做好！我刚接的时候，也感觉什么都不懂，什么都难，常常都摸不着头绪。但我仔细