沿江高等级公路过河DN400定向钻进施工方案

沿江高等级公路

过河DN400定向钻进

施工方案

二零零八年九月一十七日

一、工程简介

本工程是镇江沿江高等级公路污水管网过河管道，采用DN400PE

管。长约50米。地质主要为淤泥质土，含水量较高。

二、施工主要布署

（一）、定向钻进工艺简介

定向水平钻机是近些年来得到迅速发展的一种非开挖施工设备，

水平钻机牵引法施工一般分为三步：

①钻导成孔

利用不定期向钻进设备在入口外开始定向钻进，钻进过程中通过

监测和控制手段使钻孔按设计轨迹延伸，并从另一端钻出地表，完成

了导孔的施工，钻孔轨迹的监测一般采用地面步行导航仪。

②扩孔

如果欲安装的管径较大，不能同时完在扩孔和回拖作业时，必须

进行逐级扩孔。根据设备能力、地层条件和现场情况来确定每扩孔直

径。一般可以采用回拉扩孔。最终扩孔直径应比管线直径至少大205

以上。

③管线回拖

在出口处将管线通过回拉和扩孔钻头连接到钻杆上，利用钻进设

备一边叵I转一边回拉，同时通过钻杆输送冲洗液到扩孔钻头，扩孔叵I

拖过程必须连续进行，中间不许有长时间的非作用停顿。

（二）、钻孔工艺参数的确定

钻孔工艺参数主要是指钻杆顶推力、钻压、转速和冲洗液流理等,

而钻速、扭矩、泵压等也是非常重要的技术指标，这些技术指标因钻

进方法不同而不同。

1、顶杆力的确定

要使顶杆能够顺利穿越土层，而不使顶杆破坏，既要考虑杆身侧

面与土之间的摩阻力，又要考虑土对杆头的端阻力。根据施工经验，

在顶杆入一定深度之后，杆端土阻力远比顶杆总顶力小，因此可以忽

略杆端土阻力，用杆与土之间的总摩阻力代替杆的总顶力进行计算。

2、钻压的确定

钻压是保证钻头有效破岩的必要条件。钻压的大小直接影响破岩

方式和钻进效率。一般土层选择片状硬质金钻头，每片切削刃上压力

400N~600N。

3、转速/钻速的确定

一般情况下，钻速和转速成正比。转速的确定与岩土的性质、设

备能力、钻柱正动振动、孔壁稳定性以及泥浆的润滑减阻条件等密切

相关。原则上在设备能力和钻杆质量等完全满足安全的条件下，小直

径钻孔可以开较高转速，浅钻孔可以开较高转速，孔壁稳定性好可以

开较高转速，直孔可以开较高转速，否则应适应降低转速。

4、冲洗液量的确定

冲洗液的主要作用是清除孔底岩屑、冷却钻头、保护孔壁和润滑

减阻等。冲洗液量的确定道先应以能充分清除孔底岩粉为主要依据。

所有的岩屑必须经过冲洗液携带至地表，在沉淀池或采用除砂设备进

行清除，不许再次被送入孔内。因此，必须考虑泥浆的携粉能力和在

钻杆与钻孔之间的环隙流速，确空在流速最低的孔段也能有效地携带

岩粉。

（三）、工期目标

我公司计划工期日历日15天。

（四）、施工现场组织与安排

a）现场施工组织网络（见下页附图）

项目经理

技术负责人生产副经理

钻

维

后

压

运

工质

进

修

浆

勤

输

程测

组

组

组

组

供

技

检

应

术量

组

组

组州

b）现场施工人员安排

配备人数备注

管理人员5

拖管队1队15

其他6

三、施工方案

（一）、导向坑、下管坑的设置与制作

导向坑、下管坑是为钻机进行钻进工作和管道回拖提供入口和出

Do根据钻机的型号确定导向坑的长度为6-15米（主要根据管道的埋

深确定）。下管坑长度为10-25米（根据管材和埋深确定）。导向坑和

下管坑开挖的宽度1.0~2.0米，深度在0~2.0米范围，主要在破除道

路的结构层并储存钻液和观察钻进过程。土质条件好的情况下一般不

支撑，如遇到土质较差采用木板支撑。

（二）、导向钻孔

1、钻进线形控制及测量

①测量仪器配备与检验

拖管施工需要进行三维动态测量，其精度要求较高，必须采用精

度高、性能优良的测量仪器。为此，必须配备2”级经纬仪和DS3水准

仪。拖管施工测量所使用的仪器、附件须及时送质检单位检验，做全

面鉴定并在使用过程中经常进行检查。

②控制测量

A、平面控制

(a)确保长距离井间拖管贯通，横向、竖向误差小于50mm,在两

端头井附近埋设地面导线点，利用空导点和地面导线点，以导线测量

形式，将平面控制成果引测到施工现场。

(b)用空导点和地面导线点建立平面控制网。导线测量采用SET2B

全站仪，方向观测6测回，测角精度±1"，测距6测回，双向观测，

测距相对误差W1/80000,对观测结果进行平差。

A、高程控制

(a)利用施工区域附近的已知高级水准点，布设二等水准路线，将

高程引测到工作井附近，并设立施工高程控制点。

(b)水准测量采用DS3型水准仪配合准尺进行，往返观测。

(c)地面高程传递到井下时;可用钢尺垂直悬挂，下系线锤，然后

地面、井下两台水准仪同时观测。井下布设一个地下起始高程控制点。

C、地面沉降观测

(a)地面沉降点在路面用道钉埋设，特殊要求的构筑物用红三角标

记。

(b)地面沉降观测施工中每天进行，沉降量控制在20涮以内。

D、钻进姿态测量

(a)保证钻机严格按设计轴线推进，必须及时监测钻头动态数据。

从而调整钻进各施工参数，指导钻头正确、安全推进。

(b)在钻头后端安装探棒，地面操作人员采用跟踪接收器进行监

控，钻机操作人员根据反馈的数据进行操作。

2、钻进施工

钻机进入场地后，首先调整钻机的入地角度（一般占机入地角

8^12%）并固定机架，做到平稳］、牢固。钻机、入土点和出土点成一

条直线。

在钻进过程中，适当地起运第一根钻杆是非常重要的。在确信钻

液系统已经打开并可以给钻机提供钻液后，将钻头转向朝下的位置，

马克定位仪显示钻头指向6点钟的位置，开动钻液泵。钻头喷嘴中有

钻液流动后，才开始朝前推进并穿透地面。第一根钻杆钻进过程中必

须做到维持预设斜度，没有任何转向地直钻。填加另一根钻杆之前，

维持该钻杆转动直到将钻头拖回导向坑，继续旋转再将该钻杆送回地

To钻机操作员观察钻液流量情况，保证钻液流动慢却连续的钻液回

流至坑内，防止添加一根新钻杆后因缺乏钻液可能导致钻孔中局部干

燥而增大钻进阻力。

钻进开始后，定位员根据设计的钻进曲线决定钻孔的斜度、深度。

定位员和钻机操作员之间及时联系，通过导向仪反馈的信息来调整钻

杆的斜度和钻头斜板的位置。钻进过程中，遇到土质变化或有障碍存

在都会在钻压表和钻液压力表上反映，因此操作员认真观察各种压力

的变化，有助于及时发一异常情况，调整钻进速度，确保导向钻进的

成功。在钻进过程中，对于每根钻杆重复钻进是值得推荐的，因为为

有利地在钻孔中维持环形空间也有利于充分混合泥土，并且钻液可以

流过整根钻杆。

钻杆从导向坑进入按照设计轨迹顺利地从下管F坑内穿出，整个

导向钻进过程结束。钻进过程中监控钻进压力和观测流入导向坑内的

土壤类型并做好记录，为在扩孔时是否需要更改钻液提供信息。

（三）、扩孔和拖管

1.扩孔

由地本工程采用的管道管径400mm,因此扩孔采用逐级扩孔的方

法。根据土质的情况逐级扩孔顺序为：0180.中250、中320、中400、

①500。扩孔过程中，每个扩孔头在扩孔后都要循环扩孔一至两次，保

证孔道内泥浆护壁良好和清理孔疲乏内的钻屑。

扩孔过程中关键是要控制好钻头的转速和回扩速度，由于本工程

每次钻进长度较长，钻进过程中可能遇到多种土层，困此控制好转速

和回拖速度是防止塌孔和卡钻的关键。本工程中配置的钻机型号均为

大型机械，设备的极好扭矩和回拖力远远大于实际情况，只要在回扩

过租中有效地控制速度，防止钻具在不良土质情况时产生弹性振动，

完全可以顺利地完成扩孔工作。

扩孔完成即可进行施工作业。本工程使用的管材主要是HDEP管（实

壁）

2、连接

回拖时扩孔器和管道之间的连接非常重要，扩孔顺和管道之间采

用万向节和定制的拖头连接，安装时必须严格检查，万向节的各个键

销安装要到位，保险装置不能缺少。拖头与管道的连接要牢固和密封,

采用对销进行加固，管道和拖头之间的空隙用填充料填实，防止在回

拖过程中泥浆的渗入。

3、焊接

本工程中管道之间的连接采用的是电溶焊接工艺，管道连接时必

须做到每个接口严格把关，HDEP管的电溶焊接必须达到设计要求，目

测检查接口套箍收缩均匀无空鼓。

4、进洞措施

由于管道的自重很大且管道拼装后整体性很好，因此管道进洞时

不可能按照预定的轨迹进洞。在回拖进洞时采用汽车吊将管道部分吊

起，让扩孔器连接的管道头部自然下垂，使管道轨迹和进洞趋势满足

设计要求后在进行回拖施工。

3、泥浆的配置

泥浆的作用是悬浮和携带钻屑、润滑和冷却钻头钻具、稳定孔壁、平

衡地层压力、发挥水力效能、传输动力。本工程中穿越的地层比较复

杂，因此施工时采用的泥浆类型按照地质情况进行配置。

(四)、技术措施

1、塌孔的现象

(1)泥浆的粘度、切力、密度、含砂量皆增高，泵压忽高忽低，

有时分突然蹩泵。

(2)孔口返出的岩屑量增多，砂样混杂，与钻屑不同。

(3)回拉外具有遇卡现象，泥浆循环过程中环空突然堵塞，造成

蹩泵或卡钻。

(4)泥浆性能不稳定，变化快。

2、塌孔的危害

孔壁不稳定就会出现孔壁坍塌，轻者会浪费很大的人力、物力和

施工时间，严重时会造成卡钻甚至使导向孔报废或埋管。

3、塌孔的原因

1)工程地质不文地质方面的因素

非开挖铺管施工的地层主要在淤泥等地层均为不稳定地层，当泥

浆液柱压力补足以平衡地层压力时,，就会发生塌孔。另外，在钻进时

土层一旦被钻开，孔壁岩土所产生的应力与泥浆液柱压力产生一个压

差，此值若大于岩土的屈服强度，就会产生不同程度的剥落、掉块和

坍塌，在泥浆的浸泡下为些现象会更趋严重。

2)机械或物理因素

(1)泥浆液流的冲蚀。液流的冲蚀的能力及其对塌孔的影响，取

决于液流的流态和液流的速度，若泥浆呈紊流状态且流速越高的流液,

对泥皮及孔辟的冲蚀能力越大。大幅度降底粘度和切力之后出现塌孔

的主要原因应在于此。

(2)回拉扩孔(回拖铺管)过快，开泵过猛，都会产生孔内液柱

压力激动，使孔内某点瞬时液柱压力过小，造成孔壁岩土受力不均而

产生塌孔。

(3)当导向孔迹有曲率较大时，钻具或钻头(回扩头)回I转不断

碰撞、挤压孔辟及钻头钻具搅动泥浆冲蚀孔壁等因素，皆能促使孔壁

坍塌。

(4)因上部地层漏失或地下钻款灌好泥浆以及地层涌，地层压力

释放，孔内液柱压力降低，导致辞塌孔。

(5)泥浆及滤液对孔壁岩土的长时间浸泡，降低岩土内聚力和内

麻擦角，也会发生塌孔。

(6)当钻进地层含有泥页岩时，泥页岩的水化膨胀和裂解是造成

塌孔的关键。

4、塌孔的预防和泥浆类型

(1)阻止泥页岩吸水，防止泥页岩不稳定。具体应满足以下两个

条件：①泥浆液柱压力2沁页岩的孔隙压力；②尽量减少水进入孔壁

岩土或孔壁两边的水渗出。

(2)对于地质因素造成的塌孔可以提高泥浆密度，以较高的液柱

压力来平衡岩土侧压力和垂直压力。但是，若地层松散或破碎严重，

则提高官度出不会奏效，只有用高屈服值(动切力)和较大的动塑比

(动切力和塑性粘度的比值)比值的泥浆钻进和循环。

(3)对于机械因素造成的塌孔，要在钻进工艺措施和钻进操作方

面注意以下问题：

①调整并保持合适的泥浆密度和流变性能(控制动塑比比值)

使泥浆具有一定的液柱压力，保持泥浆在环形空间中低返速，呈平板

流型的状态。

②开泵、起下钻不要过猛过快，钻杆尽量保持在张力下工作，

以减少钻具、钻头对孔壁的剧烈撞击和液柱产生压力激动。同时要防

止钻头泥包和起下钻时抽吸。

③钻孔质量要好，避免“狗腿子“、”大肚子”等现象形成。

④提高钻进速度，缩短施工周期，减少泥浆浸饱时间，同时要保

持泥浆性能均匀稳定，严防泥浆性能大幅度变化，也要根据地层情况

做好扩孔程序和钻孔轨迹的设计。

(4)泥浆性能方面，要控制泥浆PH值在8.5〜9.5之间，可以减

弱高碱性环境的强水化作用，并且适当降低失水量，提高泥浆滤液粘

度，减少进入地层的水分含量。

(5)使用防塌泥浆，防塌最根本的问题是抑制混页岩的水化，这

不仅会维持孔壁稳定。

且对上述情况也有利。要有效地抑制泥页岩水化，最好是使用防

塌泥浆，一般选用的有以下几种类型：

①低失水、高矿化度泥浆。如盐水和饱和盐水泥浆，还有氯化

钙泥浆，皆属抑制性泥浆。其特点是泥浆中的Na+、Ca+离子含量很高,

对泯页岩有明显的抑制水化膨胀的作用。故称为高矿化度泥浆。尤其

是CaC12在泥浆中溶解度很大。能配成高钙泥浆，其控制泥页岩的水

化膨胀，防止泥页坍塌效果更显著。

②石膏泥浆。石膏泥浆中可提供300~500mg/L沈度的钙离子，

此泥浆能防止泥页岩地层的膨胀、坍塌，其性能稳定具流动性好。

③钾基泥浆。钾基泥浆能够提供钾离子（K+）,其大小（直径

为2.66A）恰好与微晶高岭石晶格的氧原子六角环差不多（空穴直径为

2.82A）,故易嵌入氧原子六角环中。于是一方面使结构紧［密，另一方

面靠近粘土的晶格负电荷中心，使粘土负电荷减少，从而减弱了泥页

岩的水化分散性，较好地预防了塌孔。

5、塌孔的处理

在使用防塌泥浆，积极做好防塌措施之后，还是不可避免地会出

现不同程度塌孔。若塌孔一旦出现，可采用以下处理措施：

（1）提高泥浆的粘度、切力，适当升同［密度，控制泥浆低失水,

以小排量循环冲洗或钻进，使环形空间的泥浆呈平板型层流或塞流，

将塌块和岩屑带出。

（2）塌孔现象好转时可换用防塌泥浆，孔内情况下常时可以恢复

使用正常钻进时的泥浆参数进行钻进。

(3)塌孔严重、塌块尺寸很大时，在保持环形空间层流状态的前

提下可加大钻头水眼，使用同泵和适当排量冲洗，以便将坍塌的大块

岩屑带出地面。冲洗时可配制一定量的高切力、高粘度泥浆清扫孔底

和钻屑。例如：

①CMDC泥浆封闭法：就是用Na-CMC处理泥浆，使其粘度、切力较

在，注入到坍塌孔段进行封闭的方法。Na-CMC加入沁浆后，既能降低

泥浆的失水，又能提高泥浆的触变性，注入到易塌孔段后，可形成较

强网状结构，有利泥糊孔壁，使孔壁稳定，防止了塌孔。

②纯碱榜胶法：就是利用纯碱和榜胶处理泥浆，用来封闭坍塌

孔段。其方法是：用纯碱：格腔=1：1的比例加入泥浆，使泥浆具有高

牯度、高切力和低失水的特点，泥皮薄而韧，用来封闭疏松易塌地层

效果好。

四、工程质量保证措施

一、质量目标

本工程质量目标：合格

1、质量目标管理办法

①牢固树立起“质量第一”和“为顾客服务”的思想。

②将企业和项目的质量方件和质量目标始终贯穿到质量管理

工作中，横向展开到各个有关部门，纵向分解到每个作业点，做到纵

向衔接，横向协调。

③实现质量管理业务标准化，管理流程程序化。明确规定出项

目各个部门，各个环节的质量管理职能、职责、权限，并把各单位工

作体系之间字整个项目部范围中联系起来。

④建立一套灵敏、高效的质量信息管理系统，规定质量休息反

馈、会传递处理的程序和方式，保证整个项目部的信息全面、及时、

准确。

2质量目标控制内容

①严格工艺纪律，施工现场的生产工艺和操作规程是操作乾进

行生产的依据和法规，任何人都必须严格执行，做以依规程工作，违

反必纠。

②掌握施工生产现场的质量动态，这就是指照一定的要求，夺

质量状况进行综合统计与分析，用数据和控制图及时掌握质量现状，

发现质量问题，明确对策和方向，迅速予以改正。

③加强质量检验工作，充分发挥质量检验的重要作用，促使工程

质量在管理状态下稳定与提高。

④建立质量管理点，在施工生产现中，对需要控制的质量特性,

工程关键部位或质量薄弱环节，在一定时期内一定条件下强化监督管

理，并指派具有娴熟技能、丰富经验的施工人员操作，使工序处于良

好的受控状。

四、项目质量管理网络图

公司质检站

项目部技术负责人

班组质检员

五、安全文明施工

安全生产指导思想：贯彻“安全第一，预防为主”的方针，有效

地控制和防止事故的发生。

（一）、安全目标

1、无工伤、死亡事故。

2、无交通死亡事故

3、无等级火警事故。

（二）、施工安全生产总体措施

1、由资深安全员担任专职安全条线负责人，成立安全综合办公室,

全面负责施工全过程的安全检查，安全布置，安全监督和安全奖惩。

2、全体管理人员牢固树立起“抓安全一刻不忘，管理安全理直气

壮”的观念，做到施工现场“发现隐患立即整改，发现违单间立即停

止”，确保项目安全目标的达到。

3、每月组织各施工要线和班组进行安全设施大检查，进地总结评

比和奖惩。

4、所有油口，临边的安全设施在解除前，应得到安全部门的同意。

5、各施工操作需均应设若干灭火器，实地统一管理，在各施工操

作面上设消防龙头。