非开挖水平定向钻在管道施工中的应用

非开挖水平定向钻在管道施工中的应用摘要：在城市建设中燃气、电力、电信，供水及污水管道施工中经常会遇到公路、铁路、水渠、建筑等设施，为减少管道施工开挖对既有设施的影响，非开挖水平定向钻管道铺设技术应运而生，俗称拖拉管。与开挖施工法相比，水平定向钻管道施工技术具有不影响交通、施工周期短、综合施工成本低、社会效益高等优点，还能保证对管道施工质量的控制，因此近年来一直都得到比较广泛的应用。本文以在建项目毛庄污水处理厂配套尾水管网下穿陇海铁路段管道的铺设为例，详细地阐述了定向钻管道施工技术和注意事项。关键词：非开挖技术；水平定向钻；拖拉管；施工技术0引言随着我国基础建设越来越多，非开挖技术在我国地下管道的施工中起到越来越重要的作用，按其用途主要用于新管铺设和管道修复两大类，非开挖管道施工技术以水平定向钻施工技术的应用最为广泛，其具有施工精度高、施工周期短、占地面积小、安全系数高、施工风险低、社会效益高等特点，解决了传统开挖施工对交通、环境、周边建筑物基础的破坏和不良影响。一般适用于管径φ1200mm以内的钢管和PE管。1工程概况本工程为毛庄污水处理厂配套尾水工程，尾水管网长度共计2588m，管道自毛庄污水处理厂沿紫房路向北至陶公河南岸，再向北下穿陇海铁路，沿吴西大沟东侧至徐庄污水处理厂尾水泵站。本次尾水管网工程除下穿陇海铁路段采用非开挖水平定向钻进行管道铺设外，其余管道均采用开挖沟槽埋设管道的施工方法。下穿陇海铁路段水平定向钻管道施工总长度为168.4m，水平直线段长度为117m。管材选用DN450高密度聚乙烯管(PE100,1.25MP,SDR13.6)，铺设前采用热熔方式进行连接。2水平定向钻工作原理水平定向钻施工的基本原理是在钻杆头部安装一个传感器，在地面上工作人员手持导向仪，对钻杆上的传感器进行跟踪，通过控制室实时观察钻进的线路，如有偏离，及时调整导向钻头的方向和角度，使钻杆按照预定的路线进行钻进。待钻头按预定位置钻出地面后，卸掉钻头，安装回扩钻头并将管道固定在回扩钻头后，使钻机拖动回扩钻头和管道进行反向回拖，直至将管道拖至地面后，管道就铺设完成。施工过程中，采用提前配置好的泥浆进行护壁，防止孔道坍塌，同时也能起到冷却、润滑钻头的作用。3主要施工工艺水平定向钻施工工艺流程：管道探测→钻机选型→泥浆配置→先导孔钻进→回扩钻头扩孔→管道回拖→注浆加固→检查验收→地貌恢复。3.1地下管道探测为避免在管道施工过程中挖断、挖穿既有管道的情况发生，水平定向钻管道施工前，应提前取得待施工管道沿线的地下管道及构筑物的资料。由于很多地下管道资料存在资料不全、精度不高或现状地貌已改变等问题，需根据现有资料进行现场调查核实，并采用探测仪器和挖探坑等方法，复核各种管道和构筑物的埋设位置和深度。3.2方位定位和穿越轨迹根据施工图纸，在施工现场进行测量放样，综合考虑施工范围的地质情况、管道埋深、管道直径等数据，确定管道穿越轨迹的参数，包括钻头入土点、入土角度、出土点、出土角度、水平直线段长度、实际施工长度等。根据铁路行业相关标准，水平定向钻穿越铁路时，管道最小覆土深度为路基坡脚处地表下5m，为确保铁路通行安全，本次下穿管道路基坡脚处覆土厚度确定为6m，经计算本次下穿陇海铁路段水平定向钻入土角和出土角均为13°，入土点和出土点与铁路路基坡脚的垂直距离为25m。3.3钻机选型施工过程中，钻孔及管道回拖主要靠钻机产生的推力、旋转扭矩以及所提供的钻液的流量、压力来完成施工，特别是长距离穿越。因此，水平定向钻机的功率和型号应与工程需要相匹配，需综合考虑施工场地条件、地质情况、敷设管道直径、管道埋深和一次拖拉管长度等因素，来最终确定钻机的型号。经计算此工况下管道与入口处地面摩阻力、管道与孔壁之间泥浆的粘滞力、管道入土段和出土段由于弯曲额外增加的弯曲阻力、扩孔钻头的迎面阻力，本段水平定向钻管道的最大非开挖拉管阻力为295KN，因此本次水平定向钻管道施工采用最大拉力为320kN的XZ320型钻机。3.4钻液的配制钻液在水平定向钻施工过程中起着非常重要的作用，其具有冷却钻头、保护钻头内部传感器、润滑钻头和管道的作用，更重要的是钻液可以与钻孔过程中切削下来的土或沙石屑混合成为流动的泥浆，将砂石屑顺利地排出孔道外，为回拖管道提供足够的环形空间，还可以减少管道回拖时的阻力。同时，残留在孔道中的泥浆还可以起到支撑护壁的作用，防止孔道坍塌。因此，施工时要根据地层条件配制适合的钻液，钻液的质量越好与钻屑混淆越适合，所创造的泥浆的流动性和悬浮性越好，回扩成孔的成效越理想，水平定向钻施工成功的概率就越高。钻液由水、膨润土和聚合物构成。水是钻液的主要成分，膨润土和聚合物往常称为钻液增添剂。有时为改良泥浆性能，还要加入其他的化学处理剂，如烧碱(或者纯碱)可增粘、增静切力、调理pH值，投入烧碱量普通为膨润土量的2%REF_Ref2268\r\h[1]。3.5管道连接由于本次水平定向钻管道的一次拖拉长度为168.4m，故需对现场管材进行连接，采用热熔方式进行连接。PE管的连接是PE管道电熔连接的核心环节，管道连接前需根据管件规格选择合适的电熔焊机。正式焊接管道前，对管道进行试焊，以确定焊接参数。焊接时，将管材接头处进行清洁处理，防止有杂质和水分影响焊接质量。固定好支架，防止管材在焊接过程中产生移动而出现管道错位现象。在管道焊接完成后，需要经过足够的时间对连接部位进行冷却和固定，以确保连接部位的稳定性和可靠性。对于大型管道连接，需要采取分段冷却和固定的方式，以避免管道下垂或变形。冷却和固定时，不得移动管道，确保连接部位不会受到外力的影响而产生移动或变形。在管道冷却、固定完成后，需要检查连接部位的外观质量、观察是否有气泡、裂纹等，以确保连接部位的质量符合要求，最后对的管道整体进行压力试验，确保管道连接部位的强度的可靠性。管道焊接流程图3.6导向孔钻进导向孔的钻进施工前应先固定钻机，由于在管道回拖过程中管道会因重力的作用而出现下沉，为消除管道下沉对管道高程产生的影响，需对钻杆进行调整，使其略高于设计管道的中心高程。在导向钻头内安装传感器，导向钻头后端与钻杆连接，由钻机驱动钻杆并向其施加压力向前钻进，根据提前设定好的入土角度和入土位置，将导向钻头打入地下。地面工作人员手持导向仪接收器，随钻头的钻进同步接收信号，控制室操作员根据接收器实时显示的钻进参数进行钻孔轨迹控制。若发现钻头偏离预定的线路时，及时地进行纠偏，通过调整钻头的倾角、旋转角等参数改变钻头方向和深度，确保钻头按照按设计的轨迹进行钻进。施工过程中，控制室操作员应时刻注意钻进过程中扭矩显示表、推力显示表REF_Ref2268\r\h[1]、钻液压力和流量表是否发生不正常变动，发现问题时应立即停止钻进，待查明原因后采取相应措施后施工REF_Ref3199\r\h[2]REF_Ref3212\r\h[3]REF_Ref3219\r\h[4]REF_Ref3222\r\h[5]。最终在地下形成一条直径为100mm的导向孔，孔道中心线即为所需敷设管道的中心线REF_Ref3199\r\h[2]REF_Ref3212\r\h[3]。导向孔钻进示意图3.7扩孔及管道回拖在导向孔形成后，开始进行扩孔。扩孔一般分为一次性扩孔和逐级扩孔，其中逐级扩孔适合于管道直径较大或地层土质为中砂、粗砂及沙砾土时，无法一次扩孔成型的情况，经过多次扩孔钻进，使孔道直径逐渐扩大至尺寸要求。本段水平定向钻管道直径仅为450mm且地质条件较好，故选取一次扩孔的方式进行施工。扩孔施工前，要将管道连接成所需的长度并将两端管头密封。然后将导向钻头卸下，安装扩孔钻头和万向节，并将管道固定于万向节后。启动钻机回拉钻杆进行扩孔和管道回拖，直到管道一次性拖入已形成的孔道内，完成管道铺设工作。最后，为了避免地面发生沉降，应及时对管道周围的空隙进行注浆加固处理。管道进入孔道时，应调整管道的位置，使管道平顺地进入孔道，避免管道与孔道形成夹角，进而增大摩阻力。回拖过程中应保持泥浆循环，操作人员要观察仪表参数的显示，使管道回拖速度平稳，避免生拉硬拽。扩孔示意图管道回拖示意图4施工常遇问题及预防处理4.1导向方面导向工作是水平定向钻管道施工中的重点，导向的失误可能造成钻进方向偏离预定的路径，进而导致整个水平定向钻施工的不能顺利完成，所以要确保导向仪和传感器的精度和可靠性，着重加强控制器的操作和导向控制，发现问题时要及时进行测量和纠偏，调整钻进方向，确保钻进路径的准确性。4.2钻头堵塞钻头堵塞是水平定向钻施工中常见的故障之一。造成钻头堵塞的原因很多，如钻液性能不佳、孔径过小、钻进速度过快等。为了解决钻头堵塞问题，可以采取以下措施：选择合适的钻液，根据地层土质情况，调整钻液的配比，确保其具有良好的润滑性和清洗性；控制钻进速度，避免因钻进过快导致钻头堵塞。4.3孔道坍塌地质软弱是导致塌孔的主要原因之一，塌孔位置的土质通常松软、承载力不足。水平定向钻在不稳定地层中施工时，当泥浆压力不能平衡地层压力时，就会发生塌孔；施工过程中，如扩孔的速度过快，泥浆泵的压力过大也会造成塌孔现象发生。在这种情况下，应在施工前加强土质勘测，钻液的配制符合地层土质的特点，增大钻液的密度；选择合适的钻头和钻进参数，避免出现塌孔现象。4.4地面沉降或隆起水平定向钻施工对地面的影响较大，容易导致地面沉降或隆起。不仅会影响施工进度，还可能对周边环境造成不良影响。为防止出现地面沉降或隆起的现场，在施工前应对地面进行注浆加固处理，提高地面的承载能力；在钻进施工过程中，合理地控制钻进参数，减轻对地面的损伤，同时，加强对地面的监测，及时发现并处理地面沉降或隆起问题。5结语水平定向钻作为一种先进的非开挖技术，现已广泛应用于管道、通信、电力等领域的施工。本文通过实例详细介绍了水平定向钻的工作原理及施工工艺流程，主要包括导向孔轨迹设计、钻具选择、导向孔钻进、扩孔及管道回拖和施工中常遇问题及预防处理等方面内容，旨在为以后同类工程施工提供有益参考和借鉴。参考文献汪幼云.非开挖管道采用导向拖拉探察管位障碍物