探討水平定向鉆進技術在供水管道工程的應用

【摘 要】水平定向鉆進鋪管法是一種性價比很高的鋪管方法，它在長距離的特殊穿越工程中有著良好的應用。但作為一門新興技術，在具體實施過程中仍有許多要點值得探討。筆者結合工程實例，詳細介紹了某工程供水管道穿越城市道路不開挖水平定向鉆進施工工藝，就施工技術工藝及施工過程中的質量控制措施進行了詳細探討，并進行了闡述。

【關鍵詞】供水管道；水平定向鉆進；施工工藝

1 引言

目前，隨著城市化建設的不斷發展，人們對城市的交通和環境的要求也越來越高。在城市繁忙的交通路段，開挖敷設地下供水管道勢必會影響環境與城市交通，特別是橫穿城市主干道的地下管道。管道水平定向鉆進施工在管道穿越公路、鐵路、建筑物、河流、湖泊、古跡保護區、鬧市區、農作物及植被保護區施工時可以帶來顯著的社會效益、經濟效益。采用水平定向鉆進技術是一種比較理想的施工工藝，也是地下管線施工中穿越障礙時常用的一種施工技術。采取水平定向鉆進施工方法不僅會產生良好的經濟效益，而且產生良好的社會效益。但作為一門新興技術，在具體實施過程中仍有許多要點值得探討。下面筆者結合工程實例，對在供水管道水平鉆向施工的技術及施工工藝進行總結、分析并進行探討。

2 水平導向鉆進原理

導向鉆進鋪管法原理：使用水平定向鉆機進行管線穿越施工，其工作過程是通過導向儀進行導向和探測，先鉆出一個與設計管線相同的導向孔，然后再將導向孔擴大，把產品管線回拖到擴大了的導向孔中，完成管線穿越的施工過程，實現不開挖鋪管。

3 導向孔的鉆進過程

施工過程一般分為三個階段：第一階段是按照設計管線盡可能準確的鉆一個導向孔；第二階段是將導向孔進行擴孔，造孔泥漿固壁；第二階段是將管（本工程為PE管道）牽引入已造成型的孔洞中，完成管道敷設工作。導向鉆進是鋪管成功的關鍵環節之一，這個過程需要至少兩名操作人員，一名鉆機操作者，操作鉆機，控制鉆具在地下的狀況；另一名是定位探測儀操作員，負責監測、探測鉆頭在地下的走向、標高和進尺情況。鉆頭上裝有可發射無線信號的探頭，它可穿過地層發出一種特殊的電磁波，操作員手中的探測器可以接受這些信號，并經過處理后，讓鉆機操作者及時了解鉆頭目前的位置，顯示的信號包括鉆頭走向、深度和面向角等信號，通過儀表掌握鉆進過程中施加給鉆桿的壓力和回轉扭矩，及時調整鉆頭的方位，確保鉆頭按照事先設計好的軌跡鉆進。鉆機操作者在鉆機儀表盤上，還可以看到來自探測裝置反饋過來的一切信息，鉆機操作者通過這些信息來調整鉆頭方位，操作臺上的液壓儀表和遠距離信息顯示儀表，就像操作者的眼睛一樣，可以隨時觀察孔底情況。

4 擴孔

擴孔的工藝過程：預擴孔就是在實際鋪設管線之前，經過一次或多次的擴孔來擴大鉆孔的直徑，以減小回拉鋪管的阻力，確保施工順利完成。成孔孔徑要求在牽引管組外切圓的1.2～1.5倍。導向孔鉆完成后，將鉆頭從鉆桿上卸下，安裝上合適的反擴孔鉆頭和分動器，然后在分動器后面接上回拉鉆桿，進行擴孔鉆進。擴孔的速度和地質及鉆機的參數等因素有關，要選用合適的擴孔工藝參數才能順利完成擴孔工序。

5 管材選擇

牽引管常用管材有鋼管和PE管。PE管由于韌性好、耐腐蝕性強在污水和燃氣領域應用廣泛，但PE材料強度低，具蠕變性，存在工后收縮問題，接頭處需設固定鎮墩，遇重要工程還需加設套管，故中小型工程應用較多。鋼管具備一定柔性，強度遠高于PE管，只要解決好腐蝕問題，可靠性大大高于PE管。該工程為供水干管，要求保證率高，輸送介質為凈水，腐蝕度較輕，另外現場開闊，無其他建（構）筑物干擾，曲線平直，非常適宜采用PE管。

6 回拖管線

回拖管線的工藝過程：經過預擴孔后，才可以進行PE管的回拖工作，回拖管線時PE管在擴好孔的孔中是處于懸浮狀態，管壁四周與洞之間由泥漿潤滑，這樣即減少了回拖阻力。經過鉆機多次預擴孔，最終成孔直徑一般比管子直徑大150mm，所以不會傷害PE管外壁。先將拉管頭與待鋪管道聯接起來，然后將拉管頭與分動器聯接，隨著鉆桿的回拉，管道慢慢進入孔內，直到完成全部管道的鋪設。然后卸下擴孔鉆頭及分動器，鋪管工作完成。

7 泥漿

鉆液混合攪拌與泵送系統是鉆機施工系統的重要組成部分。混合攪拌系統是將水、膨潤土、聚合物等按一定比例加入混合倉，而后進行充分攪拌形成鉆液。泵送系統是由鉆液泵將鉆液通過中空鉆桿輸送至孔底鉆頭，并與孔中鉆屑混合形成泥漿在孔底流動。泥漿是定向穿越中的關鍵因素，被視定向鉆的“血液”，其主要作用是攜帶和懸浮鉆屑并排到地表、穩定孔壁和降低鉆進時所需的扭矩和推拉力、冷卻和沖洗孔底鉆具。泥漿的主要工藝性能是流變性和失水造漿性，現場控制的主要因素是泥漿的粘度、各種添加劑的配制以及泥漿的壓力和流量。

7.1 泥漿性能的控制和調整

泥漿添加劑：為保證泥漿具有良好的流變性、高攜砂性、固壁和潤滑性能、在配出基漿的基礎上，再按基漿重量的2～4‰比例加入的各種泥漿添加劑，使用的泥漿添加劑有：增粘劑、固壁劑和潤滑劑等。粘度控制：根據穿越段地層情況，在鉆導向孔階段，泥漿粘度控制在35～45S；在預擴孔和回拖階段泥漿粘度提高5～10S；實際工作中，泥漿的粘度隨土層的不同而變化，并選用不同的添加劑。

7.2 泥漿用量

定向穿越泥漿壓力和流量是控制原則是高流量、低壓力，通過調整高壓泥漿泵的檔位和轉速、泥漿噴嘴的直徑和數量、控制鉆進和回拉速度等。

8 具體施工技術方案和措施

8.1 工程概況

某項目自來水管道工程，管材采用給水PE管，管道直徑De200，壓力等級1.0MPa，管道覆土≥0.7m，需穿越城市主干道敷設，管道全長60m，管道采用定向水平鉆進施工。

8.2 現場勘查

采用RD4000專業地下管線探測儀進行現場勘查探測，確定地下管線管網管位，繪制地下勘測圖，設計施工工藝與微控鋪管軌跡中心，確定施工方案。

8.3 根據設計的要求、施工現場地質情況、原有地下管線和施工設備能力為依據，確定鋪管中線及深度，設計導向孔軌跡。

8.4 施工準備

確定鋪管地面走向線，并在路面標示，沿走向測量標高，施工導向孔的深度，并將以此為基準。開挖施工工作坑。設備的安裝：做到平穩、牢固、周正，鉆機軸線與鉆進軌跡設計方向成一條直線，并敷設的管道兩端開挖工作坑。

8.5 導向孔施工

設計管道導向孔軌跡線，采用CT-320定向鉆機作導向鉆進，根據設計軌跡線，利用RD386L型定向系統導航儀進行跟蹤導向，控制導向孔的軌跡，使導向孔軌跡接近設計軌跡。

8.6 擴孔

采用逐級擴孔（或擠壓）的方法，根據拉管數目（本工程只有一根管，可以多根管一起拉）與該地段地質的實際情況，分級采用準200～準600mm鉆頭進行分級擴孔，同時進行噴漿固壁造孔，直至達到牽引工藝要求所需孔徑。擴孔時，轉速為90r/min，孔徑增大，轉速降低，扭矩控制在10～12MPa，泵量為120r/min左右，泵壓為6～10MPa。擴孔的原則和需要注意的事項：

8.6.1 擴孔時，回擴頭后面帶的不是管子而是鉆桿，鉆桿是通過萬向節與回擴頭連接被拖入鉆孔中的；

8.6.2 在將后面的鉆桿安裝之前，要確信鉆機是被鎖定的；

8.6.3 當擴孔完成，拉完足夠的鉆桿后，將鉆機鎖定，用液壓管鉗在出口點卸開鉆桿接頭，接上回擴頭、萬向接和鉆桿轉換連接桿；

8.6.4 按照安全操作步驟進行擴孔。保持機組成員與操作員密切聯系、確保整個連接過程的安全；

8.6.5 擴孔時視工作坑反漿情況，合理調配泥漿的粘度、比重、固相含量等技術參數。

8.7 鋪管即回拖管線

鋪管前，先按設計要求的PE管焊接安裝，采用牽引鋪管的方法，將其管道回拉拉入孔內。回拉管前必須使孔內余土出盡，安裝專用拉管工具頭，在拉管頭前帶一個略大于拉管頭的擴坑鉆頭，當拉管受阻時，可轉動鉆頭以減小拉管阻力。拉管到位后，切除拉管頭、封堵管口，現場清理即敷設管道工作完成。回拖管線是水平鉆進的最后一步，也是關鍵的一步。回拖管線時應注意事項有：

8.7.1 回拖的過程中，主要是目標是將回擴頭切削下的鉆屑與鉆液混合成泥漿，以便將泥漿排出，為新裝管線提供足夠的空間；

8.7.2 回拖的過程對于成功地完成一個鉆孔是非常重要的，這時需要合適性能和足夠的鉆液；

8.7.3 將回擴頭與鉆桿連接起來之前，檢查萬向節是否可用手自由轉動；

8.7.4 拖頭是錐形的封頭，要求能承受回拖過程中將要承受的回拖力；

8.7.5 在回拖前、過程中和回拖之后，操作員和在產品管線一側的機組成員之間要求有良好通訊，隨時反饋各自的信息，從而保證回拖工作的順利進行；

8.7.6 回拖時回擴的速度不宜太快，需要時間切削地層并將切屑混合成泥漿。

8.8 關鍵工序和特殊過程的控制

監測與控制：在鉆進導向孔時能否按設計軌跡鉆進，鉆頭的準確定位及變向控制非常重要。鉆進過程中對鉆頭的監測方法主要通過隨鉆測量技術獲取孔底鉆頭的有關信息。孔底信號傳送的方法是采用電磁波法。電磁波法的測量范圍較小，一般在300m以內水平發射距離，測量深度在15m左右。電磁波法測量的原理為：在導向鉆頭中安裝發射器，通過地面接收器，測得鉆頭的深度、鴨嘴板的面向角、鉆孔頂角、鉆頭溫度和電池狀況等參數，將測得參數與鉆孔軌跡進行對比，以便及時糾正。地面接收器具有顯示與發射功能，將接收到的孔底信息無線傳送至鉆機的接收器并顯示，以便操作手能控制鉆機按正確的軌跡鉆進。目前，電磁波法在中小型鉆機上應用較多。

9 結語

國內管道建設中水平鉆進技術已得到普遍的應用，從技術、經濟、安全等諸多方面進行分析比較，鉆進技術是可以獲得較好的經濟效益和社會效益，也適合現代城市建設的需要，也得到從業者的普遍認可。相信隨著管道建設的發展，以及水平鉆進技術的進一步專業化，必將對國內的建設事業產生巨大的社會效益和經濟效益。

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