淺析水平定向鉆技術在城市管網施工中的應用及方法

尚艷偉

摘要：水平定向鉆技術突出的優點和日益成熟的技術，其應用范圍不斷拓寬，如今不僅應用在非開挖管線鋪設領域，而且可用于地礦、冶金、石油等領域，用來實現地下的地質勘探及資源開采及其他一些特殊的地下空間場合。目前國內水平定向鉆技術的研究也已達到一定的程度，不但可以研制出國產中小型鉆機，而且正在不斷的拓寬該技術的應用領域。現在已不僅僅把水平定向鉆技術應用于復雜條件下管線的鋪設，而且還可以應用到地下危險區域的勘探、信息采集等方面的工作，如穿越繁忙高速公路或河流的軍用光纜的鋪設，地下核試驗后坑道區域的土壤數據的自動采集。

關鍵詞：水平定向鉆技術；城市管網施工；應用

穿越技術作為非開挖施工技術的一個分支，應用于油氣管道施工的歷史雖然不長，但在廣大科研人員和工程技術人員堅持不懈的努力下，自20世紀70年代引入我國以來己經有了長足的發展，在穿越河流、湖泊、高等級公路、鐵路、建筑物等地面障礙物的施工中正得到越來越廣泛的應用，并且取得了驚人的成就。

1、水平定向鉆技術的優缺點

水平定向鉆進鋪管技術是一種現代非開挖施工技術，其基本原理為：按預先設定的地下鋪管軌跡鉆一個小口徑導向孔，隨后在導向孔出口端的鉆桿頭部，安裝擴孔器回拖擴孔。當擴孔達到尺寸要求后，在擴孔器的后端連接旋轉接頭、拉管頭和管道，回拖鋪設地下管道。

水平定向鉆進鋪管的施工順序為：地質勘探及地下管道探測、規劃和設計鉆孔軌跡、配制鉆液、鉆先導孔、回拉擴孔、回拉鋪管。

在各施工順序中，導向孔軌跡設計是否合理對管道施工能否成功至關重要。鉆孔軌跡的設計主要是根據工程要求、地層條件、地形特征、地下障礙物的具體位置、鉆桿的入、出土角度、鉆桿允許的曲率半徑、鉆頭的變向能力、導向監控能力和被鋪設管道的性能等，給出最佳鉆孔路線。

不論是盾構或是頂管施工，對高壓燃氣管道施工而言皆存在施工周期長、施工投入大、施工風險高等缺點，而水平定向鉆施工恰恰能夠避免以上問題。

1.1、水平定向鉆穿越技術的優點

（1）、適應性強。采用定向鉆穿越技術穿越河流對不同的水文地質條件較適應，不必考慮水流速度和深度，也不會受到汛期影響；

（2）、鋪管精度高。穿越一般入土點誤差為零，出土點的誤差縱向可以控制在1%，橫向可以控制在5‰的范圍內；

（3）、能確保埋深。在河床沖刷嚴重，有下切傾向，或水流湍急，截流或圍堰存在困難的情況下，技術可以確保管道埋設在穩定層以下；

（4）、環境影響小。定向鉆穿越大部分工作都是在地面以下完成，對地面的干擾很小。

1.2、水平定向鉆穿越技術的缺點及難點

穿越施工目前存在的難點主要表現在如下幾方面：

（1）、在碎石土類地層和硬巖地層中施工非常困難；

（2）、風險比較大；

（3）、穿越設備比較昂貴；

（4）、場地和地質條件會帶來一定的局限性；

（5）、泥漿的處理需要認真考慮。

穿越施工與傳統的開挖及其它非開挖施工相比，也存在一些突出的難點問題，主要表現在：

（1）、不同的工程面對著不同的水文地質條件，同一個穿越工程要經過多個地質層面。要成功地進行一次穿越，必須在深入了解這些地質條件的基礎上充分適應它的變化；

（2）、目前還沒有一種可行的施工方案能夠適用于多個穿越工程的施工；

（3）、到目前為止，這個行業內還沒有形成一個統一的、得到普遍認同的設計、施工技術標準；

（4）、穿越技術在復雜地層的穿越還存在很大的困難。在不均勻地層和流沙類地層中穿越的風險也較大；在碎石類、硬巖類地層中穿越成功的范例較少。

2、水平定向鉆技術在城市管網施工的應用及方法

2.1、水平定向鉆預制管道防腐層的改進

水平定向鉆穿越是長輸管道工程的關鍵環節，其所占投資的比重相對較大，而且它還具有不可修復性的特點；定向鉆穿越的管道較深，穿越管道及其防腐層長年浸泡在地下水里，對熱收縮帶抗水汽隔絕性能、陰極保護、耐腐蝕、抗老化等都提出了很高的要求。另外，定向鉆穿越在管線回拖過程中不可預見性因素很多，對鋼管、主防腐層及補口帶的耐磨擦、抗沖擊、抗剪切等指標的要求都很高。尤其對于補口帶來說，因其要搭接在主防腐上，比主防腐層要高出一塊，而且補口帶必須在現場施工，因此對它的性能指標要求更甚。鑒于以上特點，美國瑞侃公司在其常規補口用熱收縮帶的基礎上，研制出了專門用于定向鉆穿越的補口專用熱收縮帶，并在全世界得到了廣泛的應用。

2.2、瑞侃定向鉆穿越補口帶的主要特點

瑞侃公司定向鉆穿越補口帶除具有瑞侃常規熱收縮帶的優點外，還具有以下特點：

（1）、基材是加強纖維和高密度聚乙稀，具有高強度、長壽命（保證50年以上）、強耐磨和極低的透水性；

（2）、內層的熱熔膠較瑞侃普通熱收縮帶的熱熔膠來說，更具有抗老化性和抗剪切能力。

（3）、具有出色的水汽隔絕性能。

（4）、具有極強的耐水浸泡性能。

（5）、基材和熱熔膠具有極強的抗低溫和耐高溫性能。

（6）、具有抗高剪切力和抗剝離能力，能經得起定向鉆穿越時從土壤中產生的高剪切力和高碾磨。

（7）、自身即具有完全陰極保護和抗陰極傳電剝離的能力。

（8）、安裝非常簡單方便，安裝后對質量的判斷方法亦簡單。

本工程采用進口定向穿越專用補口帶，防腐層得以較好的保留，高壓管道得到了完好的保護。

2.3、回拖管增加膨潤土墊層

由于定向鉆預制管道擺放在現狀自然地面，該處現狀起伏較大，若按照原地面回拖，防腐層必將受到影響，因此，在回拖前在每隔10米堆置袋裝膨潤土做墊層，既保護管道防腐層，又能減少回拖時的摩擦阻力。

2.4、增加輔助機具保證回拖順利

雖然本次定向鉆鉆機選型已趨于保守，并且回拖前最終擴孔直徑eD =1067 mm，但為保證定向鉆回拖一次成功，本次回拖增加了5臺25T規格吊車，每臺吊車相隔約80～100m，管道回拖時，吊車將管道吊起，隨著回拖轉桿勻速將管道送進孔內，最大限度的減少管道在孔中的摩擦力，并加快了回拖速度。

結論

定向鉆進技術未來的研究熱點主要會集中在如下幾方面：

（1）、導向測試與控制技術；

（2）、鉆機和鉆具的研制；

（3）、成孔液的研發、設計和調配；

（4）、科學理論分析和計算及相關的力學數理模型、量化計算公式以及軟件程序的研究開發。

在采用水平定向鉆穿越施工中，最大回拖力是各種因素（包括地質條件、穿越曲線、擴孔工藝、泥漿性能、管道規格、發送方法等）共同作用的結果。采用三種計算方法對工程實例進行回拖力計算，分析影響回拖力計算的因素及實際回拖力選取考慮因素，對工程施工具有一定的指導意義。根據理論分析和實例應用，當根據回拖力計算值選擇鉆機時，建議選擇三種計算方法中最大值的1.5 倍作為鉆機實際回拖力。

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