水平定向鉆技術在市政工程中的應用

沈春嵩

(上海建科工程咨詢有限公司，上海 200032)

0 引言

在過去的管道建設中，施工技術水平隨著社會需求的發展越來越體現出了它的局限性，水平定向鉆技術也稱非開挖技術，近年來被廣泛應用于地下管道、交通主干道、湖泊河流等施工中，它的出現對工程建設的工作效率和擴展應用場景都有了極大的提升，與過去的施工技術相比，水平定向鉆技術可在最大程度上減少施工現場對周圍居民、環境以及交通的影響。

1 水平定向鉆技術概述

水平定向鉆技術在進行操作時，需要水平定向鉆機在地下工作，按照規劃好的路線進行鉆孔，這種施工技術不會破壞地面，鉆機會從地面的某個地方進去再從某個地方出來，目前水平定向鉆機已經能適應大部分地面的施工要求，并且在鉆機工作時加入了導向技術，讓鉆機更加智能化，被廣泛應用到市政工程的各項建設中。

在應用水平定向鉆技術時，要規劃好管道施工方案，因為鉆機在工作中的走向需要施工方案提供路線指引。在施工方案制定完成后，施工現場應定位好導向孔，即鉆機的工作的起點。通過驅動鉆桿進行水平定向鉆的施工，這一過程需要水平定向鉆的技術人員時刻關注鉆頭的工作方向是否和施工方案中規定的一致，當發現水平定向鉆工作的路線出現了偏差，可利用土層的反作用力來進行方向的重新定位，在操作過程中若出現無法逾越的障礙物，鉆機的操作人員應操作定向鉆進行移位。水平定向鉆在鉆孔結束后將鉆頭換成回程擴孔器，同時方便將鉆桿收回來，進一步將孔擴大，以達到施工方案的要求，最后埋入管道完成施工。

2 水平定向鉆施工技術的優勢

2.1 對環境的影響小

傳統的市政工程管道施工需要挖溝渠，會對周圍居民生活和地方的交通造成影響；水平定向鉆技術是在地下進行施工，對交通的影響很小，同時不會對地面上各類建筑造成影響。

2.2 精度準確性高

傳統的市政工程管道施工過程因為是人工挖溝渠，所以在精度方面會有一定影響。水平定向鉆技術加入了導向系統，擁有更高的精度，在實際線路走向以及躲避障礙物方面與施工方案近乎一致。

2.3 符合生態環保理念

隨著社會的發展，人們生態環保理念增強，傳統的市政管道施工由于對環境的影響大，不符合國家對生態環保理念的倡導。水平定向鉆技術除了對環境影響小、工作效率高，還能最大程度保留施工現場原有的地勢地貌，更符合國家對生態環保理念的倡導。

3 水平定向鉆施工技術在市政管道中的實踐應用

3.1 工程概況

上海市某區要進行輸水管網完善工程，該管道工程與通航河道正交且周邊環境靠近高速公路和鄉鎮，為盡可能減少對周圍交通環境的破壞，采用水平定向鉆技術進行施工。主要工程量為：單孔直徑828 mm鋼管(壁厚14 mm)、長度575 m穿越掘石港施工。

3.2 具體應用方法

3.2.1 安裝鉆機

施工方案制定完成后，第一步是鉆機的安裝工作，按照施工方案中規劃好的位置，將鉆機以及與鉆機相關的設備利用吊車放到指定的位置，這個過程須保證鉆機以及管道這兩者之間的中心線要重合，否則鉆機在工作過程中偏差會很大。另外，應保證鉆機的軌道和管道穿越的入口處之間的夾角和設計方案中的入土角一致。該工程中鉆機運行軌道以及入土角的設計主要根據實際工程中地形、地質以及管道直徑來綜合考量，最終確定入土角為-9°，出土角為+6°，穿越管段的曲率半徑不小于800 D。

在鉆機的位置以及高度都確定好后，還需要對鉆機進行錨固，在這之前，需要先對鉆機錨固的區域進行地下探測，防止錨固不牢的狀況發生，錨固不牢會導致鉆機在工作時走向發生偏移，不能按照施工方案規劃的路線進行，拖慢工程的進度。同時錨固不牢對鉆機的回拉也有影響，會出現鉆桿拉不回的情況，進而對鉆機造成永久性傷害。本工程回拖力較大，錨固的方式將采用地錨箱和錨樁聯合固定的形式。其中地錨箱尺寸為：4 000 mm×2 000 mm×1 500 mm，在地錨箱安裝之前會打入8根直徑219 mm、長度6 m的鋼管作為錨樁，同時把鋼管和地錨箱連在一起形成整體，以確保鉆機錨固牢固。

3.2.2 導向孔的施工

近年來，水平定向鉆技術逐漸加入導向儀，此項技術的加入大大提高了鉆機的工作效率，進一步保證工程的順利完成。在鉆機準備工作完成后，不僅要檢查鉆機是否有問題，還要按要求進行試鉆，確保鉆機可正常工作。鉆機安裝結束后進行導向孔施工，對施工區域的地質進行分析，將控向、泥漿和司鉆的每個環節都落實到位，并分析各項參數以確保鉆出的導向孔符合施工方案，在實際鉆孔時，還要參照穿越曲線以及設計曲線，保證鉆孔過程中方向控制的準確，具體來說導向孔施工期間，將建立穿越曲線數據庫，采集每個數據采集點的，傾角、方位角、水平距離、高差、左右偏差值等控向數據。該工程導向孔施工采用月蝕導向系統實時跟蹤與定位，保證數據準確性。具體工況如圖1所示。

圖1 導向孔施工

3.2.3 鉆孔糾偏

鉆機在工作過程中不可避免會受到一些其他未知干擾因素的影響，這些干擾因素會使鉆機的工作方向出現較小偏差，因此，需要時刻關注鉆機控制臺上顯示的實際情況。鉆機上有安裝傳感系統，當鉆機的運行方向在控制臺屏幕上顯示的與施工方案中規劃的方向不一致時，應調節鉆桿位置，將鉆機的方向朝著預定的路線進行工作。需要注意的是不要操之過急，因為鉆機方向的調整主要靠鉆桿的糾正來進行，若是急性調節會導致最后拖管的時候鉆桿拖不動的情況。

3.2.4 擴孔的施工

在導向孔施工完成后，進行管道安裝，但為最大程度上確保管道可順利安裝，需要進行擴孔工作，通常擴孔直徑要比導向孔直徑大1.5倍，同時擴孔還應根據實際導向孔的大小、施工區域的地質特征以及鋪設管道的直徑大小來進行多次擴孔，為保證施工的質量，擴孔器應根據地質來進行選擇，從而符合施工方案。該工程穿越最終成孔直徑應選取1 000 mm×1.2 mm=1 200 mm，通過對現場地質分析綜合考量來看，最終擴孔要達到Φ1 300 mm。當鉆頭到達指定出土位置后，將鉆具拆掉安裝上擴孔器，并在孔洞內噴上泥漿，隨后進行擴孔施工。具體情況如圖2所示。

圖2 擴孔施工

3.2.5 管道的回拖

管道的回拖工作是在管道下溝先放入一些水，以減小管道回拖時的阻力，以及對管道的防腐層進行保護，因此在放入管道前，要派專業的人員對管道進行檢查，以此來保證管道是否合格。管道的回拖工作具體是在鉆桿上裝好擴孔器，擴孔器再與管道頭相連，以此來保證管道的回拖工作可正常進行。若水不能起到減小阻力的作用時，那么需要加入適當的潤滑劑來保證管道可順利穿過鉆孔。另外在回拖的過程中還會產生一部分的泥漿，這些泥漿也要進行專門的處理，以保證不會對周圍的環境造成破環。管道在出土時，為了保證回拖順利進行，避免出現管道在地下回拖時候出現拖不動的狀況，一定要控制好出土的角度以及方向。具體情況如圖3所示。

圖3 管道回拖施工

3.2.6 泥漿的控制

在水平定向鉆的施工過程中，由于鉆頭要穿越地層，難免會因為土體擾動而產生地表沉降，因此對地表沉降的控制是定向鉆施工的重要工序。泥漿具備冷卻、護壁、攜砂能力以及良好的潤滑效果同時也是最簡便、最經濟的做法，施工工程中大多使用人工造漿作為沖洗液。作為沖洗液的泥漿需要經過一定的配比，往里面加入一些添加劑或者膨潤土，來保證泥漿沖洗過程的質量，同時泥漿的沖洗也能讓機頭得到冷卻，加大機頭和土壤之間的潤滑，進而減小管道與導向孔之間的摩擦。另外，對于不同的土層結構，為更好的保證泥漿的性能，需要添加適量的添加劑來改善泥漿得到流動性能。

4 結語

隨著社會經濟的發展，市政工程項目越來越多，而在市政工程施工時不可避免會對周圍環境造成一定的影響，為防止管道的鋪設對周圍環境以及交通造成影響，可加強水平定向鉆技術的應用，這項技術既能節省成本，還能提高施工效率，具有推廣價值。