水平定向鉆施工技術及應用案例

李曉慧

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

0 引言

定向鉆施工是指在不開挖地表面的條件下，鋪設地下管道、線纜等的一種施工方式，目前廣泛應用于給水管道、電力線纜、通信光纜、燃氣管道、石油管道等柔性管線鋪設，適用于我國大部分非硬巖地區(qū)。水平定向鉆施工方式具有施工速度快、成本低、智能安全、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。其發(fā)展趨勢正朝著適應硬巖作業(yè)、自動鉆進、軌跡更加精準、超深度導向監(jiān)控、主動安全保護、節(jié)能減排、拆解運輸更加方便、應用范圍廣等特征發(fā)展[1]。

1 定向鉆施工準備工作

施工前需對現(xiàn)場進行測量放線，劃定作業(yè)范圍；勘察路由附近范圍內的地下管線，是否與施工路由沖突；勘察現(xiàn)場水源、電力情況，確定取用水、電方案；對現(xiàn)場地質條件進行勘察并出具詳細的地勘報告，定向鉆施工前，需分析要穿越地層的自穩(wěn)性，可以有效防止成孔導流，避免引起地面塌陷[2]。

鉆機進場前需進行場地平整，開挖發(fā)射坑、接收坑，并對鉆機底座進行混凝土基礎加固，保證鉆機的穩(wěn)定。在設計入土點和出土點的連接線上安裝鉆機，一般鉆機的導軌與水平面的夾角較所設計的入土角度大1°為宜，并根據(jù)穿越長度、管徑、鉆具承載力對鉆進拉力進行調整[3]。

2 管道安裝

管道安裝工序為：1）管道場內運輸；2）布管；3）穿越管道坡口加工及組對；4） 焊接、無損檢測；5）防腐補口、補傷；6）清管、壓力試驗、吹掃等。

管材運至現(xiàn)場前要具備管材和外涂層防腐質量檢驗合格證，現(xiàn)場防腐管應注意確保防腐質量，管材在裝卸過程中需采取保護措施以免損壞防腐層和管端，如有損壞應及時補傷并檢漏。管道穿越大中型水域、一二級公路、高速公路、鐵路時，所有焊縫需進行100%射線探傷檢驗，并進行100%超聲波復驗[4]。

3 導向孔

鉆導向孔是利用水平定向鉆設備在入口處開始定向鉆進，鉆進過程中通過監(jiān)控和控制手段使鉆孔按設計軌跡延伸。并從另一端鉆出地表，完成導向孔的施工。鉆導向孔前需要根據(jù)穿越處地質的情況，選擇合適的鉆頭、導向板等。鉆頭通常帶有斜面或斜節(jié)，使得鉆頭在連續(xù)回轉時能鉆出直孔。傳感器需安裝在靠近鉆頭的地方，便于接收、跟蹤鉆頭位置，從而獲得鉆孔深度及其他所需參數(shù)。鉆導向孔時，必須嚴格按照設計的穿越曲率半徑進行，鉆桿折角不宜過大[5]。

定向鉆入土角和出土角的大小一般根據(jù)地質、地形、管材、管徑確定，入土角度一般在8°～20°之間，出土角度一般在4°～12°之間，特殊情況，可適當調整角度大小。管道的曲率半徑不宜小于1500D，且需預留≥10m 的管線在管道出、入土兩端。穿越普通地質時一般直接采用鉆機本身的推進和旋轉功能進行鉆進施工，穿越堅硬地質時由于鉆機本身旋轉速度有限，需利用泥漿馬達的高速旋轉進行鉆孔。如果在巖層變化較大的地區(qū)施工，需要對不同的軟硬巖層采用不同的鉆進速度，以防止鉆孔的升降，形成交錯的平臺孔[6]。

4 預擴孔

拖拉大管徑管線時，由于導向孔孔徑遠小于管線直徑，故需要將導向孔擴大，一般需用擴孔器將孔徑擴大至管線直徑的1.5倍左右，擴孔器的擴孔方向由出土點向入土點進行，分級、多次擴孔至所需孔徑，對于管徑小于DN400mm 的管線，在鉆機能力足夠的情況下擴孔和回拖可同時進行，最小擴孔直徑與穿越管徑的關系見表1。

表1 最小擴孔直徑與穿越管徑關系

擴孔過程中擴孔器需要及時更換，以縮短施工時間，減小孔道塌方的可能性。如果出現(xiàn)擴孔扭矩過大的情況，需采用相同尺寸的擴孔器進行重新擴孔約1 ～2 次。如果出現(xiàn)跳鉆情況，需減小鉆速、鉆壓，待工作平穩(wěn)后再逐漸恢復至最優(yōu)的鉆速、鉆壓[7]。

施工時需根據(jù)地層特點選擇不同的擴孔器，地層不同擴孔器的結構形式也不同，目前主要有擠擴式、流道式、切削式以及巖石擴孔器等。擠擴式擴孔器通過擠壓地層實現(xiàn)擴孔，常用于松軟土層。流道式擴孔器在擠壓地層的同時具有一定的切削和排屑效果，適用性較廣，在大部分土層中均可使用。切削式擴孔器主要通過切削地層實現(xiàn)擴孔，排屑效果好，適用于密實的砂質土層[8]。巖石擴孔器分為牙輪擴孔器和滾刀擴孔器，其中牙輪又可細分為鑲齒和鋼齒兩種，通常鋼齒用于軟巖及硬土層，鑲齒主要用于硬巖施工，而滾刀式擴孔器則主要用于對付硬度較高的巖石或進行長距離的巖層擴孔施工。

5 回拖

管線回拖作業(yè)方向和擴孔作業(yè)方向一致，從出土點至入土點。管道回拖過程中如出現(xiàn)回拖力迅速增大，回拖困難的情況，可采用推土機、吊管機同時助力的方式。回拖過程中管線會與孔壁接觸產(chǎn)生摩擦，管線壁外防腐層易受到損壞，為減小回拖過程中防腐層的損壞，需在回拖前對管線外防腐層進行全面檢漏及修補，一般采用電火花檢漏儀。回拖結束后，管材與回擴孔之間的空隙無法進行回填夯實處理，因此，對管材沉降要求比較高的工程需慎重選擇該施工方式[9]。

在擴孔及回拖過程中泥漿具有很重要的作用，可以穩(wěn)固孔壁，潤滑孔洞減小回拖過程中的摩擦力，泥漿的流動性也可以將鉆屑帶出孔洞[7]。泥漿的粘度一般通過地質情況和鉆孔工藝確定，也可按表2 確定。為防止泥漿泄露，需檢測土壤壓實度，防止泥漿壓力過大滲入土壤造成環(huán)境破壞[10]。如需穿越重要的河壩，須注意防止泥漿對大壩產(chǎn)生不利影響。

表2 泥漿粘度（S）

6 水平定向鉆硬巖施工

水平定向鉆施工方式應用于硬巖地質時，需采用泥漿馬達，使用高壓泥漿驅動泥漿馬達中的渦輪高速旋轉，以此帶動鉆頭破碎巖石。硬巖地層施工鉆進較為困難，由于巖石強度大，鉆進過程中對鉆具的磨損較大，對于抗壓強度≥60MPa 以上的巖層，優(yōu)先采用硬質合金鑲齒牙輪鉆頭，對于石英質含量較高的巖層，牙輪鉆頭應盡量采用小齒以延長齒輪壽命，對于軟巖地層采用小直徑鉆頭。由于泥漿對各類地質的適應性較差，鉆進過程中需要根據(jù)不同的巖層及時調整泥漿特性，巖層粒徑≥20mm時，需提高泥漿動塑比、靜切力等提高泥漿攜帶能力，巖層粒徑＜2mm 時，需降低泥漿粘度，增強其流動性。

7 應用實例

7.1 案例一

以新建鐵路漢中至巴中至南充鐵路南充至巴中段巴中西站為例，巴中西站水源接用當?shù)厥姓詠硭緟^(qū)污水提升排入市政污水管網(wǎng)，給水及污水管道均需穿越機場大道，機場大道寬約25m，施工圖設計過程中為防止開挖施工影響道路通行，故采用定向鉆施工方式。距離道路兩端5m 距離設置發(fā)射坑、接受坑給水管道采用DN100 鋼管，定向鉆施工長度35m；污水壓力管道采用DN80 鋼管，定向鉆施工長度35m。

該項目所處地層主要包括素填土、粉質黏土，粉砂巖等，管道穿越地層為粉質黏土層，地質情況較好。且由于該項目管徑較小，導向孔作業(yè)完成后可直接進行管道回拖，無需進行擴孔施工。

7.2 案例二

以小清河復航工程為例，小清河途經(jīng)高新區(qū)、章丘、鄒平、高青、桓臺、博興、廣饒、壽光全長169.2km。復航工程對小清河沿線與河道交叉及影響范圍內的架空跨越或地下穿越的原油管道、水管道、天然氣管道、熱力管道、國防光纜、通信線纜、電力線纜等進行遷改，全線共九十余處管線纜，涉及給排水管線、熱力管線、油氣類管線、長輸及國防光纜、電力線路，航道及河灘寬度約120m，全部采用定向鉆施工方式從河底穿越小清河。穿越管道管徑最小DN100，最大DN1200，管材采用PE100 塑料管或鋼管。其中最大的DN1200 管道為給水管道，定向鉆施工長度660m，采用螺旋鋼管，壁厚14mm。該處管道實施穿越巖土層主要包括粉土、粉砂、粉質黏土、淤泥質粉質黏土層等，地質情況良好。設計穿越管段入土角為8°，出土角為7°，曲率半徑為2000m，管外頂距離設計航道底凈距＞15m。在管道穿越大型河流時，管線埋設管頂距離河底一般要6m 以上，該地層內氧氣含量少，具腐蝕性物質少，對管材的防腐起到很好的保護作用，同時兼具保溫功能，可延長管線的使用壽命。

該項目穿越管道采用鋼制管材時，均對管道進行了內外防腐，且在管道接口處設置熱縮套以防止管道在拖拉過程中的破損，管道外防腐采用擠壓聚乙烯三層結構加強防腐，底層環(huán)氧粉末涂層≥150μm，中間層膠黏劑層≥170μm，外層采用聚乙烯層，防腐層厚度≥4.2mm，外層采用TO 樹脂保護。內防腐采用IPN8710—2 飲水設備涂料，2 底2 面，涂裝方式采用手工刷涂或高壓無氣噴涂，防腐層厚度≥220μm。

通過該項目九十余處管線采用定向鉆施工方式的成功，進一步證實了該技術在粉土、粉砂、粉質黏土、淤泥質粉質黏土等地層的良好適用性。

8 結語

水平定向鉆施工技術已經(jīng)越來越多地應用于管線施工中，與其它施工方法比較，該方法施工場地可靈活調整，設備進出場速度快，施工占地面積小，施工速度快，且不影響交通運行，不影響周邊建筑物基礎。水平定向鉆施工技術的應用在工程施工中已經(jīng)越來越多，前景也會越加廣泛，該技術也會朝著越加精準、越加方便、越加高效的方向發(fā)展。