非开挖定向穿越

关键词： 地层 穿越 定向 开挖

非开挖定向穿越（精选九篇）

非开挖定向穿越 篇1

1) 该工艺是一种非开挖铺管技术, 通常适用于穿越河流、湖泊、建筑等障碍的管道铺设以和不宜开挖的城市市政地下管网建设。

2) 该工艺适用于不含大卵石的各种地层, 包括含水地层, 不适用于砾石层, 一般用于软弱土层;管材通常为钢管、PE管等, 直径在200~1 200 mm之间, 在世界上目前记录铺设管线最长可达2 600 m。

2 定向钻进拉管工作原理

定向钻进拉管技术是利用定向钻机、导向钻头和导向仪等施工设备, 按照设计的钻孔轨迹 (一般近似弧形) , 采用定向钻进技术先修建一个近似水平的先导孔, 等先导孔钻头在被穿越障碍物 (河流、公路) 的另一端显露出后, 再卸下导向钻头换上大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待铺管线, 然后进行反向扩孔, 与此同时将待铺设管线直接拉入钻孔。有时根据钻机的能力和待铺设管线的直径大小可先专门进行一次或多次扩孔后再回拉管线, 待全部的钻杆被拉回时, 铺管工作同时完成。

3 应用案例

3.1 工程概况

以厦门市杏林湾大桥段给水工程为例, 该项目穿越杏林湾一条直径为0.40 m、长度为900 m、管材为1.6 MPa PE给水管。根据地勘资料管道的埋深拟设在海河床下7 m, 根据地层及综合其他因素计算回拖力为75 t, 一般选择回拖力的1.5倍以上, 所以本项目选择一台回拖力125 t的美国威猛水平定向钻机。考虑到该项目长度较长且又在海中, 为预防介质的干扰, 采用有线导向系统。该项目采用水平定向钻进施工工艺与围堰施工相比, 既经济又安全, 最大程度地减少对周边环境、居民的生产生活的影响, 取得了显著的经济效益和社会效益。

3.2 前期调查

项目施工前, 要全面的调查并掌握拉管施工区域地表和地下地质情况, 合理设计和计算管线走向和进出洞口位置, 在满足拉管施工控制需要的同时, 注意满足既有企业正常生产的需要。施工调查的内容包括:一是地下管线的探查, 主要通过查阅原始资料和地下管线探测仪探测, 力求避开和避免损害既有管线;二是地质勘察, 主要对管线附近地下暗浜、既往回填、地下设施以及土质情况进行调查;三是地面下障碍物调查, 地表面可满足导航设备通过, 具有实施控制的基本条件。

3.3 拉管施工工艺流程 (见图1)

3.4 拉管施工技术要点

3.4.1 导向孔轨迹的设计

1) 导向孔是扩孔拉管的母线, 也是最终形成的管线孔。与其他管线不同, 该给水管须敷设在河床下, 以防今后清淤时被损坏, 对于深度和坡度允许误差均有较严格的要求, 导向在水上面因杏林湾与大海连通在导向时须固定到小船, 避免因流水漂流而偏离预定的导向钻孔, 施工复杂且难度大。对于施工的场地的限制, 在导向钻进时有较小的入土角度。

2) 导向孔轨迹参数的确定。导向孔轨迹一般由三段组成, 第一造斜段、直线段和第二造斜段, 直线段是管线穿越障碍物的实际长度, 第一造斜段是钻杆进入铺管位置的过渡段, 第二斜段是钻杆出露地表的过渡段如图2。

其计算公式为:

式中, h为铺管m;L为定向钻铺管水平长度;R1为第一造斜段曲率半径, 由钻杆曲半径决定, 一般为R1≧1 200d (钻杆直径mm) ;R2为第二造斜段曲率半径, 由待铺设管线允许弯曲半径决定, 一般为R2≧1 200 d (待铺设管线直径mm) ;α1为入土倾角;α2为出土倾角。

3.4.2 回拉力计算

水平定向钻进回拉力的计算是一个关键, 它直接关系到对钻机与管材的选型, 正确估算回拉力至关重要。其公式为:

式中, F为计算的拉力, T;L为穿越长度, m;F为摩擦系数, 一般为0.1~0.3;D为生产管直径, m;γ为泥浆密度, T/m3;δ1为生产管壁厚, m;K为粘滞系数, 一般为0.01~0.03。

3.4.3 定向钻机的选择

定向钻机的选择可根据上式计算值的1.5~3倍来选择, 本项目采用美国威猛1 250铺管钻机。另配功率为120k W的不停钻射流循环泥浆搅拌系统, 可快速制备钻进用泥浆;具有操纵台全功能数字仪表显示和独立的液压锚桩系统。钻机的主要技术参数为:发动机功率为200 k W, 最大推力/拉力为1 250 k N, 最大回转扭矩为38 k N·m, 输出轴转速为0~110 r/min, 泥浆系统功率为75 k W, 泥浆泵流量为720L/min, 泥浆泵压力为10 MPa, 角度为8°~20°。

3.4.4 管材的选用

根据设计, 管材选用PE管, 其具有以下特点: (1) 韧性高、抗拉能力强、抗刮痕能力好; (2) 采用热熔对接一体化连接, 密封可靠, 连接强度高于本身强度, 宜于拖拉; (3) 可挠性能良好, 管道走向容易按照施工轨道进行改变; (4) 快速裂纹传递抵抗能力好。

3.4.5 泥浆的配制

采用聚合物加强性泥浆, 由膨润土加少量聚合物制成。该配方中膨润土和聚合物添加量约占泥浆质量的2%左右。扩孔拖拉中采用同样比例的泥浆, 造壁性能良好, 润滑和降低扭矩的效果较好, 没有发生塌陷等情况。

3.4.6 导向孔的施工

根据测量定位的轴线, 使定向钻机水平钻进, 路面上部利用控向仪等导航设备控制钻头的方向和深度, 严格按设计轴线形成一条直径约为10 cm的圆孔通道, 孔道中心线即为所需铺设管道的中心线。开钻时采用轻压慢转, 进人平直段采用轻压快转才能保持钻具的导向性和稳定性。根据地层变化和钻进深度, 适时调整钻进各项参数。施工中要密切关注钻进过程中有无扭矩、钻压突变、泥浆漏失等异常情况, 发现问题立即停止施工, 等查明原因并采取相应措施后再施工。导向孔完成后, 对工作坑入土口、接收坑出土口的标高和方位进行检查, 确保按设计轴线成孔。

3.4.7 扩孔施工

导向孔完成后, 卸下起始杆和导向钻头, 换成回扩钻头进行回扩。回扩过程中要始终保持适当的泥浆量, 对泥浆各性能参数进行不定期检测, 以调整泥浆性能指标。根据地层的实际情况, 合理控制回扩钻进速度, 以利排碴。扩孔分3~5次完成, 最后一次回扩需采用相应的挤扩式钻头, 若回拖力和回扩扭矩较大, 则要多回扩一次, 才能孔壁成型和稳定。针对本地区粉淤质土质的特点, 实际操作时在泥浆混配系统中加入适量TERRA等稀释粉, 该粉具有固化洞壁、润滑钻杆、塑管作用并能起到防止管材变形等功能。在钻进回扩过程中, 应及时做好施工记录, 发现钻进时间、轴线角度、扭矩、顶拉力等有异常情况, 要立即停止施工, 并立即查明原因并采取相应措施后再施工。

3.4.8 管道焊接

为缩短施工工期, 分级回扩可与PE管材的热熔连接平行作业, 热熔连接前、后, 连接工具加热面上的污物应用洁净棉布擦净;热熔连接加热时间、加热温度、热熔压力和保压、冷却时间应符合管材、管件生产企业的规定, 在保压、冷却期间不得移动连接件或在连接件上施加任何外力。热熔连接还应符合:

1) 连接前, 两管端应各伸出夹具一定自由长度, 并应校直两对应的连接件, 使它们在同一轴线上, 错边不得大于壁厚的10%。

2) 管材或管件连接面上的污物应清洗干净, 铣削连接面, 使其与轴线垂直并使其与对应的连接面吻合。

3) 待连接的端面用电加热板加热。加热后应迅速脱离电加热板, 并用均匀外力使其完全接触, 逐渐升压使其形成均匀的双凸缘。

4) 干管连接部位的管段下部应采用专用托架支撑, 并固定吻合。

5) 在鞍型连接前, 应用洁净棉布擦净连接面上的污物, 并应用刮刀或粗砂布擦去除干管连接部位外表面。

3.4.9 回拖铺管

PE管的管材连接应严格按电热熔施工要求施焊, 回拖前应检查电热熔焊接质量并自然冷却、检查合格后方能进行拖管。在回拖管道过程中, 要关注孔内情况, 钻机操作手应密切注意钻机回拖力、扭矩的变化。回拖应平稳、顺利, 严禁硬拖。管材要一次性拖入已成型的孔洞中, 中途尽量避免停顿, 以减小回拖的阻力。

4 拉管工艺的控制

4.1 管线轨迹的设计

为了保证引导精度采用的措施为:一是在管线设计时, 充分考虑引导实施的可行性;二是适当设置工作坑, 确保入土角度和标高;三是增加检测频率, 精确换算管位深度, 每500 mm检测一次;四是尽量减少测定干扰, 尽量选择在生产间隙、车辆较少时进行施工。通过采取以上措施后, 标高偏差基本上控制在50 mm以内, 满足了工艺要求。

4.2 沉降的预防

施工中的另一个问题是防沉降。由于回扩头的质量与大小不同, 加之不良土质的影响, 在管道的外边产生间隙是必然的, 这种间隙在管径较大和埋深较浅的管段容易发生沉降, 主要需要防止、控制的地方是穿越主要道路下的管段。在拉管施工中, 2 m以下的较小管段基本上没有出现明显的下降, 较浅的局部地方在1~2月以后有轻微下沉。为了杜绝在穿越道路时有下沉情况, 采取的措施有:一是分多次完成扩管, 尽可能消除土体受挠动后的变形;二是选择适合管径的刀头, 尽量减小空隙;三是采取补救措施, 对确定必须杜绝但有可能发生下沉的管段随管注浆。在这样的管段回拖管材时, 外侧附带25~30 mm的注浆管, 在完成拉管后封堵好井端管外缝隙, 用注浆机注满水泥浆。这一措施对于短距离的管线简单可行, 可有效杜绝路面下沉问题。

5 结语

非开挖作为一种新型的地下管线建设方法, 近年来在我国得到迅猛发展, 随着我国城市化进程的加快, 非开挖铺管技术越来越受到人们的青睐。拉管施工技术的发展, 为城市管道施工开辟了新的思路。本文通过工程实例的成功应用, 并取得了良好的经济、社会效益, 期望对今后类似排水管道工程的施工具有一定的指导意义。

[ID:001113]

摘要：根据定向钻施工方法具有不污染环境、不影响交通、建设周期短、综合成本低等优点, 将在今后的地下管线施工中获得广泛的应用。针对拉管工艺在供水管道建设中的技术特点进行了分析、仅供同行参考。

关键词：定向钻穿越,非开挖铺管,施工技术

参考文献

[1]福建省建设厅.水平定向钻进管线铺设工程技术规程:福建省工程建设地方标准[Z].

[2]GB50268-2008给水排水管道工程施工及验收规范[S].

非开挖定向穿越 篇2

市政燃气管道工程非开挖穿越施工合同

工程名称：XXXX市政燃气管道工程非开挖穿越施工 发包方（甲方）：XXXXXXXXX有限公司 承包方（乙方）：XXXXXX有限公司

签订地点：XX市 签订日期：二〇一三年X月

XXXX市政燃气管道非开挖穿越施工合同

发包人(甲方)：XXXXXXXXXXX有限公司 承包人(乙方)：XXXXXXX有限公司

依据《中华人民共和国合同法》、《中华人民共和国建筑法》及有关法律、法规，遵循平等、自愿、公平和诚信的原则，双方就 XXXXXXXXXXXXXXXXX市政燃气管道工程非开挖穿越施工 事项协商一致，订立本合同双方共同遵守。

第一条 基本情况

1、工程概况

工程名称：XXXXXXXXXXXXXXXXX市政燃气管道工程非开挖穿越施工。工程地点：XXXXX。

2、工程承包范围及方式

承包范围：施工路段：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX所涉及的需非开挖穿越的管线路段。

承包方式：本工程是包工、包料、包机械、包工期、包质量、包安全的单价合同。以实际完成的工作量乘以单价计算工程款。

3、合同工期与工程质量

合同工期：以签订施工合同的当天开始计算，XX个日历天。工程质量标准：合格，执行国家、XX省、XX市现行验收评定标准。

4、合同单价、总价与支付方式

按施工管径的不同单价，施工管径XXXXX为XXX元/米，工程量约为XXXX米；施工管径XXXXX为XXX元/米，工程量约为XXXX米。单价内已包含穿越时弧度系数。单价中包含但不限于以下费用：人工费、材料费、机械使用费、材料检验费、预算包干费、措施项目费、规费、管理费、利润、税金、招标代理费等为完成本项目所需的全部费用。

合同总价为人民币XXXXXXXXXXXXXXXXX元正。（小写￥XXXXXXXXXXXX元）。

支付方式：乙方在非开挖穿越工程整体完工后，填写竣工报告和结算单，交甲方现场管理人员确认。甲方在收到竣工报告后一个月内，支付工程结算总额的50%；非开挖穿越部分管道验收合格后二个月内，支付工程结算款50%。设计变更、现场签证在结算时一并支付。

乙方提供相应金额且符合招标人所在地税务主管机关要求的发票，否则招标人有权拒绝付款。

第二条 施工设备材料

非开挖穿越施工所用设备材料（除燃气管道外）均由乙方提供，乙方所用设备材料应符合相应的国家规范标准，甲方有权对乙方所用设备材料进行检查，如发现不合格，甲方有权要求乙方整改，由此所导致的工期延误等责任由乙方承担，并赔偿甲方因此造成的损失。

第三条 双方的责任和义务

1、施工前，乙方必须准备好必需的人力、机械及施工用水电，并采用探测仪器对施工的地段进行必要的探测工作，完成后需提供给甲方一个探测报告和施工方案，并署名，乙方对提供的探测报告和施工方案负全部责任。

2、乙方指定非开挖穿越的工作坑位置，并给出工作坑的尺寸和日程安排，由甲方安排人员施工。

3、施工中，乙方必须严格按照预定的施工方案施工，以避开原有市政

管线，如发生任何的管线破坏，都由乙方承担，并全额赔偿第三方的损失。

4、乙方应保证穿越燃气管道时燃气管道不因穿越而发生任何质量上的问题及可能会在将来使用中所产生不良影响等。

5、施工中所产生的泥浆由乙方负责清除干净，由甲方现场管理人员验收，工作坑的恢复工作由甲方安排人员完成。

第四条 工期约定

1、甲方要求比合同约定的工期提前竣工时，应征得乙方同意，并支付乙方因赶工采取的措施费用。

2、因甲方未按约定完成工作，影响工期，工期顺延。

3、因乙方责任，不能按期开工或中途无故停工，影响工期，工期不顺延。

4、因设计变更或非乙方原因造成的停电、停水、停气及不可抗力因素影响，导致停工8小时以上，工期相应顺延。

5、甲方负责协调好管道安装单位与非开挖穿越施工单位的关系。第五条 验收

一、工程质量

1、乙方应采用先进钻机和先进的探测设备以保证施工质量。

2、乙方应按已定施工方案施工，如在非开挖穿越过程中发生因拖拽管道而发生管道断裂或出现漏气现象，乙方应全额赔偿甲方损失。

3、乙方应负责其所完成的非开挖穿越工程通过相应的验收。

4、工程量的计算：以钻入点和钻出点之间的水平直线距离进行计算，工程量应由甲乙双方代表现场签字确认并作为工程结算依据。

第六条 违约责任

1、由于甲方原因导致延期开工或中途停工，甲方应补偿乙方因停工、窝工所造成的损失。

2、由于乙方原因，逾期竣工，每逾期一天，乙方支付甲方 1000 元违约金。甲方要求提前竣工，除支付赶工措施费外，每提前一天，甲方支付乙方每天1000元，作为奖励。

3、由某方原因，合同无法继续履行时，应通知对方，办理合同终止协议并由责任方赔偿对方由此造成的经济损失。

第七条 合同组成的文件

1、本合同、工程施工安全合同

2、投标书及其附件；

3、投标报价书、工程报价清单；

4、施工图纸、标准、规范及有关技术文件；

5、中标通知书。

第八条 争议处理方式

在本合同履行过程中，出现任何争议时，双方应通过友好协商的办法解决，协商不成时，任何一方均可向XX市人民法院起诉。

第九条 附则

1、本合同一式四份，其中甲乙双方各执二份，具有同等法律效力。

2、本合同经双方签字盖章之日起生效，各自履行完义务后自行失效。

3、本合同未尽事宜，由双方协商解决。

发 包 人（盖章）： 承 包 人（盖章）：

法定代表人： 法定代表人：

委托代理人： 委托代理人：

日 期： 日 期：

工程施工安全合同

甲方：XXXXXXXXX有限公司 乙方：XXXXXXX有限公司

为贯彻“安全第一，预防为主”方针，明确双方的安全责任，确保施工中人身、设备、设施和第三方安全，根据国家有关法律法规，经双方协商一致签订本合同。

第一条 工程项目：XXXXXXXXXXXXXXXX市政燃气管道工程非开挖穿越施工。第二条 施工地址：XXXXXX。第三条 甲方安全责任

1、开工前甲方对乙方进行施工安全技术交底。

2、甲方应要求乙方制定施工安全措施。

3、甲方有权检查督促乙方执行有关安全生产方面的工作规定，对乙方不符合安全文明施工的行为进行制止、纠正并发出安全整改通知书，直至清退出场。

4、甲方指派人员负责与乙方联系安全生产方面的工作。

5、甲方有权对乙方参与施工的人员进行安全技术知识和安全工作规程的抽考。

6、甲方不得要求乙方违反安全管理规定进行施工。第四条 乙方安全责任

1、乙方作为工程项目的承包单位，对工程施工过程中发生的人身伤害、设备损坏、及造成第三方损害事故承担全部安全责任。乙方应切实履行以下安全责任：

2、乙方必须贯彻执行国家有关安全生产的法律法规，必须制定相应的安全管理制度；严格执行安全生产规定、制度。

3、乙方所提供的承包工程要求的相关资质证明材料应真实、合法、有效。

4、现场施工应遵守国家和地方关于劳动安全，劳务用工法律法规及规章制度，保证其用工的合法性。乙方必须按国家有关规定，为施工人员进行人身保险，配备合格的劳动防护用品、安全用具。

5、施工期间，乙方应指派 作为安全现场监护人、安全工作联系人。

6、乙方一切施工活动，必须编制安全施工措施，施工前对全体施工人员进行全面的安全技术交底，并在整个施工过程正确、完整地执行，无措施或未交底严禁布置施工。

7、乙方用于本工程项目的施工机械、工器具及安全防护用具的数量和质量必须满足施工需要，并经有资质检验单位检验符合安全规定，乙方对因使用工器具不当所造成的人员伤害及设备、设施损坏负责。

8、开工前，乙方应组织全体施工人员进行安全教育。特种作业人员必须有有关部门核发的合格有效的上岗资格证书。

9、开工前，乙方应组织人员对施工区域、作业环境及设施设备、工器具等进行检查，确认符合安全要求，一经开工，就表示乙方已确认施工现场、作业环境、设施设备、工器具符合安全要求并处于安全状态。

10、乙方应在施工范围装设临时围栏或警告标志，不得超越指定的施工范围进行施工，禁止无关人员进入施工现场。未经甲方同意，乙方不得擅自使用与施工无关的设施设备；不得擅自拆除、变更甲方防护设施及标识。

11、乙方施工过程中需使用电，不得私拉乱接，必须严格执行安全用电规定。中断作业或遇故障应立即切断有关开关。

12、乙方施工过程中应做到工完、料尽、场地清，确保安全文明施工。

13、乙方必须接受甲方的监督、检查，对甲方提出的安全整改意见必须及时整改。

14、乙方施工过程中发生人生伤亡、设备事故和燃气管网、危及生产运行的或危及第三方不安全情况，应立即报告甲方，并积极配合调查。

15、发生以下情况停工整顿造成的违约责任由乙方承担：（1）人身伤亡事故；

（2）发生施工机械、生产主设备严重损坏事故；（3）发生施工项目区域火灾事故；（4）发生违章作业、冒险作业不听劝告的；

（5）施工现场脏、乱、差，不能满足安全和文明施工要求的。第五条 施工安全保证措施

本次工程涉及的危险作业有临时用电、高空作业（包括而不限于），甲、乙双方必须采取有力措施，保证施工过程中，不发生任何安全事件、事故。施工作业前，乙方必须将临时用电安全措施、高空作业安全措施报甲方，经甲方同意后，方可进行施工。第六条 违约责任

1、由于乙方责任造成甲方或第三方的人身伤害、设备损坏等财产损失，由乙方承担相应责任，并赔偿甲方或第三方因此造成的直接损失。

2、合同履行中，发现乙方提供的有关资质材料无效，甲方有权解除合同，并由乙方承担由此造成的直接损失。

3、发现乙方现场作业人员有违章行为的，比照甲方有关安全生产奖惩规定对甲方职工相类似的违章行为应扣款数额，承担相应的违约金。

4、乙方未设置安监人员；未能正确、全面执行安全技术措施、施工组织设计；施工人员未掌握本工程项目特点及施工安全措施；用于本工程项目的施工机械、工器具及安全防护用品不满足施工需要，甲方有权要求乙方立即停工整改，由此引起的后果及损失由乙方承担。

5、乙方特种人员无证上岗应承担100元/人次的违约责任。

6、乙方施工过程中，安全员未佩带袖章，乙方应承担50元/次的违约责任。

7、乙方在危险作业施工过程中，无安全员监护，乙方立即停工，并应承担200元/次的违约责任。

8、乙方人员擅自动用甲方的燃气管道设施设备，乙方按100元至500元/人次承担违约责任，产生严重后果，全由乙方承担。

9、乙方对甲方提出的安全整改意见不及时整改的，每逾期一天，乙方按100元/天承担违约责任，拒不执行，按乙方违约，解除施工合同。

10、施工过程中发生人身伤亡、设备事故和第三方损害有隐瞒行为的，除接受政府有关部门处理外，过错方应承担3000元至5000元/次的违约责任。

第七条 甲乙双方约定的其他事项：无

第八条 本合同执行过程中，如发生争议，由双方协商解决；若经协商不能解决争议的，任何一方可以向当地人民法院提起诉讼。

第九条 甲乙双方必须严格执行本合同，本合同的法律效力独立于施工合同。第十条 本合同有效期限：与施工合同同步。

第十一条 本合同经双方法定代表人或委托代理人签字盖章后生效。第十二条 本合同一式二份，甲乙双方各执一份。第十三条 本合同签订地点在甲方住所地。

发 包 方（盖章）：

法定代表人：

委托代理人：

日 期：

非开挖定向穿越 篇3

关键词：穿越多层建筑物；非开挖工程；管道铺设；导向孔设计；成孔工艺设计

一、工程概况

（一）工程地理位置及地质条件

该工程位于市委党校内，施工场地周围建筑物较密集，施工范围内地层自上而下为：碎石土（0—2m），粘土层（2—10m）。施工管段穿越建筑物底部分处于粘土层。

（二）工程要求

工程要求拟铺设电缆管线，采用非开挖铺管施工技术将12根Φ160mmPE管和1根扁铁穿越图书馆和9#教学楼底部。单根管长约90m，总工作量约1080m。管道在基底部埋深≥5m。同时要求保护好建筑物基础；不影响建筑物正常的使用功能；不危害附近建筑物和地下管线安全。另外由于工地所处的地理位置和环境的特殊性，要求施工过程中严格控制施工噪声强度值和施工废水（包括泥浆废液等）的处理。

（三）设备及仪器

根据工程需要，选用华力重工生产的HL518B型非开挖水平导向钻机。该机最大扭矩6000N.M，最大回拖力180KN，最大转速80rpm，导向孔孔径76mm，钻机自带一部BWF-160/10型泥浆泵。使用Φ73mm×3m钻杆。采用美国数字控制有限公司生产的Digi TraKMARKⅢ定向定位系统。地下原有管线测量定位用加拿大雷迪公司生产的RD4000地下管线探测仪。PE管焊接用江苏无锡产的SHD-250塑料管道热熔对结焊机现场焊接。

二、工程设计

非开挖铺管工程工艺流程包括现场勘测及地下构筑物调查、导向孔及成孔工艺设计、工作坑开挖、导向孔施工、反拉扩孔、清孔、铺管、竣工验收。其中最关键的技术是导向孔及成孔工艺设计。

（一）现场勘测及地下管线调查现场勘测及地下管线调查是导向孔设计的重要依据，也是判定施工难易程度、制定施工工艺的依据

进场施工前公司技术人员对现场进行了勘测，测绘了施工场地周围的地形地质情况，标定了欲铺管线的起点、终点位置。对周围各种管道检查井逐一探查，判明管道直径、走向及埋深。采用管线仪探测法及物探法对地下金属管道、非金属管道、电缆及其他构筑物进行探测，判明走向、深度，在关键部位开挖探井探测。同时调阅了拟穿越的两座建筑物的相关资料，了解其基础类型、深度及有无地下室、出入建筑物的地下管线情况等。最后绘制出完整的施工现场勘测平面图及剖面图，交由技术负责人复查。

（二）导向孔设计及回拉拖管安全性核算

导向孔设计根据管线的起点、终点位置，建筑物基础及地下构筑物情况，在现场平面图及剖面图上绘制出管道轨迹。设计要求：管道绕过建筑物基础；导向孔距离地面≥5米，以确保建筑物安全；穿越建筑物时采用半盲钻导向；曲线造斜段尽可能短以方便施工及加快施工速度，曲线造斜段要顺。本工程导向孔轨迹由3段组成，分别为第一造斜段、第二直线段、第三造斜段组成。为了便于施工将穿建筑物底部段设计为直线段。

考虑其扩孔直径较大，为减小对建筑物基础影响，取导向轨迹最深点h为5.5m；由经验公式L=[h（2R-h）]^0.5，R1≥1200d，R2≥206DS/K，α＝2arctg[h/（2R－h）]^0.5。式中L——造斜段长度；h——铺管深度；R——曲率半径（R1——钻杆，R2——管材）；d——钻杆直径；D——铺设管道外径；S——安全系数；K——管子的屈服极限。

计算得R1=87.6m，L1=30.55m≈31m，入射角α1=21°；

本工程选用的管材为PE管，这种材料对于其他刚性管材来说具有较强的柔韧性。通常PE管的曲率半径等参数生产厂家都会提供。表1即此工程用PE管的参数值：

根据表1，PE管的曲率半径R2为37m，小于（钢）钻杆曲率半径R1。为了施工安全，取R2=R1，因此α2=α1，L2=L1。

（三）成孔工艺设计

根据计算，当孔径最小为Φ640mm时可容纳12根Φ160mmPE管。为确保扩孔顺利及安全，通常的将成孔孔径设计为最小孔径的1.2-1.5倍，即Φ720mm-Φ900mm。受钻机设计性能限制，最大回扩钻头直径为620mm，故将12根管分两次铺设，即进行两次6回路铺设。经计算本工程设计最大回扩孔径为Φ620mm。根据地质情况，拟分别采用直径Φ160mm、Φ250mm、Φ350mm、Φ450mm、Φ560mm、Φ620mm锥型小出刃挤压式扩孔钻头分级扩孔。

成孔液是钻孔成功的重要因素。在导向钻进或是在回拖扩孔过程中，成孔液主要起防止塌孔、平衡地压、减小阻力、冷却钻头和发射探头的作用。在钻进时，成孔液用量相对较少，可调整泥浆泵在小流量状态；在回扩或回拖过程中，由于钻孔直径较大，所需成孔液相对较多。泥浆泵要调整为大流量。采用合适的钻进或回扩速度，以保证有足够的成孔液，形成良好的钻孔。非开挖成孔液有多种类型，一般分为清水、泥浆、化合物溶液、乳状液、泡沫浆液和盐水浆液。根据本工程的地质情况和施工经验，在粘土层中用清水作成孔液即能基本达到施工要求，既减少工作量又降低了施工成本。

（四）计算管道的回拖阻力

W=[2P（1+Ka）+P。]f·L

式中W——管的摩擦力（KN）；P——土对管的压力（KN/m）；Ka——主动土压力系数；P。——管的重量（KN/m）；f——管壁的摩擦系数；L——管道的长度（m）。

W=[2×（0.48×0.24×18.5）×（1+0.3）+0.227]×0.3×90=124.65（KN）

本工程所选用华力重工HL518B型导向钻机最大回拖力F=180KN>W，符合安全施工条件。

三、施工

（一）入钻工作坑开挖

根据拟铺设管道的深度和最大回扩钻头直径，设计在导向钻头入土处垂直挖一个3m×2m×2m（长×宽×高）的工作坑。主要作用是：下管坑，减少施工管线的长度；当计算的入射角大于钻机所能抬升到的角度时，可以通过坑内钻进导向来减小入射角而不影响轨迹；盛放从孔中溢出的成孔液和导向扩孔产生的泥浆废液，以便澄清后将成孔液循环使用或者全部废液直接由泥浆车集中抽走，不污染环境。

（二）导向孔施工

由于入钻工作坑的运用，必须根据原导向轨迹的设计，计算出从工作坑壁入钻的垂直深度和入射角来进行入钻施工。根据原导向轨迹的设计，计算出从工作坑壁入钻的垂直深度和入射角来进行入钻施工（如图1所示）。施工时在地面每3.0m测量一次导向钻头深度角度坐标，并在地上用漆做好位置标记。同时以每3-5根钻杆为一组，返观钻孔曲线是否平顺，发现较大偏差及时纠正。施工至直线段时，钻杆深度、斜度均符合设计要求，此时导向作业的主要任务就是保持好竖直方向的角度和左右方向的摆动范围，确保钻进方向符合设计要求。当进入到建筑物正下方后采用半盲钻方式保持水平钻进。导向头顺利穿越第一栋建筑物后，恢复用仪器跟踪导向头深度角度；以同样的方法使导向头穿越第二栋建筑物，并从预先设计地点进入第三造斜段施工。根据预先设计，第三造斜段施工轨迹可按照第一造斜段参数进行（如图1所示）。通过第三造斜段的施工，钻头在电缆沟预定点成功出土，随后在钻头出土处开挖一个工作坑。整个导向过程中，使用泥浆泵持续将清水注入导向孔，以达到护孔与减阻的目的，同时能防止泥土或沙石颗粒堵塞导向钻头水眼。

（三）反拉扩孔施工

扩孔时按设计仍使用清水护壁，多个扩孔钻头逐级扩孔。随扩孔钻头的孔径不断加大，泥浆泵的泵水量也应相应加大。由于扩孔会带出大量的地下土体，与水混合形成泥浆（废液）不断聚集在工作坑内，应及时将废液用泥浆车清走，以免影响后续工作。整个过程回扩阻力均匀，出泥量也较均匀，没有出现塌孔事故。成孔质量较好，扩孔比较成功。

（四）拖管

在扩孔的同时现场进行管道焊接，一次焊接到铺设的长度。为减小拖管阻力，从拖头开始每隔10m用8号铁丝将6根Φ160mmPE管和1根扁铁捆扎一圈让其形成一个相对的整体结构。由于前面的扩孔工作质量较好，孔壁阻力较小，拖管过程比较顺利，拖管拉力不大于100kN。拖管结束后，我们对管道两头分别作了临时封口处理，防止泥沙进入管道引起堵塞事故。

（五）第二条管道施工

施工过程基本与第一次铺设相同。关键是控制好两次铺设的管道之间的距离。本着既不威胁已经铺设好的管道安全又不影响工程技术要求的原则，设计前后两次导向轨迹水平距离为1.6m。经过施工，第二阶段管道也顺利铺设。整个工程仅用时10天。

四、总结

非开挖铺设管道技术以其独特的优越性，已被人们逐步接受，特别是在大中城市，商业繁华地区普遍采用此项技术。

非开挖技术有如下优点：对交通干扰小；对周围物景的损坏和对周围的环境影响少；全年可施工，施工安全、效率高；社会效率高，且综合成本低，工时少。工程实施过程中，学校的教学秩序正常和校内交通畅通，施工完毕后场地立即恢复，很好的体现了非开挖铺设工程的以上优点。

科学巧妙的设计钻孔轨迹能降低施工难度、加快进度、提高效益。

非开挖施工之前必须进行钻孔轨迹的设计，施工过程中还要根据这一设计进行控制，使实际轨迹符合设计轨迹，以保证铺设管道位置的准确性。因此，钻孔轨迹设计既是非开挖施工的依据，又是施工质量检查的标准。设计方案是否正确合理是非开挖施工成功的首要条件。同时，科学巧妙的钻孔轨迹设计能降低施工难度、加快进度、降低施工成本。例如：穿越建筑物底部时设计成直线段，降低对导向钻头测量的次数和难度，简化施工，加快进度。在设计施工的钻孔轨迹中，由于钻杆和管材曲率半径较大，全孔拖管则管线可能会很长、施工难度大，这时可在钻孔轨迹直线段两端设计工作坑和下管坑，减少施工管线的长度。钻孔轨迹设计要避免S型弯曲，它会大大增加拖管的阻力。

钻机、导向钻头、扩孔钻头、拖头和其它工具会附着大量泥浆，施工完毕应及时清洗干净，避免污染周围环境。

施工产生的泥浆等废液也应当及时清走，严禁直接排入市政污水管道，以免造成堵塞。

参考文献：

1、颜纯文等.非开挖地下管线施工技术及其应用[M].地震出版社,1999.

2、乌效鸣等.导向钻进与非开挖铺管技术.地质大学出版社[M],2004.

非开挖定向穿越 篇4

某市政工程是深圳市至汕头市一级公路改造的配套给水工程。地下给水管道横向穿过深汕路的机动车道、非机动车道、人行道及绿化带。常规明开挖施工需要封路、破路。由于深汕路车流量非常大,为避免破路铺设管道施工给繁忙的交通带来干扰和阻碍,所以决定使用非开挖技术的定向钻进施工完成地下给水管线的铺设。

本工程导向过路管、水平导向拖拉铺管的给水管径为DN600,长度约97 m。使用HDPE给水管(聚乙烯管道),材质环刚度为10 MPa。

2 定向钻进施工方法

图1为定向钻进施工流程。

2.1 泥浆配制

泥浆配比是否合理,对成孔起决定性作用。施工前,根据地质情况制定泥浆配制体系,通过控制压力、调整泥浆浓度、钻杆旋转速度,以完成正常钻进作业。针对不同地质条件和各钻进距离,调整加入的各种聚合物,保证施工过程中孔洞稳定、提高泥浆的抑制性、形成规则稳定的井壁和降低摩阻以减少钻井扭矩及推进阻力,从而达到提高机械钻速的目的。同时,要保证泥浆具有良好的孔洞净化能力。由于此次施工需要使用泥浆马达,为了满足泥浆马达的工作压力,泥浆的黏度必须达到60 s以上,流量为1 000 L/min。

2.2 导向孔钻进

1)根据设计轨迹和方位,确定钻机位置、固定钻机并连接泥浆系统及辅助系统。

2)通过钻机上的各种仪器、仪表的读数来确认地质层面情况;根据泥浆排出情况,确定调整泥浆参数。

3)导向钻进时根据设计好的钻孔轨迹,注入膨润土泥浆。严格控制导向仪方位、曲线深度,钻出精确而曲线平滑的导向孔。

2.3 预扩孔

导向钻孔完成后,卸掉探测棒,安装上楔形挤扩器,分别用150、300、400、600、800、1 000 mm进行逐级扩孔(根据实际情况确定)。经二次扩孔后将卵石挤向周边形成孔洞,并根据各段不同土质配制不同浓度的泥浆,使每次扩孔时回拖力的数值和扭矩值控制在钻机正常工作参数之内。若回拖力的数值和扭矩等参数过大时,可用1 000 mm挤扩器再进行一次洗孔,以保证孔洞的正确形成。

2.4 管道回拖

1)扩孔完成后,先检查回拉管线。检查合格后根据现场情况采用发送台作为回拖管线的发送方式。最简单的发送台是以装满膨润土的包装袋作为基座,在包装袋上垫上蛇皮袋,抹上适量的黄油作润滑材料,减少主管接触面的摩擦,以在进洞前有效地保护主管的防腐层。

2)管道回拖时按以下顺序进行钻具与管道连接:动力头→动力头保护短节→钻杆→扩孔器→旋转接头→U型环→拖拉头→管线。拖头与回拖管线焊接后进行回拖。施工中根据钻进时获取的资料调配不同的泥浆浓度。

3)回拖的同时根据钻机参数注入适当量的泥浆,减少管道与孔壁的摩擦,确保管壁防腐层不被破坏,并能使管道与孔壁的缝隙充分填满。通过膨润土的膨化作用完成孔壁与原土的完整结合。

4)回拖管道完成后割下拖头、焊上母板,进行管口保护。

2.5 完工作业

回拖管线完成后进行回流泥浆处理,清洗钻机;撤离现场,进行现场地貌恢复;整理竣工资料后上交监理方(或建设方)。

3 施工技术质量控制措施

3.1 防止定向钻在钻孔时呈“S”形

在定向钻穿越的施工过程中,导向孔的平滑与否、能否与设计曲线一致以及杜绝导向孔呈“S”形是顺利完成穿越施工的先决条件。可采取以下措施。

1)测量放线过程中,用全站仪对出、入土点进行确认。

2)采用有线控向系统。开钻前校验探头精度,控向电缆采用加厚耐磨绝缘层的进口电缆,确保在钻导向孔过程中的控向信号安全。

3)在开钻前,用探头在地面上测得设计轴线方向对应的地磁方位角,并多点反复测量,保证精度。

4)施工前进行地质条件分析,按设计曲线在坐标纸上以每根钻杆连接的方式画出穿越曲线图,给每根钻杆标号注明相应的地质情况。在钻进过程中,根据钻进位置的地层情况对泥浆黏度进行控制,随时根据地质条件调整泥浆压力、泥浆配比等参数,防止地下塌陷等因素影响钻进方位角。

5)钻机就位后,需精确测量出夹角的大小,计算出水平漂移量并记录下来。钻孔时每根钻杆改变的角度应<0.5°,而且不能是连续的上升和下降,避免钻杆在地层中呈“S”形,保证钻孔曲线的光滑,提升导向孔的钻进质量。

6)在导向孔的钻进过程中,严格监控每根钻杆的倾角、方位角、地球引力向量等数据;对比预先计算的结果,如出现穿越偏离设计曲线或水平漂移的现象,应及时抽回钻杆,调整修改角度,保证穿越曲线在正常范围之内。

3.2 确保定向钻出土点偏差控制在设计范围内

为确保定向钻出土点偏差控制在(设计轴向的)纵向不大于穿越长度的1%且≤10 m、横向不大于穿越长度的0.2%且≤2 m的范围内,采取如下措施。

1)测量放线过程中,用全站仪反复测量、计算,确认出土点。

2)对控向探测装置进行消磁及校验,以保证探头的准确性。

3)对定向穿越轴线采用不同位置,多次复查测量,取其平均值,减少人为误差。

4)设计与实际相结合,参照实际的水平长度和地面高程,根据设计图纸中穿越直线段和曲线段的长度和曲率半径、弧度,采用钻杆连接方式在坐标纸上做出穿越方案,标明每根钻杆的设计折角及深度,确保穿越过程中实际的曲线与设计曲线相一致。

5)在穿越前,对穿越区进行磁场测量。如该地区磁场干扰较强,应建立磁场布控,确保穿越过程中计算机显示数据的准确性。

6)穿越中,针对回馈资料的DIP(磁倾角)、Dec(磁场偏角)和Gtotal(地球引力向量)进行分析。如出现数据变化较大,不能稳定保持的情况,而穿越地段又处于河流中间无法进行磁场布控时,应按前一根钻杆的测量结果来进行综合分析,以便下达正确的穿越指令。

3.3 确保回拖顺利成功

1)施工前对钻机、钻具及泥浆配套系统等设备进行全面检查及维护保养,确保钻机及其动力系统性能良好,运转正常;泥浆系统通畅,压力能够满足回拖要求。对钻杆、无磁钻铤、切割刀和扩孔器等钻具进行探伤检查(Y射线或X光检测等),确保钻具无裂纹,强度满足回拖要求。

2)在钻进过程中,导向孔曲线应符合设计图纸的要求,且曲线平稳、圆滑。

3)在最后一次回扩时,采取扩孔器直径比穿越管道直径大1.5倍的方式进行连接后扩孔。扩孔之后采用扩孔器与管道连接的方式进行回拖,才能保证在回扩过程中钻机的大部分动力应用在拉力上,从而避免直接采用切割刀、扩孔器、管道连接而造成的钻机动力的分散,确保回拖的成功。在回拖时钻具连接要迅速,尽量缩短钻具在导向孔内的停滞时间。

4)全部连接并检查无误后,用泥浆进行冲洗钻具,确认钻杆内通畅无异物,泥浆喷嘴畅通无阻后,正式回拖。

5)管线回拖应连续作业,回拖速度≤2 m/min。根据地质变化应随时调整泥浆的黏度和压力。泥浆应由膨润土、泥浆添加剂和清洁的淡水搅拌而成,并保证回拖过程中使管线能悬浮在泥浆当中,以减小回拖阻力,保护管道的防腐层。

6)回拖过程中,工作井与接收井之间要加强联系,遇到情况及时处理。

3.4 确保回拖时管道防腐层不被损坏

1)钻导向孔时,要保证导向孔圆滑、平整,避免出现超限的拐角。在回拖时采取的切割刀扩孔器直径比穿越管道直径大1.5倍,以减少回拖阻力,同时减少管道与孔壁发生的刮碰现象。

2)泥浆配比随地质情况变化,在回拖时对泥浆进行处理,加入一定数量的防卡剂、防塌剂,减少管线和井壁的摩擦阻力,并起到防塌作用。孔内形成的泥饼要薄、坚韧、质密,失水量要小,黏度在60～80 s之间即可。

4 结语

排水工程水平定向钻非开挖施工技术 篇5

定向钻施工法的优点有:1)需要的作业空间小,对交通影响小;2)采用机械化施工,施工迅速,工期短;3)减少因施工发生路面下陷及房屋龟裂;4)对已有埋设物的障碍物处理减至最小限度;5)所需开挖空间少,安全防护容易;6)工人不需进入危险区作业,可保护工人安全;7)在人口密集地区,对市民生活影响小;8)适合穿越铁路、公路、高速公路、河流等处的埋管施工。

1 施工工艺

1)前期准备。了解管道穿越范围内的地质条件、现有地下管线的走向及埋深等情况,结合设计要求规划钻进轨迹,选定施工方案。2)导向钻进。定向钻头在钻机的推力作用下,由钻机驱动旋转(或使用泥浆马达带动钻头旋转)切削地层,按设计钻孔轨迹前进,完成整个导向孔的钻孔作业。3)分级扩孔。完成导向孔施工后,采取分级扩孔的方式将钻孔扩至合适的直径。同时将钻液泵插入钻孔中,保证孔洞完整和不塌方,并将切削下的土屑带回到地面,为回拉管道创造适宜的环境。4)回拉管道。扩孔完成立即将待铺设的管道与回拉头、扩孔头及钻杆连接,由钻机牵引将管线拉入已扩钻孔中,完成管道铺设。

2 操作规程

2.1 管道施工中标高、挠度的控制

1)机械的改进与突破。对钻进机头在加工时外形的控制,并对注浆孔口的布置角度与大小进行严格的规定,同时有效的控制整个钻进机头的重量通过一定的量化控制,使得各种规格的钻头在施工中能够提供相对稳定的反馈信息,即能指导施工参数的调整。2)钻杆设计的优化。为了保证导向完成后,在整个多级扩孔过程中要想更有效地控制成孔断面,需要设计一个清孔前的校孔器;设计一个特殊的探棒,并用硅胶材料进行密封处理起到防渗漏的作用,在多级扩孔的过程中,有效的控制标高与轴线。3)监测工作的跟进。为有效地保证施工动态控制对周边土体应力场的影响,采取地面辅助控制手段来保证施工全过程的实时监控。

2.2 规范施工操作控制

1)造斜角度与距离的控制(一般以5°～12°为宜)。2)一次拖拉长度的控制(400埋深4 m～6 m≤120 m,埋深2.5 m～4 m≤200 m;600埋深4 m～6 m≤100 m,埋深2.5 m～4 m≤150 m)。3)多级扩孔必须严格,定型孔径合适(≤1.35倍管道外径)。

2.3 井位施工配套技术应用控制

1)充分根据施工作业的场地条件,选择围护作业的大小,一般采用机动性较强的拉森钢板桩围护井施工。2)在特殊情况下,考虑采用组合或特殊围护施工工艺,如:沉管井及钢结构护筒等。

3 水平定向钻施工关键技术

3.1 水平定向钻轨迹设计

导向孔轨迹线设计是在设计管线剖面图基础上,设计出钻孔的最佳曲线。根据开挖的工作坑、接收坑结合设计井位位置,并按照设计管道水力坡度标高来设计钻进轨迹线。必须考虑避开穿越区域的地下管线、地质水文状态、地面环境、铺设管道的材质、口径、穿越深度与长度、所选钻机的性能与能力等因素。

污水管道施工的轨迹线设计要满足设计要求,必须考虑入土点、出土点的斜直段、曲线段设计长度,并严格控制水平穿越段各点标高。入射角度根据已知数据科学计算。入土角不宜超过10°,出土角按导向钻杆及拖拉管材允许曲率半径较大值确定,一般不宜超过20°。相邻两节钻杆允许转向角根据土质条件、钻杆长度、材料等因素确定,土质越软弱,α角越小,α角为1.5°～3.0°。

3.2 导向孔施工

导向孔施工是成孔的关键,根据已设计的轨迹线入土、出土位置固定钻机,调整导向钻头的入射角度,使其与轨迹设计角度一致,钻孔前先校正所使用仪器,定向钻施工中所使用的仪器多为英国雷迪(RD)和美国月蚀(ECLIPESE),此两种仪器精度较高,能满足污水施工中标高的要求。

钻孔过程中以仪器控制与地面辅助控制穿越轴线,钻孔基本与设计轨迹一致,导向孔钻进过程中,密切注意井眼的返浆情况,并做好记录以便准确判断钻进过程中的地质情况,为预扩孔提供可靠记录。导向孔施工中,除曲线偏移不能超越规定要求外,每根钻杆间角度变化也要得到严格控制,确保导向孔高质量完成。

3.3 成孔与泥浆护壁技术

导向施工结束后,根据土质与所铺设管道口径设计需要成孔的直径,正常情况下扩孔的直径与所铺管直径相差10 cm(管外壁预留5 cm),确定采用多级扩孔的级数,并视土层情况选择不同类型的钻头与泥浆配方。

一般情况下土层粘质成分较多,可直接用清水和刮刀钻头扩孔进行自然选浆;如果土层砂质成分含量高,必须选择优质泥浆,用优质膨润土特殊配方处理,使泥浆达到一定粘度,较低的失水量,同时能抑制地质土体分化,保持孔壁稳定,扩孔直径符合铺管要求时,扩孔即告完成。

3.4 铺管材料的选择

管材的物理性能应满足下列要求:1)质量密度:0.94 g/cm3～0.96 g/cm3;短期弹性模量:不小于800 MPa;2)抗拉强度标准值:不小于20.7 MPa;3)抗拉强度设计值:不小于16.0 MPa;4)环向弯曲刚度:不小于8 kN/m2;5)管材允许的拖拉应力按12 MPa控制。

管材的外观质量及尺寸应满足下列要求:1)管材外观颜色应一致,内外壁光滑平整、无划伤、毛刺等缺陷。2)接前管材的端面应平整且与管中心轴线垂直,管材长度方向不得有明显弯曲现象。3)管材外壁应有统一的标识。

3.5 拖管控制

当钻孔成孔结束后方可进行回拖管施工。回拖前必须进行管材复检,包括管材焊接是否符合要求、管头固定结实、分动器连接完好,检验完毕后方能铺设。回拖时,技术人员应仔细观察机器仪表的变化,主要观察扭矩和回拖力变化(一般情况下,扭矩在5 MPa～8 MPa之间),回拖力不能太大,以防损伤管材,并控制好速度,注意两边工作坑回浆情况,确保拖管成功。

4 应用实例

1)工程概况。渚镇路污水管工程起点为姚江山路,终点为西渚路,全长555 m。全线630管及北侧穿越车道的450管采用拖管施工。管材:拖管施工采用630 HDPE缠绕管,土质表面为中砂层,下部为黏土层。管道设计高程为-0.45～-1.114,排水坡度1.2‰,最大埋深5 m。

2)钻进的实施及效果。HDPE缠绕管作为穿越管材。结合设计埋深和管材、钻杆的曲率半径定出钻进轨迹及造斜段长度(L=18 m)以及出入土角度(8°～9°)。经计算管道所需回拉力为220 kN,确定采用土行孙DDW320型定向钻机系统(最大回拉力320 kN,扭矩12 kN·m),同时配备一台容量3 m3的撬装式泥浆搅拌站,为钻进工程提供充足的钻液。钻孔分DN500,DN700,DN800,DN1 000,四级扩孔达到设计管径1.3倍后,在钻机牵引下将预先连接好的DN630 HDPE缠绕管拉进孔洞中。

管道穿越施工在30 d完成,确保工期目标实现。施工过程中不需阻断交通,不产生粉尘,快速便捷,将施工对环境的影响降到最低,管道经压力试验符合规范要求。有利于环境保护,节省工程投资,社会效益和经济效益明显。

5 结语

水平定向钻铺管技术应用于给排水工程施工,具有施工周期短、精度高、环境影响小、综合成本低等显著的优点,显现出良好的社会效益和经济效益。

摘要：介绍了水平定向钻非开挖施工技术及其优点,从前期准备、导向钻进、分级扩孔、回拉管道等方面对该施工工艺进行了论述,探讨了具体的操作规程及水平定向钻施工关键技术,并结合具体工程进行了说明。

非开挖定向穿越 篇6

“大位移钻孔”的概念或EBR, 为管线所有者和操作者提供了新的机遇__加强和扩大基础设施分布来满足未来需求的变化。然而, 在松软至中等硬度地层敷设长距离大直径管线面临许多操作、经济和环境方面的挑战。

当今敷设大直径长距离管线普遍采用的非开挖施工方法是水平定向钻进 (HDD) 和顶管防护。这些方法已创立的大直径管线距离记录分别达到了4 458 ft (1 ft=30.48 cm) 和8 528 ft。然而, 这些项目都是通过优秀的技术工艺、破坏环境的高风险和高昂的建设费用而实现的。所有这些因素都对未来大口径、长距离、采用传统的非开挖方法构成重大障碍。

水平定向钻 (HDB) 最初研发是在20世纪70年代末运用单步前推铺管技术。HDB为穿越长距离敷设管径大于36 in (914 mm) 需求提供了一种强化的非开挖方法, 超过了今天8 528 ft的非开挖远距离纪录。该方法结合了油田大位移钻井、水平定向钻井和顶管施工方法的主要特点, 在松软地层可有效地敷设长距离大直径管线, 且不存在环境风险。

1.1 背景

1977年之前, 没有实用的非开挖技术可在松软、中等硬度地层中敷设大直径长距离管线。第一代HDD方法能够运用多级、冲洗管敷设技术在123/4 in (1 in=25.4 mm) 直径管线中钻进几千英尺。为满足航道下敷设大直径管线的要求, 人们引进了一种新型的称之为水平井定向钻 (HDB) 的单步前推铺管技术。

HDB方法是在一道连续作业中同时钻孔和敷设管线。这一方法在1977_1978年得克萨斯州的两个项目中得到成功的应用。第一个项目是一根外径30 in、长850 ft的预弯管穿过Greens Bayou。第二个项目在次年完成, 是一根直径40 in、长2 000 ft的预弯管穿过休斯顿船运航道。

由于一种更加有效的多步HDD技术 (称之为预先扩孔回拖技术) 的引进, 单步前推铺管技术被冷落一边。多步HDD技术在同一井眼中可同时下入多条管线。后来人们很快明白, 如果在一个扩大的井眼中可以下入多条管线, 那么也可以下入一根大直径管线。这项新的HDD技术的应用成本低, 而HDB技术在那时则非常高。

HDB系统的主要特点是可以控制钻进时钻井液的体积和压力, 减少地层出现裂缝的风险。HDB法要比HDD法优越。今天HDB方法的重新使用为人们进行长距离管线敷设, 防止在软性地层中出现裂缝风险提供了一种有竞争力的、可行的替代方案。

1.2 传统方法的局限性

从非开挖管线建设方法使用开始, 挑战一直围绕着在软至中等硬度地层中可以敷设多长或多大直径的管线。非开挖技术的应用极限一直是管线敷设的障碍。HDD方法成功地完成了一条外径8 in、长7 229 ft的管线建设, 目前用HDD方法完成的最大直径管线是一条外径40 in、长度超过4 458 ft的管线。顶管法因为敷设了一条外径149 in、长8 528 in的混凝土管线而打破了HDD方法的长度和直径纪录。而这些纪录意义是十分重大的, 它们的成功是通过克服重重技术挑战, 冒着巨大的环保风险和高昂的建设费用而获得的 (图1) 。目前通过非开挖技术方法提高管线敷设距离的主要局限描述如下:

2 HDD的局限性

运用HDD方法来扩展管线敷设距离受到两个重要因素的限制。

2.1 井眼的清洁

导眼井钻井或扩孔期间充分保持井眼清洁随着穿透距离的增加而变得越来越困难, 钻井液循环速度和压力一定要足够高, 以便产生湍流将岩屑通过环空带回至地表。

如果没有足够高的流速, 岩屑会在环空中聚集起来堵塞井眼, 另外任何岩屑的聚集都需要很大的力才能将其从管线中拖出, 而且这样还会增加管线完全被卡住的风险。

是否能保持井眼清洁或尝试移去聚集的岩屑取决于是否具有充足的流动, 如果没有一个有效的岩屑移出系统, 那么随管线敷设长度的增加井壁出现裂缝的风险会增加。

2.2 地层裂缝

当穿越管线长度增加时, 为了将岩屑带出地面, 必须增加钻井液压力。通常使用一种称为“经验法则”的原则来保证湍流的出现, 在钻头处每30 ft的钻杆压降约为1 psi (1 psi=6.895 kPa) , 很多软性地层 (湾泥、泥砂或软黏土) 的应力界限为50 ～150 psi。例如, 如果一套HDD系统的钻进距离为6 000 ft, 钻头处所需的清理井眼的压力为200 psi, 这会导致大多数软性地层出现裂缝 (图2) , 特别是钻孔出口附近超负的限定压力 (覆盖深度) 不断下降。

通过裂缝返出到地表的钻井液可能会对环保敏感的水路或沼泽地产生损害。每一个事故都可能给HDD签约人或管线所有者带来难以承受的责任, 因此运用HDD方法进行远程管线敷设风险较大。

3 顶管的局限性

顶管方法虽然在理论上可以获得长距离的管线敷设, 但当管线长度超过2 500 ft时会导致建设安装费的过度增加 (见图3) 。使用这种方法目前有据可查的记录是8 5278 ft, 其成本开销是7 500万美元, 施工了6个月, 每英尺的平均成本是令人震惊的8 800 美元。造成这种巨大成本的主要原因是当驱动杆穿过如此长的距离时需要增加大量的中间顶管站, 目的是分配巨大的顶管压力使管线前进, 每一个顶管站的增加也会导致整体管线前进时间的增加。

总之, 目前的非开挖方法当管线长度超过8 000 ft时有严重的局限性, 因此需要找到更安全、更有效的方法。

4 解决方案:水平定向钻

4.1 系统组件

HDB方法使用20世纪70年代最初开发的设备, 其中有些关键性的修改, 以便能够经济、安全地进行长距离大直径管线的敷设。图4描述了原始的HDB系统, 它由推进装置、带有液体喷嘴的独立旋转钻头、一个岩屑真空装置入口和一个定向控制的铰接头总成组成。

4.2 操作特点

HDB系统有6个特点:

◇ 使用尽可能大的环空或者井径来减少或使摩擦力最小;

◇ 充满钻井液的井筒提供钻杆浮力、润滑和滤饼, 从而防止地层坍塌;

◇ 当钻杆在井筒中移动时浮力控制程序可以使之保持最小的阻力;

◇ 保持井筒内部清洁, 移去钻头附近的所有岩屑并用泵通过管内通道将其携带至地表处理;

◇ 一个检测和定向控制系统, 可以确定井眼位置, 能使钻头进行必要的重新定位以保证正确的轨迹;

◇ 安装井下传感器, 连续监测环空压力变化, 避免地层出现裂缝。

应用具有这些特点的HDB系统:摩擦阻力最小, 井眼清洁得到优化, 井眼轨迹得到控制, 环境损害的风险消除。

这些特点为敷设大直径长距离管线提供了技术上的可行性且可以避免目前非开挖技术的不足。

4.3 HDB的应用

HDB方法特别适用于在松软地层中穿越宽阔的河、海湾或其他水路, 在常规的非开挖方法存在技术或环境上的障碍时可下敷设大直径的油、气和水或污水管线。该方法能够敷设铁管线的直径范围是36～72 in, 长度范围是5 000～15 000 ft。是目前避免HDD或顶管方法造成裂缝损害、环境破坏和过高建设成本所采用的替代手段。

4.4 HDB方法

HDB方法结合了许多HDD、顶管和油田ERD方法的重要特点, 使长距离大直径管线的敷设得以安全地进行。

像HDD和油田ERD方法一样, HDB方法产生一个比管材外径大25%～40%的环空, 这提供了一个充足的环形空间来向前推进管线而没有过多的阻力。依据钻井条件, HDD项目的摩擦阻力低达0.175 t/m2, HDB的摩擦阻力与油田ERD方法相似, 但是明显小于顶管方法的0.5～2.5 t/m2。

与HDD方法相关的多步法能节省时间并且使钻井、扩眼和管线回拖时易发生的潜在问题减至最小, 包括为回拖管线而清理井眼和地层出现裂缝及卡钻的可能性。

在HDD过程中起出大直径管线或油田大位移钻井时下入套管的过程中通常使用平衡浮力, HDB在钻杆下入井筒中通过使用同样的平衡浮力技术来减少摩擦, 这使钻杆简直是浮着进入井筒, 可有效地减小摩擦阻力和卡钻的风险, 特别是相对于顶管需要很多中间顶管站的情况。

HDB系统在切削头附近使用一个压力传感器来实时监测井筒内流体压力的大小, 钻井液的体积和压力在钻进时可在从地面进行监测和控制。对井下钻井液压力进行控制可避免顶管时出现的地下水或疏松的地层埋没井筒, 地层周围可能的裂缝也同时被有效地控制。这一特点通过平衡井下钻井液压力和地层封闭压力消除了HDD的大部分局限性, 也消除了钻井液窜至地表的潜在风险。

从环空中直接提取钻井液和岩屑提供了一种有效的井眼清洁方式。这些泥浆被返到上部并通过内部管线泵入固控设备进行分离和回收。保持清洁的井眼和监测钻井液压力是确保HDB能够进行大距离管线敷设的两个重要条件。

5 结论

谈非开挖定向钻进拉管施工技术 篇7

关键词：定向钻进,拉管,施工,钻机

铺设地下管线一般采用开槽挖沟的方法, 但是随着经济的发展、社会的进步、现代文明意识和环保意识的逐渐加强, 开挖施工方式显现出很大的局限性和不足之处。非开挖定向钻进拉管施工技术不需在地面开挖沟槽, 而只在管线路径的特定部位挖掘工作坑, 在工作坑之间利用水平定向钻机地下钻进挖掘管孔, 铺设管道, 精度高、速度快、可以控向。适用于供水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等管线的铺设、更新和修复。管径为50 mm~1 500 mm, 管线长度最大可达1 500 m, 管材为PE管、钢管。适用于各种地层。

1 工艺原理

1) 定向钻进是由导向钻头、扩孔钻头、钻机和导向仪器相互配合完成的。

2) 采用定向钻进技术施工时, 按照设计的钻孔轨迹, 先施工一个近似水平的先导孔, 待先导孔导向钻头在被穿越障碍物的另一侧露出后, 卸下导向钻头换上大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待铺设管线, 然后进行反向扩孔, 同时将待铺设的管线拉入钻孔。钻进导向孔见图1, 扩孔和回拉管线见图2。

3) 钻孔的轨迹测量依靠随钻测量系统。

2 施工工艺流程及操作要点

2.1 施工工艺流程

现场勘测→编制拉管方案→钻机安装→开挖起始工作坑、接收工作坑和钻进液储备坑、泥浆回收坑→钻进液配制→钻进导向孔→扩孔、清孔→管线连接、加固、涂层→回拖铺管→工作坑回填、清理现场。

2.2 操作要点

1) 现场勘测。现场勘察包括地下勘察和地表测量两部分。地下勘察包括原有地下管线、设施的勘察和地层的勘察。地表测量主要是对管线工程周围的地形进行测量。

2) 编制拉管方案及导向孔轨迹的设计。

a.拉管方案的内容应包括:工程概况、现场地质条件、地下管线分布与埋深;施工机械、人员配置;施工材料及用量;施工进度计划;施工平面图, 包括:钻机位置、工作坑位置、钻进液存放位置、施工用水和排水位置、临时用电位置等;施工工艺;与拉管相关的计算书及图纸;质量保证和安全保证措施;文明施工措施。

b.导向孔轨迹的设计。导向孔轨迹一般如图3所示, 其中, B为穿越起点, C为穿越终点。

管线入土角:

其中, α1为管线入土角, (°) ;H为铺管深度, m;R1为入土造斜段曲率半径, m (一般取R1≥1 200d, d为钻杆直径) 。

管线入土造斜段水平长度:

其中, L1为管线入土造斜段水平长度, m。

管线出土角:

其中, α2为管线出土角, (°) 。

管线出土造斜段水平长度:

其中, L2为管线出土造斜段水平长度, m;R2为出土造斜段曲率半径, m (一般取R2≥1 200D, D为铺设管线直径) 。

3) 钻机安装。钻机进场后将钻机安装在待铺设管线的中心线起始位置。钻机安装应牢固稳定, 钻孔或回扩孔时不应出现钻机移位和钻机沉降等现象, 也可以用地基沉箱定位或用混凝土进行加固处理。钻机锚护要牢固可靠, 钻机轴线与穿越直线偏差不大于0.1 m。钻机安装完毕后, 需进行试车运转。

4) 开挖起始工作坑、接收工作坑和钻进液储备坑、泥浆回收坑。起始工作坑和接收工作坑, 应根据地形、施工场地大小、管线材质、管线种类、管径大小、管线埋设深度和地质条件设置, 应满足钻孔和拉管的要求, 保证施工安全。工作坑位置应满足导向距离的要求, 须设在被铺设管线的中心线上。

在钻进液调制箱旁设置钻进液储备坑。回收泥浆坑设置在便于回收泥浆的位置上, 宜在定向钻进设备钻杆导轨一侧和泥浆回收坑之间挖引沟以便回收泥浆。钻进液储备坑和回收泥浆坑底及周边用塑料布围护, 以保证钻进液的纯度和浓度, 避免钻进液水分流失。

5) 钻进液配制。钻进液由水、膨润土和适量处理剂组成。膨润土通常采用一级钠基膨胀土。钻进液处理剂又称为钻进液添加剂, 如降烧碱 (或纯碱) 、失水剂、固壁剂、粘土分散剂等。钻进液的p H值、密度、粘度等性能参数应根据不同的地质条件、孔径、钻孔长度、钻进工艺、孔内情况等因素调整和控制。实际施工过程中, 泥浆的性能参数随地层不同而随之变化, 需选用不同的添加剂随时调整。

钻进液主要有以下五方面的作用:a.稳定孔壁, 建立并维持钻孔的完整性。b.利用钻进液的悬浮性和流动性, 将悬浮钻头产生的钻屑带走, 防止钻屑沉淀并堵塞钻杆和钻头。c.降低管壁和孔壁之间的摩擦系数, 从而降低钻进时所需的扭矩和回拉力。d.冷却钻头。e.软化底层, 易于钻进。

6) 钻进导向孔。当铺设小直径 (D≤250 mm) 、长度较短 (L≤180 m) 的管线时, 干式钻进靠冲击挤压成孔, 不排土;湿式钻进以高压水射流切割土层, 有时辅以顶驱式冲击动力头以破碎大块卵石和硬土层。当要钻进斜孔时, 根据所钻孔的角度调整斜面钻头的空间位置, 停止回转, 只提供给进力, 由于斜面受到来自周围地层的反作用力从而实现钻孔方向的改变 (见图4) 。

当铺设大口径 (250 mm<D≤1 500 mm) 、长距离 (L>300 m) 的管线时, 钻机只提供给进力, 回转扭矩由孔底的泥浆马达来提供。调整方向主要依靠弯接头来实现。在松软地层中, 靠高压水射流来切割成孔。孔底钻具组合由一弯接头和一带喷嘴的钻头构成。钻柱回转时, 钻出的孔是直孔。如果钻柱不回转, 在给进力和水射流作用下, 可产生定向的弧形孔 (见图5) 。

导向系统采用走过式定位仪器, 在钻头后部空腔内装有探头, 探头发出的无线电信号由地面接收器接收, 地面接收器具有显示与发射功能, 将接收到的孔底信息无线传送至钻机的接收器并显示, 传输的信号包括钻头的位置、深度、倾角、斜面面向角和探头温度等。根据测量数据得到的信息与设计轨迹进行比较, 以便及时纠偏保证精度, 确定下一段将要钻进的方向。

7) 扩孔、清孔。导向孔施工完成后, 应根据待铺设管线的管径计算出扩孔次数和每次回扩所使用的回扩器的规格, 分一次或几次逐级扩孔。当先导孔钻进完成并抽回导向钻杆后, 卸下导向钻头, 接上反向扩孔钻头 (扩孔器) 和旋转接头, 然后在旋转接头后接上回拉钻杆, 进行扩孔钻进 (见图6) 。

管线铺设之前应作一次或多次清孔, 清除扩孔后孔内残留的泥渣。

8) 管道连接、拉接头制作和涂层。根据管材选择适合的连接方法, 钢管一般采用焊接。PE管采用电熔连接或热熔连接。

铺设钢管时应根据被铺设管线的管径和长度, 制作拉接头, 拉接头与被铺设管线应焊接牢固。

定向穿越往往会遇到不同的地层情况, 使管道在回拉时遭受腐蚀、磨蚀, 所以需要在外层涂上保护层。

9) 回拉铺管。扩孔完成后, 在回拉钻杆后接上扩孔钻头和旋转接头, 在旋转接头后接上拉接头和待铺设的管线进行回拉铺管 (见图7) 。

10) 工作坑回填、清理现场。定向钻施工结束后, 采用原生土或者其他填埋材料两侧分层对称回填并且压实, 不得含砾石、垃圾等, 恢复到施工前的使用功能。

回收剩余钻进液及泥浆, 清除地表的钻屑、垃圾。现场清理工作应满足施工前的场地要求。

3 质量、安全控制措施

1) 路面建筑物及管道铺设区域无塌陷, 平整度不得低于90%。2) 水平最大偏差±0.3 m, 纵向垂直最大偏差±0.25 m。3) 施工前, 施工人员应认真勘察现场, 了解施工现场地下各类设施、管线分布和周边环境, 明确安全技术要点并制定出有针对性的安全技术措施。4) 施工人员进入施工现场前, 应接受安全培训和安全教育, 电焊工、电工、机械操作工等专业的作业人员必须持证上岗。

4 结语

非开挖定向钻进拉管施工技术避免了开挖施工中存在的安全隐患, 安全性较好;避免了对居民正常生活的干扰, 以及对交通、环境、周边建筑基础的破坏和不良影响;缩短工期, 具有广阔的推广应用前景。

参考文献

[1]牛松山, 章寅国, 王飞.水平定向钻在管道施工中的应用[J].建筑机械, 2003 (6) :23-25.

非开挖定向穿越 篇8

非开挖水平定向钻进工艺是从石油钻井领域发展演变过来的一项适用于地下管线铺设的施工技术。它是利用水平定向钻机, 以可控钻孔轨迹的方式, 在地下不同地层和深度进行钻进, 并通过专用的控向仪使钻孔沿设计轨迹前进最后抵达设计位置, 然后进行回扩、回拖, 从而达到铺设地下管线目的的施工方法。

水平定向钻进铺管一般分三步进行, 原理图如图1所示。

2 钻孔回扩时钻井液的作用

钻孔回扩时钻井液的作用是非常关键的, 其作用可概括为以下几点: (1) 喷射钻进。钻井液在钻进的过程中, 自钻机通过钻杆输送到扩孔器, 在扩孔器的喷嘴中喷出, 通过调节泵量可以控制钻井液喷出时的射流速度和作用于土体上的作用力, 从而辅助切削土体。增加钻进速度, 同时清洁扩孔器, 防止糊钻现象的发生。 (2) 悬浮和携带岩屑。将钻头破碎下来的岩屑从钻孔内带出, 保持钻孔的清洁。当临时停止钻井液循环时。钻井液又能把钻孔内的钻屑悬浮在泥浆中, 不至于下沉, 同时, 提高钻头的工作效率, 从而提高钻进速度。 (3) 润滑和冷却钻具。在扩孔过程中, 回扩器一直在高速与土体摩擦旋转, 产生大量热量, 温度很高, 这些热量很难通过土层传递出去, 但可以通过钻井液循环吸收并带走热量, 从而起到冷却钻头和钻具的作用, 延长了钻具的使用寿命。 (4) 稳定孔壁。孔壁稳定, 良好的钻井液能借助钻井液中水的流失在孔壁上形成一层很好的泥皮, 以巩固孔壁及地层, 阻止液体流入地层, 减少土中泥页岩的水化膨胀和分散。 (5) 平衡地层压力。在钻进施工中遇到压力系统复杂的地层时, 可在较大范围内调节钻井液的比重, 平衡地层压力, 防止塌孔、缩径及泥浆漏失等现象的发生。

2.1 钻井液的组成

组成钻井液的基本物质是水和粘土, 而粘土主要是膨润土。膨润土晶胞间联系松散, 可交换的阳离子数目多, 水分子易进入晶胞间, 所以易膨胀水化, 分散性好, 造浆率高。由于一般膨润土均为钙质膨涨土, 为了提高钙质膨润土的造浆性能, 须对其进行碱化处理, 在用钙质膨润土配浆时, 加入适量纯碱, 改变土的性能, 使其成为钠质膨润土。一般地加入纯碱碳酸钠的比重约为粘土重量的5%~8%即可。配浆用水一般是就地取水, 但要求水质干净、无杂质、无污染的水源。

2.2 钻井液的基本性能

钻井液的基本性能是钻井液质量的基本参数。钻井液的性能及变化, 直接影响钻进速度、钻头、钻杆寿命、孔壁稳定性、孔内清洁及回拖铺管等一系列钻进工艺问题。钻井液的主要性能有: (1) 密度。是测定钻井液静水压力的标准。它的大小主要决定于钻井液中的固相含量和固相比重。固相含量是指固体颗粒的重量百分比。粘土及重晶石为有用固相, 造浆率高。钻井液的固相含量控制在4%左右为宜。 (2) 粘度。粘度是指钻井液颗粒之间摩擦力的总和, 是测量钻井液的流变性能。一般用漏斗测量, 用每流出1 L钻井液所需的时间来衡量。在水平定向钻进时, 粘度升高则钻进效率降低, 但从携带钻屑和维护孔壁角度来看, 粘度增加是有益的, 所以要配制适当粘度的钻井液。 (3) 钻井液的切力。适当的静切力可以悬浮岩屑, 过高的钻井液静切力却易造成泵压过高, 开泵困难, 压裂地层等, 可以通过添加回稀释剂来降低钻井液切力, 清除钻井液的无用固相, 同时加入无机盐和膨润土可用来提高切力。 (4) 钻井液的失水和造壁性。这是钻井液的重要性能, 它对松散、破碎和遇水失稳的地层孔壁的稳定起重要影响。钻井液失水是指钻井液中的自由水在压差作用下向孔壁土层中的裂隙中渗透, 从而失去水分。钻井液中的自由水进入地层, 钻井液中的固相颗粒附着在孔壁上形成泥皮, 便称为钻井液的造壁性。钻井液中细粘土颗粒多, 则形成泥皮薄而密, 钻井液失水大。反之粗颗粒多而细颗粒少则形成的泥皮厚而松, 钻井液失水大, 造壁性能差, 易产生泥皮跨塌或钻井液循环阻力大。 (5) 泥皮的摩擦力。主要是指泥皮表面的粘滞性能。摩擦力大, 对钻具和管线磨损大, 可加入润滑剂改变摩擦力。 (6) 钻井液的p H值。钻井液的p H值对钻井液性能影响很大, 固相颗粒带负电荷, 它必须在碱性条件下才能维持稳定。因此, 钻井液必须维持在碱性范围, p H值应维持在8~10, 过高的p H值, 钻井液对孔壁的分散性增强, 腐蚀性增大。

3 上海长兴岛新开河穿越工程施工实例

3.1 工程概况

上海长兴岛新开河穿越工程是凤丰东路上水DN700、DN500、DN300排管工程一部分, 穿越水平长度146 m, 铺管直径为700 mm的PE管。

对本工程来说, 由于穿越的是河流, 根据勘察报告显示, 穿越的水平段都处于中砂、粗砂 (含少量砾石) 层中。施工难度大、技术要求高。

根据地层特点, 施工时钻井液将起到举足轻重的作用, 可以说是工程成败的关键之一。针对可能出现的问题, 做了如下的钻井液方案设计: (1) 地钻膨润土, 为钠基膨润土, 造浆率高, 滤失量低, 粘性高。 (2) 钻液宝聚合物添加剂, 为钻孔稳定剂和钻井液漏失控制剂, 可抑制钻井液在砂、砾石层中的漏失。 (3) 雷膨聚合物添加剂, 为液体增粘剂和粘土页岩抑制剂, 可迅速提升钻井液粘度, 使钻井液具有良好的润滑作用。通过钻井液循环将钻屑 (中、粗砂) 携带出钻孔, 保持孔内清洁。稳定孔壁, 支撑钻孔, 防止塌孔。

3.2 钻井液配比设计

在中砂、粗砂 (含少量砾石) 层中施工, 钻井液需要有较高的粘度来支撑钻孔, 悬浮输送钻屑。根据现场地层情况及土样实验分析, 设计的钻井液粘度为50~60 s (马氏漏斗粘度) 。根据设定的钻井液粘度, 每立方米钻井液加入配浆材料为:地钻膨润土28~35 kg;钻液宝聚合物0.8~1.0 L;雷膨聚合物0.7~1.1 L。

3.3 钻井液用量计算

总钻井液用量=钻孔容积×地层系数

地层系数:中、粗砂层取3~4。

经计算总钻井液用量为77.1 m3。

根据钻井液设计配比, 可计算得:地钻用量2.3~2.8 t;钻液宝用量3~4桶 (1 819 L/桶) ;雷膨用量1~2箱 (1 000 kg/箱) , 纯碱50 kg, 降失水剂20 kg, 防塌剂10 kg, 羟甲基纤维素钠盐15 kg。

3.4 施工情况

3.4.1 导向孔施工

于2007年11月16日开始导向孔施工, 由于地层为中砂、粗砂地层, 导向头向前推进速度较慢, 直至20日才完成了导向孔施工。导向孔直径127 mm, 入土角度控制在10°, 出土角度7°。埋置深度为地表以下7 m左右。

3.4.2 分级扩孔

设计分6级扩孔。现场配浆, 钻井液配方为 (1.8 m3泥浆用量) :35 kg彭润土加1.0 L钻液宝, 雷膨2 kg, 纯碱3 kg, 羟甲基纤维素钠盐0.5 kg。配浆使用自来水, p H值为7, 配得泥浆粘度为50 s左右。

第一级到第三级扩孔分别采用φ450 mm、φ550 mm及φ650 mm切削式扩孔器。3挡泵量 (165 L/min) , 回扩拉力<40 k N, 扭矩<3 k N·m。有大量的钻井液从返浆坑返出, 但是携带的砂较少。

第四级到第五级扩孔分别采用φ750 mm、φ850 mm挤扩式扩孔器, 回扩的速度变慢, 返浆情况与之前的三级扩孔有明显的区别, 返浆成灰青色, 返浆中携带大量的砂。钻井液表现非常出色, 返浆坑中钻井液液面下降速度极为缓慢, 仅为10 cm, 钻液宝, 降失水剂羟甲基纤维素钠盐, 很好的控制了钻井液在粗砂层中的漏失。

在第六级φ950 mm回扩过程中, 出现了一个新的情况, 在水平段近出土造斜段处有20 m的地层中含有砾石, 当即调整钻井液配比, 地钻膨润土用量提高至50 kg/m3, 钻液宝用量提高至2.5 L/m3, 羟甲基纤维素钠盐2 kg, 以提高钻井液悬浮输送钻屑的能力, 降低钻井液在高松散度地层中的漏失。现场钻井液粘度调整至65 s左右, 同时调高钻机泥浆泵档位, 降低回扩速度。调整钻井液配合比后, 出土点返浆情况良好。

3.4.3 清孔

清孔使用φ950 mm挤扩式扩孔器, 钻机泥浆泵用3挡, 速度维持在2~3 min/m左右, 钻机扭矩基本小于2 k N·m、拉力小于30 k N。在砂砾石地层段速度较慢为5 min/m, 扭矩和拉力分别小于315 k N·m和5 215 k N。清孔2遍后, 扭矩和拉力基本稳定在1 176 k N·m和2 215 k N左右, 决定拉管施工。

3.4.4 拉管

拉管使用φ850 mm挤扩式扩孔器带管, 前20 m较为顺利。但在通过砂砾石段地层时, 拉力增大, 拉管速度放慢。通过此段地层后, 情况好转, 扭矩、拉力稳定。整个拉管过程用时2 h左右。

4 结论与建议

钻井液粘度应适合地层需要, 并非粘度越高越好。施工过程中, 针对不同的地层情况, 设计了不同粘度的钻井液。钻井液粘度过高不利于泵送, 同时流动性变差、不利于返浆流动, 钻井液静止后需要大的压力才能重新让返浆流动。

钻井液配置过程中应使用储浆罐。施工单位在钻井液配置过程中使用了储浆罐, 取得了明显的效果。

在纯砂地层中施工, 应尽量选用挤扩式扩孔器。

摘要：从理论和实践两方面对非开挖水平定向钻钻井液在地下管线施工中进行了系统的分析和研究, 从工程实施的角度出发, 着重对钻井液的配备在砂层施工中的应用进行了阐述。

非开挖定向穿越 篇9

2009年2月～3月,福建东辰市政工程有限公司承揽了中石油华中公司成品油管线与光缆管的穿越武汉长江左汊工程,穿越处河面宽1 553 m,水深为28 m,穿越长度为1 705 m,所穿越管线设计深度为河床下25 m,实际最大埋深达26 m。穿越管道规格为ϕ355 mm,三层PE加强级防腐,直缝电阻焊钢管(GB/T 9711.2-1999),管道设计10 MPa,输送介质为成品油。光缆使用48芯海缆,管径为121 mm与主管道同孔回拖穿越。穿越入土角为9°、出土角为6°。天兴洲左汊定向钻穿越设计入土点位于长江左侧滩地上;出土点位于天兴洲洲堤内侧,距洲堤堤脚107 m,其穿越特点是距离长,管线埋深大,地层条件复杂,设计穿越主要地层为细粉砂,工程采用美国引进的奥格DD- 440型水平定向钻机进行施工,钻机最大推拉力为200 t,最大扭矩为66 000 N·m。

通过现场地质勘察核实,所穿地层全部为砂质地层,整个断面粘土含量所占的比例不超过10%,这就给项目增加相当大的难度。为保证项目在4月底汛期到来之前完成,项目部针对导向孔曲线、泥浆配制、扩孔工艺和回拖工艺等进行了大量的准备,工程于2009年2月20日开工,2009年3月12日完成拖管工程,总日历天数为22 d。该项目顺利按期完成。

2 施工准备

为了保证这个项目的成功完成,我们在正式开钻前必须进行大量的准备工作,包括地质勘察、工程设计、钻具组合、泥浆材料配制、扩孔工艺和回拖工艺等各个关键工序,项目技术人员对这些关键工序进行了认真详细的思考和准备。为做到万无一失,对施工过程中的导向孔、扩孔、清孔、回拖等工序和可能遇到的以外情况补救措施方案,进行了精密计算和模拟演示。

2.1 地质勘察

由于业主在招标过程中提供的地质勘察资料不详细,整个穿越断面全长1 705 m,总共做了5个地质探孔,而且每个探孔的深度为河床下25 m,加上业主要求的管道埋深也为河床下25 m,因此我们必须重新进行地质勘察,准确掌握河床下的地质结构,才能选择比较好的地质层位进行穿越施工。

为了准确掌握地质情况,我们在河流穿越断面上下游各15 m的断面分别进行了一排探孔,每排上的探孔间距为100 m,总共进行了30个探孔的施工,而且每个探孔的深度为河床下40 m,这样宽范围的地勘测量,可以提供给我们大量的信息,为穿越设计提供更大的选择空间。通过地质勘察发现,所有钻孔取样基本上都是一样的,主要以细砂为主,砂粒含量高达90%。

2.2 曲线设计

根据地质勘察结果,穿越曲线的水平段必须放置在河床下25 m左右,但不得浅于17 m。因为管线埋深越浅,浅表砂质地层越不稳定,形成的孔洞越容易塌陷。如果管线太深,不利于排砂,易产生抱钻现象。因此曲线选择在河床下25 m深度内。

3 钻具组合

由于武汉长江河面宽,在国内还从来未遇到过全断面穿越均为砂质地层的情况,而且还要两管同拖,这样就要求穿越曲线必须平滑顺直。因此在钻具组合上我们针对导向孔、扩孔、清孔以及管道回拖工艺分别进行了认真的分析,并结合钻机的能力(奥格DD440钻机)进行了不同阶段的控制。

3.1 导向孔钻具组合

本次穿越长度为1 705 m,地层复杂,所以钻导向孔是本工程的重点工序。根据钻杆的材质及性能,钻导向孔采用的钻具主要有:钻杆选用ϕ5-1/2″的API标准S135内部加厚型钻杆;钻头采用9-7/8″三牙轮镶齿碳化钨钻头;6-5/8″无磁钻铤1根;补浆短节5节,每400 m安装一个(见图1)。

司钻人员按照技术要求,对每一根钻杆的钻进都提前在图纸上作好标注,控制钻杆的折角变化:单根钻杆折角变化小于0.6°,连续三根钻杆折角变化小于1.7°;保证穿越曲率半径不小于1 000 m,管底最大埋深、入土角及出土角均能达到相应设计规范的要求。

重点控制单根钻杆的钻进质量和整体曲线的质量,确保施工曲线与设计曲线重合,这是确保预扩孔和安全回拖作业的基础。

3.2 扩孔、洗孔、回拖钻具组合

本次施工为ϕ355 mm主输油管与ϕ121 mm光缆管套管同孔回拖。根据穿越扩孔的要求:扩孔直径达到管径的1.3倍～1.5倍,每级扩孔相差6″;而根据地质报告描述,此次定向钻穿越的主要地层是粉砂层,为保证最佳的成孔,拟定采用ϕ12″,ϕ18″,ϕ24″,ϕ30″先后逐级扩孔,最后扩孔直径达1.6倍。钻具组合见表1。

在扩孔过程中,扩孔扭矩控制在30 000 N·m以内,推拉力控制在小于100 t,扩孔根据各地层的抗压强度的不同变化灵活的控制扭矩,尽可能保证扩孔速度的均匀和泥浆排量、泥浆压力的均匀,保持井口返浆容量较大和流速基本不变,避免返浆倒灌入孔道内。若扩孔时局部扭矩过大,应当立即降低扩孔进尺速度,同时加大泥浆排量和泥浆压力,确定牙轮重新切削后逐步降低泥浆流量和压力到平均速度。

在清孔时,增加泥浆流量20%～30%,尽量携带多的砂屑,并在遇到局部塌方地段,重新扩孔成型。若一次清孔未能降低扭矩和推拉力,可以进行第二次清孔。清孔后若孔内正常,方可进行回拖作业。

4 施工关键工艺

在前期大量精心准备,周密谋划的基础上,长江左汊穿越于2009年2月20日开工,3月12日竣工。在施工过程中,我们对系统安装、钻具选择、喷浆短接应用、人工磁场、发送沟及泥浆应用等工艺进行了重点控制。

4.1 系统安装

所有设备进入施工现场后,进行系统安装,按照空中不布线的安全原则:所有的电缆线埋地,所有的水管线避开行车路线。系统安装完毕检查一切正常后,进行系统试运转。同时,在开钻施工前认真检查钻杆、无磁钻铤、扩孔器、牙轮、卸扣、万向节等钻机具的质量,清洗丝扣并进行无损检测,确保内部无损伤,检查扩孔器水眼是否通畅,钻头的水眼直径是否更换等等,在扩孔、回拖前还要检查并确保扩孔器的水眼畅通,卸扣无变形、锁销完好,万向节丝扣润滑,对钻杆要进行严格的选择和编号。

4.2 选择钻具

本次施工控向采用的钻具主要有:ϕ9-7/8″三牙轮碳化钨镶齿钻头+1.75°无磁钻铤+API标准S135内部加厚型钻杆;控向设备采用美国进口设备,确保出土位置准确无误。

由于该工程长度较大,采用该导向钻头,能充分利用钻头上的牙轮,有效地对地层进行切削,减少因长度大后的地层阻力,同时,该钻头的水眼较多,能够较好地控制泥浆压力,施工时,孔内曲线较为平滑。

4.3 喷浆短接的应用

根据以往施工经验,细砂类地层施工时孔内泥浆流失较为严重,易产生抱钻。为保证孔内有充分的泥浆,在施工中需增加喷浆短接(也称补浆短接),以保证穿越段中间泥浆的补充,加强泥浆的流动,增强排砂功效。

穿越工程施工所采用的喷浆短接种类较多,水眼大小不一,有3 mm,6 mm,8 mm等等,水眼的朝向有向上或向下,水眼的角度有30°,45°,90°等,但若喷浆短接数量过多,则会使泥浆压力变小,流速减缓,无法达到携砂的效果,太少则无法对孔内补充泥浆。根据本工程特点,选择四个喷浆短接,每钻进400 m增加一个喷浆短接,喷浆短接水眼为6 mm,水眼的角度为45°。

4.4 人工磁场布置

武汉长江水道穿越轴线平均水深15 m以上,最大水深为28 m左右。所穿越的水面宽,是长江的主航道,航运繁忙,有大型船只通行。上游200 m又有天兴洲大桥,为火车与汽车两用的双层桥,车辆川流不息,磁场干扰严重。本次如果采用常规的方法在穿越的中心线上布置交流线圈的办法无法保证穿越的精度。根据现场实际情况,利用上游200 m的天兴洲大桥增设交流线圈,回路在穿越中心线下游的200 m处,形成了外围闭合交流电缆线圈。提高线圈磁场强度,最大限度降低了外界磁场的干扰,确保了导向孔的精度。

4.5 发送沟减阻

为了减少回拖阻力,管线回拖采用发送沟的方式进行。发送沟采用单斗作业,其尺寸为上口宽1.2 m、下口宽0.7 m、深0.8 m;在挖发送沟时,计算好发送沟进入孔洞这一段的坡度,回拖前向发送沟内灌水,将管线放入发送沟,使管线呈漂浮状态,以确保管线在回拖过程中防腐层不受损伤。在吊管和放置过程中,做到轻起、轻落,不拖拉钢管,并保持管内清洁。管子的吊装使用了专用吊具,吊带的强度满足吊装的安全要求。

4.6 泥浆应用

在导向阶段为了保证钻屑携带和孔眼清洁,控制泥浆的失水,防止塌孔,为了安全起见采用40 s～45 s的泥浆,为了使膨润土所配置的泥浆更为分散,使其携带和悬浮钻屑效果好,增加了泥浆的pH值,因为复合泥浆材料本身具有一定的调节pH值的作用,由于返浆pH值没有太大的下降,所以只要适当增加一点纯碱就可以保证泥浆的pH值;在导向孔水平段加入了润滑剂,适当降低粘度和切力,保证泥浆性能的良好,使钻屑顺利返出地面,增强泥浆的润滑性,降低摩擦阻力,减小钻机旋转及推进阻力。

在扩孔阶段,由于孔径的增大,为了孔壁的稳定,在泥浆中适当增强泥浆的造壁性能,防止孔壁塌陷,防止缩径,泥浆粘度调整到50 s～80 s,所用膨润土按8%～10%重量比加淡水配出基浆,再按基浆重量的2‰～4‰比例加入各种泥浆添加剂,使用的主要泥浆添加剂有:FT防塌壁剂、干粉正电胶、润滑剂等,保证泥浆的流变性能良好,同时增强泥浆的润滑性,减小钻具与地层的摩擦力。

在清孔阶段,为减少滤失量,进一步稳定井壁,在保持泥浆粘度不变的情况下适当增加复合泥浆材料的百分含量,增大了泥浆的排量,使清孔更加彻底,携带和悬浮更多的钻屑。

回拖阶段为提高泥浆的润滑性,降低摩擦阻力,采用了降低粘度和大量加入润滑剂的方法,保证回拖阶段的顺利进行。在整个穿越过程,我们始终注重泥浆的配置,时刻检查泥浆的性能,以确保工程的成功。

泥浆性能指标具体参数见表2。

5 结语

通过前期大量精心准备,周密谋划,武汉长江左汊穿越于2009年2月20日正式拉开了序幕,经过一次导向孔、四次扩孔和一次清孔后,于2009年3月12日回拖铺管成功。由于长江河面宽,地质情况不好,砂层极不稳定,许多公司对此工程望而却步。福建东辰市政公司不畏艰难,克服了非常危险的长距离砂层穿越困难,成功完成了铺管任务。改写了我国两管同拖、细砂层穿越最长的新纪录。同时也积累了长距离穿越施工的经验,我们将认真总结,挑战穿越长度新纪录,在水平定向钻穿越领域再创辉煌。

摘要：针对长距离穿越松散砂层会塌孔抱钻的危险,综合应用了精确导向、合理设计钻孔轨迹、扩孔级配、补浆短接和优质泥浆的技术,使该铺管施工顺利完成,为今后同类工程施工提供了经验和指导。

关键词：水平定向钻,松散砂层抱钻,非开挖关键技术

参考文献

[1]李山,朱文鉴.水平定向钻进管线铺设工程技术规范[J].非开挖技术,2002(5):31-32.

[2]韩广德.钻探工程学[M].北京:煤炭工业出版社,2000.