簡述水平定向鉆牽引施工技術(shù)

簡述水平定向鉆牽引施工技術(shù)摘要：在牽引管道時(shí)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況以適宜的速度拖管,保證成孔的泥漿的穩(wěn)定性。如出現(xiàn)管道拖不動(dòng),應(yīng)及時(shí)將鉆機(jī)移到管道人地端,與挖掘機(jī)及其他機(jī)械配合,將管道拖出地面。檢查并改善相關(guān)保障措施,如采取更大的回?cái)U(kuò)頭,使用添加劑,使用具有更大動(dòng)力的鉆機(jī)等。關(guān)健詞：施工；準(zhǔn)備；控制；導(dǎo)向孔；擴(kuò)孔；泥漿技術(shù) 水平定向鉆是當(dāng)今復(fù)雜條件下敷設(shè)管線的重要施工方法,尤其對橫穿大江大河的管線,可在不影響航道正常航行情況下施工。目前,我國的水平定向鉆的施工設(shè)備已經(jīng)隨著我國現(xiàn)有的鉆機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)完善,不斷開發(fā)和創(chuàng)新。1工程概況 水平定向鉆可承擔(dān)各種不同材質(zhì)管線的穿越任務(wù),鉆機(jī)性能的發(fā)揮依賴于適宜的地質(zhì)條件和合理的軌跡設(shè)計(jì)。在牽引管施工中多處發(fā)生導(dǎo)向孔時(shí)卡鉆、擴(kuò)孔時(shí)塌方的情況,經(jīng)及時(shí)采取有效的處理措施才保證了工程的順利進(jìn)行?，F(xiàn)結(jié)合本工程實(shí)踐對水平定向鉆牽引管道施工技術(shù)主要控制要點(diǎn)做如下討論。非開挖水平定向鉆牽引管道施工的主要工藝流程是：施工準(zhǔn)備→導(dǎo)向孔施工→反拉擴(kuò)孔、成孔、牽引管道→砌檢查井→驗(yàn)收→清場。寶崗大道通信管線工程全長約2km，其中定向鉆施工全長約1km，包括江南西、南田路等路口,施工工期僅30d。主要為弱電線路包括電信、移動(dòng)、聯(lián)通、廣電及電力調(diào)度光纜等。施工主要采用開槽埋設(shè),混凝土包方加固施工方式；在需穿越江南西廣百廣場、南田路口及公交站場時(shí),采用水平定向鉆牽引管方式施工敷設(shè)110HDPE(高密度聚乙烯)管12孔。2施工準(zhǔn)備階段的控制2.1確定設(shè)計(jì)軌跡與選擇合理穿越地質(zhì)地層 如果地質(zhì)條件理想,穿越曲線位于豁土、亞毅土、或淤泥等造漿能力好的地層,施工時(shí)可以適當(dāng)加長曲線長度,且拖拉力不會(huì)增加很多,可加快工程進(jìn)度。如果穿越曲線所在的地層不理想時(shí),則會(huì)降低穿越成功的可能性,甚至導(dǎo)致鉆孔無法完成。在本工程施工中大部分處于均質(zhì)豁土及砂土層,故施工完成順利,但由于地質(zhì)資料復(fù)雜而且欠缺,導(dǎo)致部分在橫越江南西廣百廣場處鉆孔完成不夠完善,施工中經(jīng)過多次試鉆都成功后,最終在拉管過程中卡了兩根管,由于在人口密集的廣場，嚴(yán)重影響工期及交通。所以事先充分了解施工地段的地質(zhì)條件是穿越成功的重要前提。2.1.1地質(zhì)要求 必須先勘察穿越工程處的地質(zhì)情況,不同地層需要選用不同的鉆具及結(jié)構(gòu)。穿越地層必須詳勘,一般按要求在穿越中心兩邊各15m,沿中心線方向間距設(shè)勘察孔,而對于復(fù)雜的地質(zhì)則勘察孔必須加密。穿越段地質(zhì)勘探應(yīng)提供以下參數(shù)值:各巖土層厚度、取樣深度、含水量、顆粒度、液性指數(shù)、塑性指數(shù)、液限、塑限、標(biāo)貫擊數(shù)、承載力標(biāo)準(zhǔn)值等數(shù)據(jù),并提供水質(zhì)報(bào)告、穿越地段地形和地質(zhì)鉆探剖面圖,供施工單位使用參考。2.1.2軌跡設(shè)計(jì) 根據(jù)鋪管設(shè)計(jì)標(biāo)高、地層及地形情況,以及鉆桿曲率半徑、工作場地、地下管線分布等情況,確定定向鉆進(jìn)過程中鉆頭的頂角、方位角、工具面向角,計(jì)算出測定空間坐標(biāo),設(shè)計(jì)定向鉆的軌跡圖及制訂特殊地層、地段的特殊施工方案,并且要準(zhǔn)備常用的施工應(yīng)急材料,以保證施工任務(wù)的順利完成。目前國外著名的鉆機(jī)制造商可提供商品化的軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件,通過采集所需的全部信息,利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行最優(yōu)化鉆孔軌跡設(shè)計(jì),從而可大大提高軌跡設(shè)計(jì)的科學(xué)性和設(shè)計(jì)效率。 弧形導(dǎo)向孔軌跡由兩部分組成:造斜段和直線段。造斜段是鉆桿進(jìn)人敷管深度的過渡段,直線段是管道穿越障礙物的敷設(shè)段。 導(dǎo)向孔軌跡的形態(tài)取決于穿越起點(diǎn)(A點(diǎn))、穿越終點(diǎn)(B點(diǎn))、敷管深度(h)、造斜段曲率半徑(R1、R2)等參數(shù)。其中R1由鉆桿最小曲率半徑(Rd)和敷管深度(h)決定,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)Rd≥1000d(d為鉆桿直徑,50mm);R2由所敷管的彎曲半徑?jīng)Q定,工程中取R2≥47mm,見圖1。其計(jì)算公式如下: (1) (2) 式(1)、(2)中：L一造斜段距離；a一鉆桿人射角。檢查批回?cái)U(kuò)和回拉時(shí)的泥漿出口圖1導(dǎo)向孔軌跡2.1.3集泥池 為保證附近環(huán)境衛(wèi)生狀況,在鉆進(jìn)前應(yīng)先在兩端挖好集泥漿池,安裝好泥漿泵,及時(shí)抽出導(dǎo)向鉆及擴(kuò)孔階段的泥漿。并做好集泥漿池相關(guān)的安全防護(hù)措施,確保安全生產(chǎn)文明施工。2.2鉆機(jī)描固 本工程采用履帶式鉆機(jī)為美國威猛牌D24一X型及水平導(dǎo)向鉆機(jī)DDW一X型(X表示額定推拉力的大小)。鉆機(jī)主要功能是為鉆桿提供足夠大的扭矩和推拉力,以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆進(jìn)和回拉擴(kuò)孔鋪管,施工中錨固以穩(wěn)、平、實(shí)為原則。在鉆機(jī)錨固前,應(yīng)對錨固區(qū)域用儀器進(jìn)行地下管線檢測,防止將錨桿打在地下管線上。合理的錨固是順利完成鉆進(jìn)及回拖管道的前提,鉆機(jī)錨固能力反映了鉆機(jī)在鉆進(jìn)和回拖施工過程中利用本身功率的能力。一臺(tái)鉆機(jī)推力再大,如果鉆機(jī)在定向鉆進(jìn)過程中發(fā)生移動(dòng),仍會(huì)導(dǎo)致鉆機(jī)無法按預(yù)定的計(jì)劃完成鉆進(jìn)工作。在回拖時(shí),如錨固不好而使鉆機(jī)移動(dòng),會(huì)導(dǎo)致管道拖不動(dòng),如果進(jìn)一步加大鉆機(jī)拖力,則會(huì)出現(xiàn)鉆機(jī)的全部功率作用于機(jī)身,容易發(fā)生設(shè)備破壞和人員傷亡。2.3鉆具選擇 鉆頭是定向鉆進(jìn)的重要工具,對工程施工所要達(dá)到的效果及進(jìn)度具有重要影響。鉆頭鉆進(jìn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度通常為50～100r/min。因此對于不同的土層采用不同的鉆頭才能有效鉆進(jìn),并防止卡鉆、鉆頭損壞。3導(dǎo)向孔施工的控制3.1導(dǎo)向孔施工3.1.1導(dǎo)向鉆孔 目前常采用射流輔助鉆進(jìn)方法,一般以15°,斜面鉆頭來控制鉆頭方向。鉆頭內(nèi)的發(fā)射器可以發(fā)射鉆頭的位置、頂角、深度、鉆頭溫度、面向角、發(fā)射器內(nèi)電池狀態(tài)等參數(shù),并由地面手提定位示蹤儀接收,供操作人員及時(shí)準(zhǔn)確地確定鉆頭的具體位置和深度,并隨時(shí)通過鉆機(jī)調(diào)整鉆機(jī)參數(shù),以控制鉆頭按設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn),同時(shí)記錄示蹤儀上的原始數(shù)據(jù),以便對工程質(zhì)量評定提供依據(jù)。3.1.2斜面糾偏 地面示蹤儀測量精度一般為3％～5％,測量深度為20m左右,當(dāng)發(fā)現(xiàn)定向鉆進(jìn)偏離設(shè)計(jì)軌跡時(shí),通過調(diào)整鉆頭斜面的方向進(jìn)行糾偏。糾偏不能過急,應(yīng)按照鋼管的曲率半徑來完成糾偏工作，糾偏過急,容易在拖管過程中出現(xiàn)拖不動(dòng)的問題。3.1.3卡鉆的解決辦法 在礫石、粉細(xì)砂、鈣質(zhì)層鉆進(jìn)中,較容易出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象。在本工程中曾多處發(fā)生卡鉆(特別是廣場的地層，回填土為主，土質(zhì)復(fù)雜),經(jīng)及時(shí)調(diào)整泥漿指標(biāo),使用大泥漿排量,與挖掘機(jī)配合將鉆桿撤出卡鉆區(qū)；通過調(diào)整泥漿指標(biāo),使用膨潤土,增加泥漿切力和豁度,并使用扭矩大、推力大的鉆機(jī)及其匹配的鉆頭,最終完成了導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)。3.2信號接收 在鉆進(jìn)過程中,信號探頭與信號接收器之間的連接必須正確。在開鉆前應(yīng)嚴(yán)格檢查線路之間連接是否合理可靠,否則容易造成因信號接收不良或無信號而引起鉆進(jìn)過程中軌跡偏離等不良后果。由于地磁信號強(qiáng)及建筑物、高架橋、各類管線等的屏蔽作用,使定向信號無法接收時(shí),可依靠消失前鉆頭位置及鉆進(jìn)斜率與點(diǎn)數(shù)在鉆桿上作記號進(jìn)行盲鉆，但前提必須保證盲鉆區(qū)域設(shè)計(jì)深度范圍內(nèi)沒有其他管線與之交叉或平行過近。在盲鉆過程中應(yīng)根據(jù)鉆桿的記號及計(jì)算鉆桿的斜率來調(diào)整方向,利用鉆孔返漿液來判斷地層變化,完成整個(gè)鉆進(jìn),直至信號出現(xiàn)。4擴(kuò)孔控制及應(yīng)用泥漿技術(shù)4.1擴(kuò)孔施工4.1.1擴(kuò)孔器 當(dāng)先導(dǎo)孔鉆進(jìn)至鉆區(qū)時(shí)需要一個(gè)擴(kuò)孔器來擴(kuò)大鉆孔,以便安裝成品管線。對于不同的地層采用不同的擴(kuò)孔器,是保證回?cái)U(kuò)成孔的關(guān)鍵。一般將鉆孔擴(kuò)至成品管孔徑的1.2～1.5倍,擴(kuò)孔器的拉力或推力要達(dá)到實(shí)際要求,一般為每毫米孔徑175N。根據(jù)成品管和鉆機(jī)的規(guī)格及工程實(shí)際中的管道管徑還可以采用多級擴(kuò)孔。4.1.2擴(kuò)孔工藝 擴(kuò)孔時(shí)把鉆頭卸下,將回?cái)U(kuò)頭連接在鉆桿上,然后由鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)回拉擴(kuò)孔。為了保證按照鉆桿軌跡回?cái)U(kuò),在回?cái)U(kuò)過程中不斷卸下回?cái)U(kuò)頭后的鉆桿,直到擴(kuò)至鉆機(jī)同一側(cè)的工作場地,完成一級擴(kuò)孔。反復(fù)進(jìn)行,采用不同直徑的回?cái)U(kuò)頭擴(kuò)孔,直至達(dá)到設(shè)計(jì)的擴(kuò)孔孔徑為止。對于回拉力、扭矩較大的鉆機(jī),在擴(kuò)孔時(shí)可以將兩種不同直徑的回?cái)U(kuò)頭連接在一起,一次完成擴(kuò)孔施工,在地質(zhì)條件好的地方甚至可以同時(shí)完成擴(kuò)孔和鋪管施工。4.1.3井液(泥漿)控制及應(yīng)用技術(shù) 鉆井液與鉆孔回拖的關(guān)系密切,由于定向鉆穿越施工處于地表以下,地質(zhì)松軟,鉆孔時(shí)易塌方,因此要求所用泥漿的護(hù)壁性好、泥餅質(zhì)量高、控制失水性好,以保證鉆機(jī)性能的發(fā)揮。一般是根據(jù)地層結(jié)構(gòu)不同,決定所需泥漿性能也不相同。4.2泥漿應(yīng)用 由于各地質(zhì)地層的條件各異,為改善泥漿性能,需加入適量添加劑來配制成不同性能的泥漿。鉆液是指在鉆進(jìn)施工中用來與鉆孔過程中切削下來的土屑混合,懸浮并將這些混合物排出鉆孔的一種液體,而泥漿則是鉆液與鉆孔中鉆屑的混合物。在不同的地質(zhì)條件下,需要用不同成分的鉆液來調(diào)配泥漿。鉆液由水、膨潤土和聚合物組成。水是鉆液的主要成分,膨潤土和聚合物通常稱為鉆液添加劑。鉆液的品質(zhì)越好與鉆屑混合越適當(dāng),所制造的泥漿的流動(dòng)性和懸浮性越好,回?cái)U(kuò)成孔的效果越理想,成功的概率越大。所以在施工中千萬不能為省錢,僅用水來替代鉆液;這樣做的結(jié)果只能會(huì)影響工程施工效率、影響成孔質(zhì)量、甚至導(dǎo)致工程失敗。由于不用鉆液,使鉆進(jìn)和回拖的力和扭矩增大,不但影響鉆機(jī)壽命,而且還會(huì)大大增加施工成本。5牽引管道的控制5.1牽引管道連接及加固5.1.1HDPE(高密度聚乙烯管)管道的焊接 目前工程中常用的管材為HDPE管,選用的管道的內(nèi)壓強(qiáng)度及環(huán)剛度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求,同時(shí)在熱熔連接時(shí),應(yīng)保證兩管道連接時(shí)的水平狀態(tài),端面表面清潔􀀁剛熱熔完成時(shí)應(yīng)用夾鉗扣緊鎖緊扣帶并保證其一定的冷卻時(shí)間（約15min）,以滿足接口的連接處的強(qiáng)度。5.1.2HDPE管道的加固 視管道的強(qiáng)度而定。若回拉牽引管線較長,為保證牽引過程中不會(huì)出現(xiàn)斷管及泥漿灌人的現(xiàn)象,可采取如下加固措施。①在兩管端采用封板(同管徑木頭等材質(zhì)堵頭)封堵并用玻璃膠封口,防止漏水及泥漿灌人。②順管外沿用4根Φ6的鋼筋抱緊管兩端,管中央則用一根Φ8的鋼筋拉住管兩端,在管外圍每隔10m采用Φ6的鋼筋環(huán)形抱住外沿的5根鋼筋,確保拖管的整體性,防止斷管。為了保證這5根鋼筋縱向能夠整體受力,可將鋼筋焊接在封板