水平定向鉆管道敷設(shè)技術(shù)

水平定向鉆管道敷設(shè)技術(shù)摘要：近年來(lái)我國(guó)使用非開(kāi)挖水平定向鉆進(jìn)技術(shù)鋪設(shè)各類管線取得了巨大的進(jìn)展，在電訊、自來(lái)水、污水、燃?xì)?、電力和熱力等管線鋪設(shè)中都得到了廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：水平定向鉆；管線鋪設(shè)；導(dǎo)向孔Abstract:inrecentyears,Chinausedtheexcavationleveldirectionaldrillingtechnologyofallkindsofpipelayinghavemadegreatprogressintelecommunications,tapwater,sewage,gas,electricityandheatpipelaying,havebeenwidelyused.Keywords:directionaldrilling;Pipelinelaid;Pilothole1、 前言隨著現(xiàn)代文明意識(shí)和環(huán)保意識(shí)的逐漸加強(qiáng)，開(kāi)挖路面進(jìn)行各類地下管線施工導(dǎo)致的社會(huì)問(wèn)題，交通問(wèn)題和環(huán)境污染問(wèn)題已越來(lái)越受人民的關(guān)注，城市限制開(kāi)挖施工的法規(guī)也陸續(xù)出臺(tái)，本文介紹的就是用來(lái)進(jìn)行非開(kāi)挖施工的水平定向鉆穿越施工技術(shù)。近幾年來(lái)水平定向鉆穿越技術(shù)在世界各國(guó)及各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用尤其在環(huán)保和市政管網(wǎng)改擴(kuò)建項(xiàng)目及大型管道穿越江河工程項(xiàng)目上更顯出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。2、 概述水平定向鉆進(jìn)管道鋪設(shè)技術(shù)是在不清除地面障礙物的情況下，管道從障礙物的底部地下穿越，與其它管線鋪設(shè)方法相比它對(duì)環(huán)境影響小，障礙物下管線覆蓋深度大，對(duì)管線保護(hù)的效果好。由于不需要清除地上障礙物，并且施工現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)工程量較小，可以減少工程建設(shè)投資。其工作過(guò)程是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制導(dǎo)向和探測(cè)，先鉆出一個(gè)與設(shè)計(jì)曲線相同的導(dǎo)向孔，然后再將導(dǎo)向孔擴(kuò)大，把產(chǎn)品管線回拖到擴(kuò)大了的導(dǎo)向孔中，完成管線穿越的施工過(guò)程。3、 技術(shù)特點(diǎn)1、 定向鉆穿越施工具有不會(huì)阻礙交通，不會(huì)破壞綠地，植被，不會(huì)影響商店，醫(yī)院，學(xué)校和居民的正常生活和工作秩序，解決了傳統(tǒng)開(kāi)挖施工對(duì)居民生活的干擾，對(duì)交通，環(huán)境，周邊建筑物基礎(chǔ)的破壞和不良影響。2、 現(xiàn)代化的穿越設(shè)備的穿越精度高，易于調(diào)整敷設(shè)方向和埋深，管線弧形敷設(shè)距離長(zhǎng)，完全可以滿足設(shè)計(jì)要求埋深，并且可以使管線繞過(guò)地下的障礙物。3、 采用水平定向鉆機(jī)穿越施工時(shí)，沒(méi)有水上、水下作業(yè)，不影響江河通航，不損壞江河兩側(cè)堤壩及河床結(jié)構(gòu)，施工不受季節(jié)限制，具有施工周期短人員少、成功率高施工安全可靠等特點(diǎn)。4、 與其它施工方法比較，進(jìn)出場(chǎng)地速度快，施工場(chǎng)地可以靈活調(diào)整，尤其在城市施工時(shí)可以充分顯示出其優(yōu)越性，并且施工占地少工程造價(jià)低，施工速度快。4、 適用范圍石油、天然氣、水、化工原料等管道穿越，河流、公路、鐵路、大堤、建筑物、湖泊、海灣、漁塘以及其他不宜進(jìn)行大型開(kāi)挖的地段，均可采用水平定向鉆進(jìn)行管線鋪設(shè)施工。5、 適用地層1、 最好的地層：粉質(zhì)粘土、粉砂、細(xì)沙、軟塑粘土、淤泥。2、 一般地層：中砂、軟巖石、可塑粘土。3、 難穿地層：硬塑粘土、鐵板砂、粗砂、中等硬度巖石、卵礫石、流砂。6、 水平鉆機(jī)設(shè)備系統(tǒng)各種規(guī)格的水平定向鉆機(jī)都是有鉆機(jī)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、控向系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、鉆具及輔助機(jī)具，安全保護(hù)系統(tǒng)等。它們的結(jié)構(gòu)及功能介紹如下：6.1 鉆機(jī)系統(tǒng)鉆機(jī)系統(tǒng)的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。與之相配匹的輔助功能為：鉆機(jī)的鉆進(jìn)架與水平面之間的夾角可調(diào)，以滿足不同入射角的要求。鉆機(jī)入射角的大小，也是衡量鉆機(jī)性能的主要指標(biāo)，與鉆機(jī)的總體布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，將直接影響到成孔軌跡設(shè)計(jì)。目前鉆機(jī)技術(shù)正朝著多功能、集成化及自動(dòng)化方向迅猛發(fā)展。針對(duì)某一特定工程進(jìn)行鉆機(jī)選型時(shí)，前提工作即為管線回拉力計(jì)算，可參考以下公式：F拉=πLf【泥-dδ1（D-δ1）】+K粘πDL式中:F拉－計(jì)算的拉力（t）L－穿越長(zhǎng)度（m）f－摩擦系數(shù)，0.1～0.3D－生產(chǎn)管直徑（m）D—生產(chǎn)管內(nèi)徑（m）泥－泥漿密度（t/m3），一般取1.13-1.18δ1－生產(chǎn)管壁厚（m）K粘－粘滯系數(shù)，0.01～0.03定向鉆機(jī)最終根據(jù)回拉力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行選型，通常按回拉力的1.5—3倍進(jìn)行鉆機(jī)性能選擇。6.2 動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)由液壓動(dòng)力源和發(fā)電機(jī)組成動(dòng)力源，是為鉆機(jī)系統(tǒng)提供高壓液壓油作為鉆機(jī)的動(dòng)力，發(fā)電機(jī)為配套的電氣設(shè)備及施工現(xiàn)場(chǎng)照明提供電力。6.3 控向系統(tǒng)控向系統(tǒng)是通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)和控制鉆頭在底下的具體位置和其他參數(shù)，引導(dǎo)鉆頭正確鉆進(jìn)的方向性工具，由于又該系統(tǒng)的控制，鉆頭才能按其設(shè)計(jì)曲線鉆進(jìn)，現(xiàn)經(jīng)常采用的有手提無(wú)線式和有線式兩種的控向系統(tǒng)。在中、大型鉆機(jī)進(jìn)行大型工程施工中采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)，將軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)與鉆機(jī)的自動(dòng)鉆進(jìn)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)的自動(dòng)導(dǎo)航，解決隨鉆跟蹤監(jiān)控方式與有纜式監(jiān)控方式所存在的弊端。6.4 泥漿系統(tǒng)泥漿系統(tǒng)由泥漿混合攪拌罐和泥漿及泥漿管路組成，為鉆機(jī)系統(tǒng)提供適合鉆進(jìn)工況的泥漿。泥漿是鉆液與鉆孔中鉆屑的混合物。鉆液是指在鉆進(jìn)施工中用來(lái)與鉆孔過(guò)程中切削下來(lái)的土(或沙石)屑混合，懸浮并將這些混合物排出鉆孔的一種液體。鉆液具有冷卻鉆頭(冷卻和保護(hù)其內(nèi)部傳感器)、潤(rùn)滑鉆具等作用，由水、膨潤(rùn)土和聚合物組成。6.5 鉆具及輔助機(jī)具鉆具及輔助機(jī)具主要指鉆機(jī)在鉆孔及擴(kuò)孔作業(yè)時(shí)所使用的各種機(jī)具。鉆具要有適合各種地質(zhì)的鉆桿、鉆頭、泥漿馬達(dá)、擴(kuò)孔器及切割刀等機(jī)具；輔助機(jī)具包括卡環(huán)、旋轉(zhuǎn)活接頭、各種管徑的拖拉頭及推管器（針對(duì)大管徑）。7、 施工工藝使用水平定向鉆機(jī)進(jìn)行管線穿越施工，一般分為二個(gè)階段：第一階段是按照設(shè)計(jì)曲線盡可能準(zhǔn)確的鉆一個(gè)導(dǎo)向孔；第二階段是將導(dǎo)向孔進(jìn)行擴(kuò)孔，并將產(chǎn)品管線（一般為PE管道，光纜套管，鋼管）沿著擴(kuò)大了的導(dǎo)向孔回拖到導(dǎo)向孔中，完成管線穿越工作。7.1 地質(zhì)勘探及地下管線探測(cè)地下管線探測(cè)主要了解有關(guān)地下已有管線和其它埋設(shè)物的位置，為設(shè)計(jì)鉆進(jìn)軌跡提供依據(jù)。一般采用物探法，按其定位原理分為：電磁法、直流電法、磁法、地震波法和紅外輻射法等。7.2 鉆進(jìn)軌跡設(shè)計(jì)導(dǎo)向孔軌跡設(shè)計(jì)是否合理對(duì)管線施工能否成功至關(guān)重要。鉆孔軌跡的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)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(dǎo)向監(jiān)控能力和被鋪設(shè)管線的性能等，給出最佳鉆孔路線。圖中：α1——入土角α2——出土角A——入土點(diǎn)D——出土點(diǎn)B——第一曲線段和直線段軌跡變化點(diǎn)C——直線段和第二曲線段軌跡變化點(diǎn)h——軌跡（鋪管）深度L1+L2+L3——定向鉆鋪管水平長(zhǎng)度注：滿足規(guī)范要求的最小曲率半徑。鋼管定向穿越，規(guī)范要求R=1500D；PE管穿越施工沒(méi)有明確規(guī)范要求，一般以鋼管穿越規(guī)范為基本依據(jù)，考慮PE管的柔韌性比鋼管好得多，一般取R≥1000D。同時(shí)，最小覆土深度還應(yīng)必須大于生產(chǎn)管管徑的5-6倍以上。7.3 場(chǎng)地布置1、 入土點(diǎn)：定向鉆施工的主要場(chǎng)所，鉆機(jī)就布置在該側(cè)，所以施工占地比較大，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況作相應(yīng)調(diào)整。2、 出土點(diǎn)：主要作為管道焊接場(chǎng)地，在出土點(diǎn)應(yīng)有一塊20×20m的場(chǎng)地作為預(yù)擴(kuò)孔、回拖時(shí)接鉆桿和安裝其他設(shè)備時(shí)使用；在出土點(diǎn)之后有一條長(zhǎng)度與穿越長(zhǎng)度相等的管線焊接作業(yè)帶。7.4 鉆導(dǎo)向孔鉆機(jī)被安裝在入土點(diǎn)一側(cè)，從入土點(diǎn)開(kāi)始，沿著設(shè)計(jì)好的線路，鉆一條從入土點(diǎn)到出土點(diǎn)的曲線，作為預(yù)擴(kuò)孔和回拖管線的引導(dǎo)曲線。7.5 預(yù)擴(kuò)孔和回拖產(chǎn)品管線一般情況下，導(dǎo)向孔完成后，需進(jìn)行多級(jí)預(yù)擴(kuò)孔，以便于進(jìn)行成品管線的回拖，預(yù)擴(kuò)孔的直徑和次數(shù)，視具體的鉆機(jī)型號(hào)和地質(zhì)情況而定?；赝袭a(chǎn)品管線時(shí)，先將擴(kuò)孔工具和管線連接好，然后，開(kāi)始回拖作業(yè)，并由鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)