水平定向鉆穿越施工工藝
水平定向鉆穿越施工工藝
水平定向鉆
隨著現(xiàn)代文明意識和環(huán)保意識的逐漸加強，開挖路面進行各類地下管線施工導(dǎo)致的社會問題，交通問題和環(huán)境污染問題已越來越受人民的關(guān)注，城市限制開挖施工的法規(guī)將陸續(xù)出臺，這里介紹的就是用來進行非開挖施工的水平定向鉆穿越施工技術(shù)。采用水平定向鉆穿越技術(shù)進行管線穿越施工，是城市市政建設(shè)和電氣化管網(wǎng)改造，通訊光纜敷設(shè)和穿越大中小型江河，湖泊以及不可拆遷建筑物的最佳選擇，是不破壞地貌狀態(tài)和保護環(huán)境的最理想的施工方法。近幾年水平定向鉆穿越技術(shù)在世界各國及各個行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在環(huán)保和市政管網(wǎng)改擴建項目及大型管道穿越江河工程項目上更顯出了其獨特的優(yōu)勢，其工作過程是通過計算機控制進行導(dǎo)向和探測，先鉆出一個與設(shè)計曲線相同的導(dǎo)向孔，然后再將導(dǎo)向孔擴大，把產(chǎn)品管線回拖到擴大了的導(dǎo)向孔中，完成管線穿越的施工過程。
1、水平定向鉆穿越施工工藝：
使用水平定向鉆機進行管線穿越施工，一般分為二個階段：第一階段是按照設(shè)計曲線盡可能準(zhǔn)確的鉆一個導(dǎo)向孔；第二階段是將導(dǎo)向孔進行擴孔，并將產(chǎn)品管線（一般為PE管道，光纜套管，鋼管）沿著擴大了的導(dǎo)向孔回拖到導(dǎo)向孔中，完成管線穿越工作。
1.1鉆導(dǎo)向孔:
要根據(jù)穿越的地質(zhì)情況，選擇合適的鉆頭和導(dǎo)向板或地下泥漿馬達，開動泥漿泵對準(zhǔn)入土點進行鉆進，鉆頭在鉆機的推力作用下由鉆機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)（或使用泥漿馬達帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)）切削地層，不斷前進，每鉆完一根鉆桿要測量一次鉆頭的實際位置，以便及時調(diào)整鉆頭的鉆進方向，保證所完成的導(dǎo)向孔曲線符合設(shè)計要求，如此反復(fù)，直到鉆頭在預(yù)定位置出土，完成整個導(dǎo)向孔的鉆孔作業(yè)。見示意圖一：鉆導(dǎo)向孔。
鉆機被安裝在入土點一側(cè)，從入土點開始，沿著設(shè)計好的線路，鉆一條從入土點到出土點的曲線，作為預(yù)擴孔和回拖管線的引導(dǎo)曲線。
1.2預(yù)擴孔和回拖產(chǎn)品管線：
一般情況下，使用小型鉆機時，直經(jīng)大于200毫米時，就要進行予擴孔，使用大型鉆機時，當(dāng)產(chǎn)品管線直徑大于Dn350mm時，就需進行預(yù)擴孔，預(yù)擴孔的直徑和次數(shù)，視具體的鉆機型號和地質(zhì)情況而定。
回拖產(chǎn)品管線時，先將擴孔工具和管線連接好，然后，開始回拖作業(yè)，并由鉆機轉(zhuǎn)盤帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)后退，進行擴孔回拖，產(chǎn)品管線在回拖過程中是不旋轉(zhuǎn)的，由于擴好的孔中充滿泥漿，所以產(chǎn)品管線在擴好的孔中是處于懸浮狀態(tài)，管壁四周與孔洞之間由泥漿潤滑，這樣即減少了回拖阻力，又保護了管線防腐層，經(jīng)過鉆機多次預(yù)擴孔，最終成孔直徑一般比管子直徑大200mm，所以不會損傷防腐層。見示意圖二：預(yù)擴孔和示意圖三：回拖管線。
在鉆導(dǎo)向孔階段，鉆出的孔往往小于回拖管線的直徑，為了使鉆出的孔徑達到回拖管線直徑的1.3～1.5倍，需要用擴孔器從出土點開始向入土點將導(dǎo)向孔擴大至要求的直徑。
地下孔經(jīng)過預(yù)擴孔，達到了回拖要求之后，將鉆桿、擴孔器、回拖活節(jié)和被安裝管線依次連接好，從出土點開始，一邊擴孔一邊將管線回拖至入土點為止。
2、水平定向鉆施工的特點：
2.1定向鉆穿越施工具有不會阻礙交通，不會破壞綠地，植被，不會影響商店，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)開挖施工對居民生活的干擾，對交通，環(huán)境，周邊建筑物基礎(chǔ)的破壞和不良影響。
2.2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，完全可以滿足設(shè)計要求埋深，并且可以使管線繞過地下的障礙物。
2.3城市管網(wǎng)埋深一般達到三米以下，穿越河流時，一般埋深在河床下9—18米，所以采用水平定向鉆機穿越，對周圍環(huán)境沒有影響，不破壞地貌和環(huán)境，適應(yīng)環(huán)保的各項要求。
2.4采用水平定向鉆機穿越施工時，沒有水上、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。
2.5與其它施工方法比較，進出場地速度快，施工場地可以靈活調(diào)整，尤其在城市施工時可以充分顯示出其優(yōu)越性，并且施工占地少工程造價低，施工速度快。
2.6大型河流穿越時，由于管線埋在地層以下9—18mm，地層內(nèi)部的氧及其他腐蝕性物質(zhì)很少，所以起到自然防腐和保溫的功用，可以保證管線運行時間更長。
3、水平定向鉆機系統(tǒng)簡介：
各種規(guī)格的水平定向鉆機都是由鉆機系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控向系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、鉆具及附助機具組成，它們的結(jié)構(gòu)及功能介紹如下：
3.1鉆機系統(tǒng)：是穿越設(shè)備鉆進作業(yè)及回拖作業(yè)的主體，它由鉆機主機、轉(zhuǎn)盤等組成，鉆機主機放置在鉆機架上，用以完成鉆進作業(yè)和回拖作業(yè)。轉(zhuǎn)盤裝在鉆機主機前端，連接鉆桿，并通過改變轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)向和輸出轉(zhuǎn)速及扭矩大小，達到不同作業(yè)狀態(tài)的要求。
3.2動力系統(tǒng)：由液壓動力源和發(fā)電機組成動力源是為鉆機系統(tǒng)提供高壓液壓油作為鉆機的動力，發(fā)電機為配套的電氣設(shè)備及施工現(xiàn)場照明提供電力。
3.3控向系統(tǒng)：控向系統(tǒng)是通過計算機監(jiān)測和控制鉆頭在地下的具體位置和其它參數(shù)，引導(dǎo)鉆頭正確鉆進的方向性工具，由于有該系統(tǒng)的控制，鉆頭才能按設(shè)計曲線鉆進，現(xiàn)經(jīng)常采用的有手提無線式和有線式兩種形式的控向系統(tǒng)。
3.4泥漿系統(tǒng)：泥漿系統(tǒng)由泥漿混合攪拌罐和泥漿泵及泥漿管路組成，為鉆機系統(tǒng)提供適合鉆進工況的泥漿。
3.5鉆具及輔助機具：是鉆機鉆進中鉆孔和擴孔時所使用的各種機具。鉆具主要有適合各種地質(zhì)的鉆桿，鉆頭、泥漿馬達、擴孔器，切割刀等機具。輔助機具包括卡環(huán)、旋轉(zhuǎn)活接頭和各種管徑的拖拉頭。
1．入土點是定向鉆施工的主要場所，鉆機就布置在該側(cè)，所以施工占地比較大，DD330鉆機的最小占地為30×30M，當(dāng)然也可以根據(jù)現(xiàn)場的實際情況作相應(yīng)調(diào)整，DD60、DD-5的占地相應(yīng)要小得多。
2．出土點一側(cè)主要作為管道焊接場地，在出土點應(yīng)有一塊20×20M的場地作為預(yù)擴孔、回拖時接鉆桿和安裝其他設(shè)備時使用；在出土點之后有一條長度與穿越長度相等的管線焊接作業(yè)帶。
穿越實例
大沽沙穿越鉆機場地布置
1998年9月到10月之間，在天津塘沽大沽沙海河，我公司僅用45天時間完成了兩條Φ219×8，一條Φ426×9，長度為960米的管道穿越。
大沽沙穿越焊接場地（只顯示了兩條管道）
水平定向鉆穿越施工工藝流程圖
使用水平定向鉆技術(shù)穿越河流和其它障礙物的施工方法在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的運用。水平定向鉆穿越承包商協(xié)會認(rèn)為：在工程項目招投標(biāo)過程中，水平定向鉆承包商應(yīng)設(shè)法獲取盡可能多的相關(guān)信息以提出完整并具競爭力的報價，承包商在開工前應(yīng)該獲得以下信息，以保證日后的工作可以順利進行，并在此條件下完成工程項目的施工，同時足夠的施工前的各類信息還可以保證施工過程更安全，減少對周圍環(huán)境的破壞，使工程進行的更順利。
一、概述
A、發(fā)展與使用
水平定向鉆技術(shù)最早出現(xiàn)在70年代，是傳統(tǒng)的公路打孔和油田定向鉆井技術(shù)的結(jié)合，這已成為目前廣受歡迎的施工方法，可用于輸送石油、天然氣、石化產(chǎn)品、水、污水等物質(zhì)和電力、光纜各類管道的施工。不僅應(yīng)用于河流和水道的穿越，同時還廣泛應(yīng)用于高速公路、鐵路、機場、海岸、島嶼以及密布建筑物、管道密集區(qū)等。
B、技術(shù)限制
定向鉆施工技術(shù)首先應(yīng)用于美國海岸地區(qū)的沖積層穿越，現(xiàn)在已經(jīng)能夠開始在粗沙、卵石、冰磧和巖石地區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)條件下進行穿越施工。最長的穿越施工已達6000英尺、管道直徑為18英寸。
C、優(yōu)勢
事實證明：水平定向鉆穿越是對環(huán)境影響最小的施工方法。這項技術(shù)同時還可以為管道提供最的保護層，并相應(yīng)減少了維護費用，同時不會影響河流運輸并縮短施工期，證明是目前效率最高，成本最低的穿越施工方法。
D、施工過程和技術(shù)
1、導(dǎo)向孔：導(dǎo)向孔是在水平方向按預(yù)定角度并沿預(yù)定截面鉆進的孔，包括一段直斜線和一段大半徑弧線。在鉆導(dǎo)向孔的同時，承包商也許會選擇并使用更大口徑的鉆桿（即沖洗管）來屏蔽導(dǎo)向鉆桿。沖洗管可以起到類似導(dǎo)管的作用，還可以方便導(dǎo)向鉆桿的抽回和更換鉆頭等工作。導(dǎo)向孔的方向控制由位于鉆頭后端的鉆桿內(nèi)的控制器（稱為彎外殼）完成。鉆進過程中鉆桿是不做旋轉(zhuǎn)的，需要變換方向時若將彎外殼向右定位，鉆進路線即向右沿平滑曲線前進。鉆孔曲線由放置在鉆頭后端鉆桿內(nèi)的電子測向儀進行測量并將測量結(jié)果傳導(dǎo)到地面的接收儀，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和計算后，以數(shù)字的形式顯示在顯示屏上，該電子裝置主要用來監(jiān)測鉆桿與地球磁場的關(guān)系和傾角（鉆頭在地下的三維坐標(biāo)），將測量到的數(shù)據(jù)與設(shè)計的數(shù)據(jù)進行對比，以便確定鉆頭的實際位置與設(shè)計位置的偏差，并將偏差值控制在允許的范圍之內(nèi)，如此循環(huán)直到鉆頭按照預(yù)定的導(dǎo)向孔曲線在預(yù)定位置出土。
2、預(yù)擴孔：導(dǎo)向孔完成后，要將該鉆孔進行擴大到合適的直徑以方便安裝成品管道，此過程稱為預(yù)擴孔，（依最終成孔尺寸決定擴孔次數(shù)）。例如，如需安裝36英寸管線，鉆孔必須擴大到48英寸或更大。通常，在鉆機對岸將擴孔器連接到鉆桿上，然后由鉆機旋轉(zhuǎn)回拖入導(dǎo)向孔，將導(dǎo)向孔擴大，同時要將大量的泥漿泵入鉆孔，以保證鉆孔的完整性和不塌方，并將切削下的巖屑帶回到地面。
3、回拖管道：預(yù)擴孔完成以后，成品管道即可拖入鉆孔。管道預(yù)制應(yīng)在鉆機對面的一側(cè)完成。擴孔器一端接上鉆桿另一端通過旋轉(zhuǎn)接頭接到成品管道上。旋轉(zhuǎn)接頭可以避免成品管道跟著擴孔器旋轉(zhuǎn)，以保證將其順利拖入鉆孔?；赝嫌摄@機完成，這一過程同樣需要大量泥漿配合，回拖過程要連續(xù)進行直到擴孔器和成品管道自鉆機一側(cè)破土而出。
二、現(xiàn)場布局和設(shè)計
A、道路
施工現(xiàn)場兩側(cè)都需要重型設(shè)備，為縮減成本，通往兩側(cè)施工現(xiàn)場的道路應(yīng)盡可能利用現(xiàn)有道路以減少新修道路距離，或利用管道線路的施工便道，所有相關(guān)道路使用權(quán)的協(xié)議都應(yīng)由業(yè)主提供，在投標(biāo)階段再來討論這些問題為時已晚。
B、工作場地
1、鉆機一側(cè)——鉆機施工場地至少需要30M（100FT）寬，長45M（150FT）的面積。該面積從入土點算起，入土點應(yīng)位于規(guī)定的區(qū)域內(nèi)至少3M（10FT）處，同時由于許多鉆機配套的設(shè)備或配件沒有規(guī)定的存放地點，所以鉆機一側(cè)施工現(xiàn)場可由許多不規(guī)則的小塊組成，以便節(jié)省占地面積，現(xiàn)場盡量要平整，堅硬，清潔，以便有利于進行施工。由于穿越施工時需要大量的淡水供攪拌泥漿用，所以施工現(xiàn)場要盡量靠近水源或便于連接自來水管道的地方。
2、管道一側(cè)----為便于預(yù)制成品管道，管道一側(cè)要有足夠長度的施工現(xiàn)場，這也是要重點考慮的事情。現(xiàn)場寬度應(yīng)滿足管道施工的需要（一般為12----18米）。同樣在出土點一側(cè)也需要30米（100FT）寬乘以45米（150FT）長的施工現(xiàn)場。總長度以能夠擺放下所預(yù)制的管道為準(zhǔn)，（場地的總長度一般為穿越管道長度再加上30米，）在回拖前，要將管道預(yù)制完成，包括焊接，通球，試壓防腐等工序，在回拖過程中，不能再進行管道的連接工作，因為回拖過程是要連續(xù)進行的，若此時進行管道連接將可能造成地下孔洞的塌方，極可能造成整個工程施工的失敗。
C、施工現(xiàn)場勘察
一旦施工地點確定，應(yīng)對相應(yīng)區(qū)域進行勘測并繪制詳細準(zhǔn)確的地質(zhì)地貌圖紙。最終施工的精度取決于這一勘測結(jié)果的精度。
D、施工設(shè)計參數(shù)
1、覆蓋層厚度----考慮的因素包括所穿越河流的流量特征，季節(jié)性洪水沖刷深度，未來河道的加寬和加深，現(xiàn)有管道和電纜的位置等因素。一旦確定了施工地點并完成地質(zhì)調(diào)查，穿越層的厚度也就確定了，一般來說，覆蓋層應(yīng)至少是6米（20FT）厚。以上僅是針對河流穿越而言的，對于其它障礙物的穿越會有另外的要求。
2、鉆進角和曲率半徑----在大多數(shù)穿越施工中，入土角通常選擇在8--12度之間，多數(shù)施工應(yīng)首先鉆一段斜直線，然后再鉆一段大半徑曲線。此曲線的曲率半徑由成品管線的彎曲特性決定，隨直徑增大而增大，鋼管道曲率半徑的拇指法則是100FT/IN（一般取管道直徑的1000—1200倍）。斜直線將導(dǎo)向孔曲線按照預(yù)定的走向引導(dǎo)到設(shè)計的深度，然后是一段在此深度上的長長的水平直線，然后到達向上的彎曲點再到出土點。出土角應(yīng)控制在5-12度之間，以便于成品管道的回拖。
E、鉆孔施工
所有的測向控向工具都包括地下測量電子設(shè)備和地面接收設(shè)備，可以測得鉆頭所在位置的磁方位角（用于左/右控制）和傾斜角（上/下控制）以及鉆頭的鉆進方向。
1、精度：穿越施工精度很大程度上取決于磁場的變化。例如，大型鋼結(jié)構(gòu)（橋梁，樁基，其它管道）和電力線路會影響磁場讀數(shù)。而穿越出土點的導(dǎo)向孔目標(biāo)偏差值應(yīng)控制在左右3米（10FT），長度——3米～10米（-10～30FT）的范圍內(nèi)。
2、完工圖紙：一般來說，導(dǎo)向孔的測量和控制應(yīng)在鉆導(dǎo)向孔時每鉆進一根鉆桿或隔9米（30FT）測量計算一次。以上測量計算完成的導(dǎo)向孔施工圖紙承包商應(yīng)向業(yè)主提供。也有采用替代方法如陀螺儀，穿地雷達和智能清管球用來做定位工作。
三、地質(zhì)調(diào)查
A、探孔數(shù)量
探孔數(shù)量取決于計劃穿越地點的地層情況及穿越長度。如果穿越長度為300米（1000FT），在兩側(cè)的穿越工地各鉆一個鉆孔就足夠了，如果鉆孔結(jié)果表明該地區(qū)地質(zhì)狀況比較單一，就不必進行進一步的鉆探取樣。如果勘探報告表明該地區(qū)地質(zhì)條件比較復(fù)雜，或者發(fā)現(xiàn)有巖石或有粗沙層存在，這時就需要做進一步的詳細的地質(zhì)調(diào)查。長距離大口徑穿越施工時，如出現(xiàn)粗砂，卵石，風(fēng)化巖或硬巖應(yīng)每隔180米----240米（600--800FT）取樣一次，若有明顯跡象表明地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，這時就需要打更多的地質(zhì)探孔進行更多的采樣工作。所有采樣探孔都應(yīng)沿穿越斷面方向，采樣深度以計劃的穿越深度為準(zhǔn)。如有可能，取樣探孔最好選在穿越中線一側(cè)約8米（25FT）處。勘探任務(wù)完成后，探孔必須封好以防止在施工過程中的泥漿泄漏。
B、探孔深度
所有的探孔深度都應(yīng)至少達到穿越點以下12米（40FT）或預(yù)定的穿越深度以下6米（20FT），兩者之中取其大者。有時將穿越深度定的深一些或?qū)嶋H穿越曲線比設(shè)計的位置深一些，無論對承包商還是對業(yè)主來說都是很有益的，關(guān)鍵是穿越位置要選在地層結(jié)構(gòu)一致的利于成孔的地層中進行，這樣才利于穿越的成功。
C、土壤的標(biāo)準(zhǔn)分類
一名合格的地質(zhì)技師或地質(zhì)學(xué)者，應(yīng)能依據(jù)統(tǒng)一土壤分類系統(tǒng)或ASTM設(shè)計書D-2487和D2488對材料進行分類。能夠擁有一份由現(xiàn)場技師或鉆探公司提供的現(xiàn)場鉆探記錄，對以后的施工將是非常有益的，此記錄會包括對材料的目測分類以及由鉆探公司根據(jù)取樣結(jié)果對地層結(jié)構(gòu)所做的解釋和評價。
D、標(biāo)準(zhǔn)穿刺測試
SPT為了更好地確定顆粒材料的密度，地質(zhì)工程師通常會依據(jù)ASTM規(guī)范D1586做標(biāo)準(zhǔn)穿刺測試SPT。這是一種現(xiàn)場測試方法，利用標(biāo)準(zhǔn)重量的重錘將勺形取樣器打入土層中的一定深度，記錄下進入到12寸深時的擊打次數(shù)。所獲數(shù)據(jù)即為標(biāo)準(zhǔn)穿刺阻力值并可用于估算試驗地點非聚合土壤的相對密度。也有些鉆探公司會選擇在結(jié)合性土壤或巖石地區(qū)進行小范圍的這項試驗，以此來確認(rèn)密實土壤的一致性及巖石的硬度。
E、取芯取樣法
多數(shù)地質(zhì)勘探公司更喜歡使用取芯取樣器來獲取地下巖心的樣本，這些測試一般根據(jù)ASTM規(guī)范D-1587進行。除取樣器為液壓驅(qū)動的有鋒利切割刃的薄壁無逢鋼筒外，此類測試類似上述標(biāo)準(zhǔn)穿刺測試。需要的液壓數(shù)值可在現(xiàn)場記錄中找到，這種方法可取到相對完整的樣本以便對其進行更詳細的試驗室分析。樣本可在現(xiàn)場利用手持式穿刺儀分析，對于定向穿越來說，通常使用上述切割式勺狀取樣器即可滿足施工需要。
F、顆粒度分析
將樣品進行顆粒度篩網(wǎng)分析，是對于用切割式勺狀取樣器在施工現(xiàn)場取得的顆粒狀物質(zhì)所進行的一種機械試驗，這些樣品被送到試驗室，在通過一系列的篩網(wǎng)后，根據(jù)其顆粒的大小和重量得出不同粒徑的百分比，這是最重要的試驗之一。
G、巖石情況
如果在土壤勘測中發(fā)現(xiàn)巖層的存在，必須確定巖層類型，相對硬度和非限定性壓縮強度，要由專業(yè)勘探公司利用金剛石鉆頭取芯桶進行取樣，典型的巖心樣本直徑為50毫米（2英寸）。巖石類型由地質(zhì)專家根據(jù)巖心與總?cè)⌒拈L度關(guān)系對巖石進行質(zhì)量分類，巖石硬度依據(jù)巖石與以知硬度的十種材料相比較得知，壓縮強度通過精確測量巖心然后進行壓縮實驗取得。這些數(shù)據(jù)屬于巖石的物理參數(shù)，以便于確定采用什么類型的穿越設(shè)備和鉆頭，并且穿越進尺也可以估計到。
相關(guān)標(biāo)簽:
