水平定向鉆
水平定向鉆
水平定向鉆
隨著現代文明意識和環保意識的逐漸加強，開挖路面進行各類地下管線施工導致的社會問題，交通問題和環境污染問題已越來越受人民的關注，城市限制開挖施工的法規將陸續出臺，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。 采用水平定向鉆穿越技術進行管線穿越施工，是城市市政建設和電氣化管網改造，通訊光纜敷設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，是不破壞地貌狀態和保護環境的最理想的施工方法。近幾年水平定向鉆穿越技術在世界各國及各個行業得到了廣泛的應用，尤其在環保和市政管網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勢，其工作過程是通過計算機控制進行導向和探測，先鉆出一個與設計曲線相同的導向孔，然后再將導向孔擴大，把產品管線回拖到擴大了的導向孔中，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：第一階段是按照設計曲線盡可能準確的鉆一個導向孔；第二階段是將導向孔進行擴孔，并將產品管線（一般為PE管道，光纜套管，鋼管）沿著擴大了的導向孔回拖到導向孔中，完成管線穿越工作。
1.1 鉆導向孔:
要根據穿越的地質情況，選擇合適的鉆頭和導向板或地下泥漿馬達，開動泥漿泵對準入土點進行鉆進，鉆頭在鉆機的推力作用下由鉆機驅動旋轉（或使用泥漿馬達帶動鉆頭旋轉）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，以便及時調整鉆頭的鉆進方向，保證所完成的導向孔曲線符合設計要求，如此反復，直到鉆頭在預定位置出土，完成整個導向孔的鉆孔作業。見示意圖一：鉆導向孔。
鉆機被安裝在入土點一側，從入土點開始，沿著設計好的線路，鉆一條從入土點到出土點的曲線，作為預擴孔和回拖管線的引導曲線。
1.2 預擴孔和回拖產品管線：
一般情況下，使用小型鉆機時，直經大于200毫米時，就要進行予擴孔，使用大型鉆機時，當產品管線直徑大于Dn350mm時，就需進行預擴孔，預擴孔的直徑和次數，視具體的鉆機型號和地質情況而定。
回拖產品管線時，先將擴孔工具和管線連接好，然后，開始回拖作業，并由鉆機轉盤帶動鉆桿旋轉后退，進行擴孔回拖，產品管線在回拖過程中是不旋轉的，由于擴好的孔中充滿泥漿，所以產品管線在擴好的孔中是處于懸浮狀態，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，經過鉆機多次預擴孔，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：預擴孔和示意圖三：回拖管線。
在鉆導向孔階段，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向孔擴大至要求的直徑。
地下孔經過預擴孔，達到了回拖要求之后，將鉆桿、擴孔器、回拖活節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，醫院，學校和居民的正常生活和工作秩序，解決了傳統開挖施工對居民生活的干擾，對交通，環境，周邊建筑物基礎的破壞和不良影響。
2.2 現代化的穿越設備的穿越精度高，易于調整敷設方向和埋深，管線弧形敷設距離長，完全可以滿足設計要求埋深，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，對周圍環境沒有影響，不破壞地貌和環境，適應環保的各項要求。
2.4 采用水平定向鉆機穿越施工時，沒有水上、水下作業，不影響江河通航，不損壞江河兩側堤壩及河床結構，施工不受季節限制，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整，尤其在城市施工時可以充分顯示出其優越性，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，地層內部的氧及其他腐蝕性物質很少，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、 水平定向鉆機系統簡介：
各種規格的水平定向鉆機都是由鉆機系統、動力系統、控向系統、泥漿系統、鉆具及附助機具組成，它們的結構及功能介紹如下：
3.1 鉆機系統：是穿越設備鉆進作業及回拖作業的主體，它由鉆機主機、轉盤等組成，鉆機主機放置在鉆機架上，用以完成鉆進作業和回拖作業。轉盤裝在鉆機主機前端，連接鉆桿，并通過改變轉盤轉向和輸出轉速及扭矩大小，達到不同作業狀態的要求。
3.2 動力系統：由液壓動力源和發電機組成動力源是為鉆機系統提供高壓液壓油作為鉆機的動力，發電機為配套的電氣設備及施工現場照明提供電力。
3.3 控向系統：控向系統是通過計算機監測和控制鉆頭在地下的具體位置和其它參數，引導鉆頭正確鉆進的方向性工具，由于有該系統的控制，鉆頭才能按設計曲線鉆進，現經常采用的有手提無線式和有線式兩種形式的控向系統。
3.4 泥漿系統：泥漿系統由泥漿混合攪拌罐和泥漿泵及泥漿管路組成，為鉆機系統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、旋轉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，所以施工占地比較大，DD330鉆機的最小占地為30×30M，當然也可以根據現場的實際情況作相應調整，DD60、DD-5的占地相應要小得多。
2．出土點一側主要作為管道焊接場地，在出土點應有一塊20×20M的場地作為預擴孔、回拖時接鉆桿和安裝其他設備時使用；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穿越河流和其它障礙物的施工方法在世界范圍內得到了廣泛的運用。水平定向鉆穿越承包商協會認為：在工程項目招投標過程中，水平定向鉆承包商應設法獲取盡可能多的相關信息以提出完整并具競爭力的報價，承包商在開工前應該獲得以下信息，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，減少對周圍環境的破壞，使工程進行的更順利。
一、概 述
A、發展與使用
水平定向鉆技術最早出現在70年代，是傳統的公路打孔和油田定向鉆井技術的結合，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、石化產品、水、污水等物質和電力、光纜各類管道的施工。不僅應用于河流和水道的穿越，同時還廣泛應用于高速公路、鐵路、機場、海岸、島嶼以及密布建筑物、管道密集區等。
B、技術限制
定向鉆施工技術首先應用于美國海岸地區的沖積層穿越，現在已經能夠開始在粗沙、卵石、冰磧和巖石地區等復雜地質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、優勢
事實證明：水平定向鉆穿越是對環境影響最小的施工方法。這項技術同時還可以為管道提供最的保護層，并相應減少了維護費用，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
1、導向孔：導向孔是在水平方向按預定角度并沿預定截面鉆進的孔，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）來屏蔽導向鉆桿。沖洗管可以起到類似導管的作用，還可以方便導向鉆桿的抽回和更換鉆頭等工作。導向孔的方向控制由位于鉆頭后端的鉆桿內的控制器（稱為彎外殼）完成。鉆進過程中鉆桿是不做旋轉的，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的電子測向儀進行測量并將測量結果傳導到地面的接收儀，這些數據經過處理和計算后，以數字的形式顯示在顯示屏上，該電子裝置主要用來監測鉆桿與地球磁場的關系和傾角（鉆頭在地下的三維坐標），將測量到的數據與設計的數據進行對比，以便確定鉆頭的實際位置與設計位置的偏差，并將偏差值控制在允許的范圍之內，如此循環直到鉆頭按照預定的導向孔曲線在預定位置出土。
2、預擴孔： 導向孔完成后，要將該鉆孔進行擴大到合適的直徑以方便安裝成品管道，此過程稱為預擴孔，（依最終成孔尺寸決定擴孔次數）。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，然后由鉆機旋轉回拖入導向孔，將導向孔擴大，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：預擴孔完成以后，成品管道即可拖入鉆孔。管道預制應在鉆機對面的一側完成。擴孔器一端接上鉆桿另一端通過旋轉接頭接到成品管道上。旋轉接頭可以避免成品管道跟著擴孔器旋轉，以保證將其順利拖入鉆孔。回拖由鉆機完成，這一過程同樣需要大量泥漿配合，回拖過程要連續進行直到擴孔器和成品管道自鉆機一側破土而出。
二、現場布局和設計
A、道 路
施工現場兩側都需要重型設備，為縮減成本，通往兩側施工現場的道路應盡可能利用現有道路以減少新修道路距離，或利用管道線路的施工便道，所有相關道路使用權的協議都應由業主提供，在投標階段再來討論這些問題為時已晚。
B、工作場地
1、鉆機一側——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，入土點應位于規定的區域內至少3M（10FT）處，同時由于許多鉆機配套的設備或配件沒有規定的存放地點，所以鉆機一側施工現場可由許多不規則的小塊組成，以便節省占地面積，現場盡量要平整，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----為便于預制成品管道，管道一側要有足夠長度的施工現場，這也是要重點考慮的事情。現場寬度應滿足管道施工的需要（一般為12----18米）。同樣在出土點一側也需要30米（100FT）寬乘以45米（150FT）長的施工現場。總長度以能夠擺放下所預制的管道為準，（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、施工現場勘察
一旦施工地點確定，應對相應區域進行勘測并繪制詳細準確的地質地貌圖紙。最終施工的精度取決于這一勘測結果的精度。
D、施工設計參數
1、覆蓋層厚度----考慮的因素包括所穿越河流的流量特征，季節性洪水沖刷深度，未來河道的加寬和加深，現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調查，穿越層的厚度也就確定了，一般來說，覆蓋層應至少是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----在大多數穿越施工中，入土角通常選擇在8--12度之間，多數施工應首先鉆一段斜直線，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）。斜直線將導向孔曲線按照預定的走向引導到設計的深度，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備和地面接收設備，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，大型鋼結構（橋梁，樁基，其它管道）和電力線路會影響磁場讀數。而穿越出土點的導向孔目標偏差值應控制在左右3米（10FT），長度——3米～10米（-10～30FT）的范圍內。
2、完工圖紙：一般來說，導向孔的測量和控制應在鉆導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向孔施工圖紙承包商應向業主提供。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、地質調查
A、探孔數量
探孔數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），在兩側的穿越工地各鉆一個鉆孔就足夠了，如果鉆孔結果表明該地區地質狀況比較單一，就不必進行進一步的鉆探取樣。如果勘探報告表明該地區地質條件比較復雜，或者發現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調查。長距離大口徑穿越施工時，如出現粗砂，卵石，風化巖或硬巖應每隔180米----240米（600--800FT）取樣一次，若有明顯跡象表明地質結構異常復雜，這時就需要打更多的地質探孔進行更多的采樣工作。所有采樣探孔都應沿穿越斷面方向，采樣深度以計劃的穿越深度為準。如有可能，取樣探孔最好選在穿越中線一側約8米（25FT）處。勘探任務完成后，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至少達到穿越點以下12米（40FT）或預定的穿越深度以下6米（20FT），兩者之中取其大者。有時將穿越深度定的深一些或實際穿越曲線比設計的位置深一些，無論對承包商還是對業主來說都是很有益的，關鍵是穿越位置要選在地層結構一致的利于成孔的地層中進行，這樣才利于穿越的成功。
C、土壤的標準分類
一名合格的地質技師或地質學者，應能依據統一土壤分類系統或ASTM設計書D-2487和D2488對材料進行分類。能夠擁有一份由現場技師或鉆探公司提供的現場鉆探記錄，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取樣結果對地層結構所做的解釋和評價。
D、標準穿刺測試
SPT為了更好地確定顆粒材料的密度，地質工程師通常會依據ASTM規范D1586做標準穿刺測試SPT。這是一種現場測試方法，利用標準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。所獲數據即為標準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合性土壤或巖石地區進行小范圍的這項試驗，以此來確認密實土壤的一致性及巖石的硬度。
E、取芯取樣法
多數地質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ASTM規范D-1587進行。除取樣器為液壓驅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準穿刺測試。需要的液壓數值可在現場記錄中找到，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分析，是對于用切割式勺狀取樣器在施工現場取得的顆粒狀物質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后，根據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現巖層的存在，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）。巖石類型由地質專家根據巖心與總取心長度關系對巖石進行質量分類，巖石硬度依據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。這些數據屬于巖石的物理參數，以便于確定采用什么類型的穿越設備和鉆頭，并且穿越進尺也可以估計到。
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