水平导向钻进管线敷设技术

在武钢非开挖工程中的首次应用

张   晓   华

（武钢建工集团建设公司  湖北武汉 430083 ）

摘要：针对武钢老工业区的地下以及地表的复杂条件，武钢引进水平导向钻进技术，在节水示范工程进行了首次应用，对该区域的导向轨迹设计方法、以及导向钻进、回拉铺管等相关技术进行了实践探索，采用了钻进趋势、水平、竖向纠偏原理以及盲钻技术高效、成功地实现了导向钻进，同时对扩孔和回拉等技术进行了应用研究，为武钢老区的非开挖技术应用积累了宝贵的经验。

关键词：非开挖、导向钻进、轨迹设计

一、 概述

水平导向钻进管线铺设技术是通过导向钻进、分级回扩、回拉铺管等工序来实现管线敷设的一项先进技术。由于该技术具有对环境的影响小，可以经济、快速、大深度穿越地下障碍物而实现铺管等优越性，因此，武钢建工集团新近引进该技术，并针对武钢老区特殊环境和地层条件，在“节水示范工程”中一举成功，取得了很好的经济和社会效益。

武钢节水示范工程穿越公路、铁路、绿化带，基本贯穿武钢整个厂区。由于主要施工环境处于武钢老区，各种阀门井、管道支架基础多；地下管线纵横交错；地表高压线路网络密集；地表铁质材料较多，地层也以填渣居多，因此，在这些特殊环境和地层条件下应用水平导向技术，具有一定的难度和挑战性。

下面以该工程6号门至厂区段为例，总结了该技术在武钢老区的成功尝试经验，对施工过程中的关键技术问题进行了研究探索。

二、技术参数的选取和轨迹设计

施工标段需穿越265m绿化带，5条铁路，针对环境、地质条件，确定主要设计和施工参数如下：

1）覆盖深度：              铁路下取4m，其它取2m。

2）入、出土角和曲率半径    入土角取13º～15º，出土角取12º～13º。

3）钻进测量与精度          导向孔出口处左右±0.5m，上下±0.5m。

4）钻孔轨迹控制            钻进导向孔时为保证测量精度每1m进行一次测量。

工程分两段进行：第一施工段长265 m，采用CASE6060型钻机施工，穿越管线埋深2m。轨迹设计如图1所示。

第二施工段长度为100 m，采用ZT-18型钻机施工，穿越管线埋深设计为：2条重轨铁路≥6m，另外3条铁路≥4.6m。.轨迹设计如图2所示。

由于环境、地层条件复杂，且该技术是在武钢老区的首轮应用，因此，本工程施工前进行如下工作：施工人员技术培训，现场环境调查（地上干扰、危险源，地下障碍物、土层结构等）。

图1：第一施工段设计轨迹图

图2：第二施工段设计轨迹图

三、施工工艺和关键技术问题

水平导向钻进管线敷设技术实质上就是通过技术手段在土层中形成平滑、稳定的孔洞，减小拉管阻力，实现回拉敷管。本次穿越历时15天，成功完成铺管任务。在施工过程中遭遇了诸多难题，通过探索和总结，掌握了在该区域施工的关键技术。

1.导向钻进

根据该工程的地层情况，宜采用慢转、适当的给进压力、较大射流压力等规程参数，所以在施工中控制的参数范围为：动力头转速15～35r/min，给进力2～5MPa，射流压力5～7 MPa，从而保证高效的导向钻进。

（1）入土角α、出土角β的确定：施工中如果入土角α值过小，则覆盖土深度较浅，土质松软，钻杆很难以设计的α值钻进，钻杆往往翘出地面；如果α值越大、钻进越长，则越不利于导向钻进，不可能很快地减小钻杆埋深，从而加大管线埋深。因此，该工程采取垫高锚板以及降低钻机地坪的办法来确保入土角。另外，出土角β值过大亦对施工不利。

（2）造斜段：造斜段主要就是确定曲率半径（Rd），在满足钻杆和铺设管道的变形极限条件下，减少钻杆损伤和铺管阻力。导向钻进施工时，如钻杆倾角变化量γ=1º或2º时，形成的曲率半径值见表1（由作图法得出）。  

表1  不同钻机钻杆允许的曲率半径值

（3）钻进趋势、钻具轴线与实际钻进方向之间的关系：在施工中常常会出现钻杆偏离设计轨迹难以很快纠偏回到设计轨迹的情况，而且钻头很容易回到老的孔洞，往往重复很多次才纠偏成功，影响施工进度。究其原因，由于钻杆刚度与土层反作用力的影响，实际钻进方向是介于钻进趋势与钻具轴线二者之间的某个方向（如图3所示）。                                三者关系直接影响到导向孔的精度。在武钢老区施工经验为：在中硬质土层中，实际钻进方向与钻具轴线方向夹角约3º～7º（以钻杆长度3m为例）；在软质土层中，实际钻进方向与钻具轴线方向夹角约1º～3º。实践效果表明：上述原理确保了导向孔精确地按设计轨迹行进。

图3：钻进合成示意图

左

右

（4）水平向纠偏：施工中不可避免会出现水平向偏移（见图4），对于这个偏移量不能急于纠偏，一般采取退杆重钻方法，如果仍然不能保持沿设计轨迹钻进就采取缓慢的“钻进趋势”纠偏的方法，形成大弧度的轨迹。急于纠偏往往出现波浪形轨迹，这将加大拉管阻力。

图4：水平纠偏示意图

（5）竖向纠偏：对于竖向纠偏主要是依靠钻进趋势原理，在控制深度的同时，注意钻头倾角θ的变化（如图5）。控制深度就是通过竖向造斜方法，使深度差Δh缩小，这可以由探测仪上显示数据求得。另外，还要结合θ值的变化来进行竖向纠偏。例如：当俯仰角θ值由－8º变为－6º，虽然钻进趋势仍然向下，但是钻头Δh会变小，钻头有所上升。

图5：竖向纠偏示意图图

（6）导向探测：第一施工段使用的探测仪是MARKⅢ探测仪，第二施工段是ECLIPSE探测仪。造斜钻进时，每隔1米测量一次钻头的位置；直线钻进时，每隔3米测量一次钻头的位置的方法。

施工时由于受现场多条铁路信号线、大量金属构件及周围高压线的影响，出现接收器经常没有信号的情况，此时采用了“盲钻”的方法，即通过前面的钻进数据，根据现场情况进行无导向钻孔。“盲钻”时结合钻头倾角，确保钻前的2～3根钻杆是水平钻进，同时，水平方向上，仅有很小偏移。同时由于信号是时有时无，“盲钻”过程中要时刻搜索信号，取得有限的钻头位置、倾角等信息，做到“盲钻而心不盲”。在武钢的实践证明，该方法解决了复杂干扰条件下的导向难题。

（7）钻进液的重要性：钻进液是导向铺管施工的“血液”。它的主要作用是清洁孔道，以便减小回拖阻力。现场主要是调配钻进液的PH值、含砂率、粘度、比重（各项取值见表2）以及观察出口返浆情况。钻进液的使用量越大，越有利于排渣、提高成孔质量，但是工程成本也随之增加。施工时应综合考虑，控制钻进液用量为孔洞容积的1.5倍。

表2  钻进液性能参数表

2.分级回扩、回拉铺管

（1）分级回扩：回扩是十分重要的环节，成孔质量的好坏直接影响穿管的成败。回扩时，刮刀式回扩头与挤压式回扩头交替使用，利用刮刀式来修直孔道，利用挤压式来挤密孔道，形成十分平滑的孔洞，保证了穿管顺利进行。同时，注意回扩级差应尽量保证每次扩孔扭矩的均匀性。每级级差不宜过大，过大不仅增大了回拉阻力，而且切割下的泥块不不易排除。

（2）反向扩孔钻头：回扩时，土层中的石块等障碍物常常阻碍钻进，而且钻头磨损相当厉害。针对该问题，在回扩钻头上对称焊上四排合金，对回扩时碰到的地下不大石块可以强行挤压通过，提高了铺管的成功率、增加了钻头的使用寿命。

（3）机械清孔的必要性：非开挖钻孔残渣多，势必增加铺管阻力，或引起地表隆起和管道变形，增加铺管风险，甚至造成铺管失败。由于第一段穿越距离长，钻进液回流不畅通，而且有一段出现“冒浆”现象。为此，施工中增加了机械清孔工序，采用挤压式清孔，即利用回拉挤压式回扩头配以高压钻进液来清除残渣，取得了较好的效果。

（4）回拉铺管：如果空孔时间过长，水平孔洞坍塌的可能性就越大，施工时要尽量保持清孔与回拉铺管两个工序的连续性。另外，回拉管材时宜匀速慢拉，这样拉管过程中管材自身有时间弹性收缩，避免管材过度拉伸而发生变形。

四、结束语

1、根据武钢老区环境及地层情况，运用钻进趋势、钻具轴线方向以及实际钻进方向基本原理，从而准确地进行提前导向控制，是解决类似武钢复杂地下管网条件下施工的技术关键。同时水平向纠偏、竖向纠偏以及“盲钻”技术的应用，也是武钢区域导向成功的关键。

2、导向钻机的最大回拉力是确定的，铺管的技术关键是尽量减少管壁与孔壁之间的摩阻力，使回拉铺管成功。可以从轨迹设计、扩孔器的级配选择、钻进液的配置以及清孔等方面综合考虑。

3、武钢节水示范工程6号门至厂区段非开挖施工是水平定向钻进管线敷设技术在武钢厂区内的首次应用，工程实施使我们掌握了一手资料，为非开挖技术今后在武钢工程中的应用积累了宝贵的经验。

参考文献

1、中国非开挖技术协会，水平导向钻进管线敷设工程技术规范，2003

2、颜纯文、D.Stein ，非开挖地下管线施工技术及其应用，北京：地震出版社，1999

3、乌效鸣，胡郁乐等，导向钻进与非开挖铺管技术，武汉：中国地质大学出版社2004