有关水平定向钻穿越工艺在某工程中的应用分析
关键词：水平定向钻技术,市政工程;
随着我国城镇化建设步伐的加快，市政配套管线设施穿越已建成市政道路施工现象越来越多。水平定向穿越技术是一种比较成熟的管线施工技术，对环境的影响最小，障碍物下管线覆盖的深度大，对管线的保护作用大，维修费小等优点，尤其适合在一些无法实施开挖作业的地区，如闹市区，城市道路、高速公路，铁路、建筑物、河流、农作物及植被保护区等。目前已广泛应用于市政供水、电信、电力等领域。
一 工程概况
中兴路(姚隘路—民安路)污水管道改造工程是宁波市城市排水有限公司为改善区域污水管道的排水能力而实施的管道改造工程。原管线南起姚隘路已建污水窨井，北至中兴路与民安路交叉口已建污水窨井。因规划考虑，实际施工管线为设计W4井旁已建污水窨井至中兴路与民安陆交叉口已建污水窨井。主要管管径D500-D1000，管材采用HDPE管。因考虑地下水丰富和管线复杂的不良因素，故本工程采用定向钻施工。
一 定向穿越施工工艺
水平定向钻穿越技术作为管道无沟铺设的一种方法早在上世纪7O年代就开始在美国开始应用了，80年代后期得到迅速发展。该工艺是近些年来发展起来的一种新的铺设地下管线的新技术。通过计算机控制进行导向和探测，先钻出一个与设计曲线相同的导向孔，然后再将导向孔扩大，把产品管线回拖到扩大了的导向孔中，完成管线穿越的施工过程。施工工艺流程如下：
(一) 穿越施工准备
1.测量放线
测量放线的基准是线路控制桩和各种水准基标。对于交桩后丢失的控制桩和水准基标，应根据定测资料于施工前采用测量方法给予恢复。测量人员依据水准基标、定测资料对管道控制桩进行测量放线，并在控制桩上注明桩号、里程、高程等。根据测量合格的控制桩测定管线中心线，并按照施工图纸要求设置如下辅助控制桩：
(1)标志桩：根据设计图纸，在穿越起止点处设置明显的标志桩。
(2)边界桩：在临时占地的两侧边界线上每50m设置一个边界桩。
根据轴线桩和临时占地边界桩拉百米绳，撤白灰线。划线完毕及时清点障碍物，并做好记录。
2.场地准备
场地选择包括钻机场地和布管场地。钻机场地较宽，根据钻机设备进行工艺布置，必须因地制宜，综合考虑入土点，钻机，场地周边环境等因素，一般控制在40×60范围内。布管场地较狭长的，除出土点出需要30×30范围的出土场地外，还需比穿越管道长80m左右的布管场地，宽度为8m左右(能满足布管施工即可)，布管线路尽量为直线。
布管作业时管子应首尾衔接，相临管口成锯齿形分开。布管的间距应与管长基本一致，每l0～20根管应核对一次距离，发现过疏或过密时应及时调整。管子的两端应垫上沙袋或干草做支撑，支撑的位置应设在距两端管口1～1.5m 的位置上，支撑高度应为0.3～0.5m 。在坡地布管时，要注意管子的稳定性，支撑墩的宽度应加大，管子摆放要平整。坡度大于15°时，应停止市管，组装焊接时，随用随布。遇有水渠、道路、堤坝等构筑物时，应将管子布设在位置宽阔的一侧，而不应直接摆放其上。在吊管和放置过程中，应轻起轻落，不允许拖拉钢管，并保持管内清洁。每段管子布完之后，应对每段管子进行核对，以保证管子类型、壁厚、防腐层类型等准确无误。
3.安装钻机、加工管材拖拉的辅助配件
将钻机就位在穿越中心线位置上，钻机就位完成后，进行系统连接、试运转，保证设备正常工作，在此过程中钻机锚固是关键点。钻机施工中锚固以稳，平，实为原则。在钻机锚固前，应对锚固区域用仪器进行地下管线检测，防止将锚杆打在地下管线上。合理的锚固是顺利完成钻进及回拖的前提，钻机锚固能力反映了钻机在钻进和回拖施工时利用本身功率的能力。一台钻机推力再大，如果钻机在定向钻钻进过程中发生移动，仍会导致钻机无法按预定计划完成钻进工作。在回拖时，如果锚固不好而使钻机移动，会导致管道拖不动，如果进一步加大钻机拖力，则会出现钻机的全部功率作用钻机机身，容易发生设备破坏和人员伤亡。
(二)进行穿越施工
l、钻导向孔
待一切准备就绪，开始钻导向孔，一般导向孔轨迹由三段组成即入口造斜段，直线段和出口造斜段。在钻进过程中根据控向系统显示的数据随时调整钻头的走向。钻进入土角一般在8°～12°之间， 出土角5°～12°，管道曲率半径一般1000D～1200D。为了更好地控制导向，在造斜段一般每根钻杆调整一次角度，每次调整的角度一般不超过0.8°，以便回拖顺利。当导向孔从入土角达到水平夹角为0°时的计算穿越深度与设计埋深不同时(误差超过0.5m)，则应调整入土直线段的长度及其调整控向角度。同理，当导向孔从水平到达出土角计算出的出土点，但达不到穿越长度位置时，调整水平直线段长度;达到出土角而没有符合地面标高时，调整每组钻杆长度，及其控向角度。
定向穿越的技术精度要求：
A：定向钻进曲线段导向孔的实际最小曲率半径不应小于设计文件和施工方案的规定，且实际曲线与设计曲线的偏移量不大于lm。
B：入土点、出土点的纵、横向位置允许偏差执行DG/TJ08-310-2005，详见下表：
注：表中L为穿越管道长度，单位为m。
穿越施工中为确保钻进曲线圆滑及定向穿越精度要求，应采取如下措施：
A：作好定向钻基础数据的测量，测量出穿越的实际方位角、测量出入土点到出土点的实际距离、测量出入土点和出土点的高程差、测量出所用钻具的长度并控制其误差在允许范围之内。
B：基础数据确保准确后，控向人员通过计算机显示屏，严格按照设计曲线，控制钻头钻进的方向，控向过程要逐步实现，不要急剧调向，以防卡钻，并防止因单根钻杆调整角度偏差过大，形成“s”形钻孔。如果单根钻杆改变的角度过大，应及时抽回本根钻杆，重新钻进以达到钻进设计的需要。钻进过程中，如遇泥浆压力异常，应及时分析钻进情况，必要时抽回几根钻杆，调整钻进方向。
需补充的是定向钻进敷管在穿越公路、铁路、河流时最小穿越层厚度应符合相关专业要求，相关专业无特殊要求，应符合给水管道的最小覆土要求。
2.扩孔
钻孔完成后卸下钻头及控向系统，接上扩孔器，从出土点向入土点进行预扩孔，扩孔的次数及扩孔器类型根据管径及地质情况确定。注意当沿程土质不一，承载力不均时，由于钻杆、扩孔器自身重力的作用，易形成不均匀沉降，造成预扩孔偏移，故选择合理的钻具和钻具组合对定向穿越能否成功尤为重要。扩孔器类型：中硬土采用飞刀式扩孔器，主要是切割成孔，软土采用桶式扩孔器，主要是挤压成孔，亦有两种同时使用，飞刀式在前，桶式在后，扩孔由小到大逐级进行，扩孔直径根据穿越管径确定，一般比管径大150～200mm。例如穿越φ630mm给水管可分四次扩孔，各级扩孔分别为φ200mm，φ400mm，φ600mm，φ800mm。对于地质情况较好时，可跳级使用扩孔器。这样不仅节省扩孔时间，还可以节省泥浆用量.
3.回拖
导向孔经过预扩，达到了回拖要求之后，即接上穿越管线，进行回拖作业。最大回拖力计算：
回拖力Fmax=F摩+F自
其中：1.管道在洞内自重产生的摩擦阻力
F自=f Po L
(Po=1000ρgπ(D2一d2)÷4)
2.管道在洞中的粘滞综合摩擦阻力
F摩=π D τ φ L
公式说明：
φ为固相含量系数(10～40)
τ为泥浆的切应力(19.5pa)
f为管道和孔壁之间的摩擦系数(0.2～0.6)
Po为每米管道的重量(N/m)
ρ为钢管密度P=7.85×10-6kg/mm3
g为重力加速度 g=9.8N/kg
D为钢管外径
L为管道长度(m)
d为钢管内径d=D-2×δ
δ为壁厚
根据穿越管道回拖力计算，选择合适的钻机。这里需要注意的是：穿越施工回拖力还必须小于母材管相应标准尺寸对应的最大牵引力，PE管尤其要注意，否则要采取强度更高的母管或变换牵引位置等措施，同时还要严格控制管材焊缝质量，以防管材焊缝被拉裂，母材管最大回拖力计算公式如下：
F=14π(DN)2/3×SDR式中：
F——最大回拖力，N
DN——管道公称外径，M
SDR——标准尺寸比，即管材公称外径与壁厚的比值。其反映管材的强度。
回拖前应将管道安装完成，管道内外防腐层及管道预水压试验等应符合设计文件规定，并经验收合格。
另外在预扩孔时，根据出土角和管线的埋深，在工作管线入土点前端按一定比例放坡挖一条发送沟，发送沟内不得有石块、树根和硬物等，以避免管线底部与地层摩擦，划伤防腐层，并降低回拖拉力。然后把成品管线放入沟内，一般在沟里注满水，让成品管完全漂浮起来，或采用专用滚轮架空等方法，以便减少管线对地的摩擦力，保护防腐层。在确认各项工序都到达到设计标准时开始回拖。
4.定向钻穿越的泥浆工艺
定向穿越泥浆是水平定向穿越的一个关键部位，是成功穿越的重要保证。其具有润滑钻具、冷却钻头和发射器、携带土屑、减少腐蚀、降低拖管时钢管和洞壁的摩擦系数、降低回转扭矩和回拉力、稳定孔壁、固孔护管等作用。在施工中应根据穿越的地质情况选用合适的泥浆配制及用量，需要注意问题：I)在穿越过程中泥浆因失水，携带钻屑而变稠，要注意随时过滤及稀释;Ⅱ)施工中若发生冒浆现象要及时采取措施，以免因泥浆缺失，拉力增大，导致工程失败。Ⅲ)穿越过程中若遇土层交替变化应及时调整泥浆以满足工程需要。工程中φ630和φ1020给水管道在穿越河道和国道时泥浆配比如下：
A：钻导向孔阶段因要求尽可能将孔内的泥沙携带出上，同时维持孔壁的稳定，配方为：7～8%预水化钠基膨润土+0.2～0.4%增粘剂+0.3%降滤失剂。
B：预扩孔阶段因要求泥浆具有很好的护壁效果，防止地层坍塌，提高泥浆携带能力，配方为：7～8%预水化钠基膨润土+0.3～0.5%增粘剂+0.4%降滤失剂。
C：扩孔回拖阶段因要求泥浆具有很好的护壁、携砂能力，同时还有很好的润滑能力，减少阴摩力和扭矩，配方为：7～8%预水化钠基膨润土+0～30.5%增粘剂+0.4%降滤失剂+0.2%～3%的润滑剂。
在国道时，为保证道路面不沉降，还采用以下措施：A：施工中加大泥浆配比，增加泥浆粘度的方法来维护钻稳定。具体为：I) 回扩孔时泥浆的马氏粘度值必须保证在50～55S之间，泥浆比重应大于1.03g/cm，泥浆注入土中与粘土混合后产生的泥浆比重应大于1.10g/cm3。Ⅱ)选用进口高度膨润土，增加泥浆的高造浆率，保证泥浆具有优良的悬浮能力。Ⅲ)为了增加钻孔的护壁效果，防止塌孔，在泥浆中按比例加入高分子聚合物，使钻孔壁形成一层保护层达到良好的护壁功能。
B：施工时连续进行，保证钻中的泥浆粘度始终处于一种粘滞状态，使泥浆没有时间沉淀，保证孔内稳定性;
C：在预扩孔时扩孔速度不能太快，扩孔时间大于3分钟/根，并均速扩孔不得忽快忽慢，使孔内泥浆均匀分面。
(三)竣工收尾
收尾工作内容包括：完善穿越两侧管道，拆卸临时设备、钻机设备及材料退场，处理废弃泥浆，平整场地，恢复地貌及整理竣工资料等。设备拆卸前要对泥浆设备和钻具进行认真清洗，钻杆及钻挺的螺纹要上油并装上保护套 用过的泥浆要进行分离，固体物集中深埋，泥浆水排放到非养殖的河沟中。
结论
工程实例证明水平定向钻穿越技术在此供水管线中的应用非常成功，与传统的顶管技术相比具有更安全可靠、缩短工期、节约成本的特点，这种非开挖技术，在市政供水管线施工中已最大限度地取代顶管技术。
