定向轉穿越施工工藝及方法

1、水平定向鉆穿越施工技術簡介2、定向轉機的構造及工作原理3、定向轉施工工藝一、水平定向鉆穿越施工技術簡介隨著現(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。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(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在世界各國及各個行業(yè)得到了廣泛的應用，尤其在環(huán)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(yōu)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。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。鉆導向孔:要根據(jù)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(yè)。見示意圖一：鉆導向孔。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(shù)，視具體的鉆機型號和地質情況而定?；赝袭a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(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。水平定向鉆施工的特點：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，周邊建筑物基礎的破壞和不良影響。2.2現(xiàn)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。2.2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(huán)境沒有影響，不破壞地貌和環(huán)境，適應環(huán)保的各項要求。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，不損壞江河兩側堤壩及河床結構，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。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(yōu)越性，并且施工占地少工程造價低，施工速度快。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。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，它們的結構及功能介紹如下：3.1鉆機系統(tǒng)：是穿越設備鉆進作業(yè)及回拖作業(yè)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(yè)和回拖作業(yè)。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(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備及施工現(xiàn)場照明提供電力。3.2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，鉆頭才能按設計曲線鉆進，現(xiàn)經常采用的有手提無線式和有線式兩種形式的控向系統(tǒng)。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。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(huán)、旋轉活接頭和各種管徑的拖拉頭。（1）定向鉆機的構造和工作原理在管線入土點附件安設一臺定向鉆機，該鉆機用地錨固定，鉆機長15?20m,在其鋼制底盤的左半部安一可以調整傾斜角度的井架，右半部設有柴油機、液壓泵、壓力油箱、泥漿泵、控制室、變壓器、發(fā)電機等設備。柴油機帶動一臺液壓油泵和一臺發(fā)電機。液壓油泵為所有液壓馬達提供動力，從而控制井架的升降、卡盤的移動、帶動泥漿泵和鉆機配套的液壓起重機。發(fā)電機提供現(xiàn)場照明、水泵的用電。（2）主要配套設備定向鉆穿越河流設備除主機即定向鉆外，為了完成全部施工作業(yè)，尚需一些配套設備。主要是供水系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)和現(xiàn)場施工所必須的施工機具。1）液壓起重機液壓起重機主要供起下鉆時吊鉆桿和套管用，因此起重量很小，設備做得很輕巧，類似我們國家的少先式起重機，設備上裝置全部靠液壓油泵提供的液壓動力而工作。2）泥漿罐該設備全長10m,寬3m，高2m。它是泥漿罐和工具間合二為一的設施，其中泥漿罐約占總長2/3，工具間約占總長1/3，泥漿罐的前部安裝供水管、閥、泵、泥漿進出管路、加干料的漏斗等設施。3）液壓單斗挖掘機現(xiàn)場配單斗挖掘機一臺，供挖地錨坑、接頭管溝和吊裝。4）推土機施工現(xiàn)場設推土機一臺，供平整場地和拖拉重物使用。5）火、電焊兩用機施工現(xiàn)場有一臺體形很?。s長2m,寬1m）的火、電焊兩用機，供施工中使用。6）鉆桿和套管鉆桿長10m，直徑76.2m，套管長10m，直徑為127mm或152.4mm。其數(shù)量按穿越長度而定，堆放在鉆機旁邊的場地上。（3）定向鉆的控制系統(tǒng)定向鉆的控制系統(tǒng)是由若干控制儀表和電子計算機、電視機組成的，這是定向鉆的神經中樞，測向儀表和造斜工具裝在鉆頭后面的鉆桿中，反映鉆進方向的參數(shù)，由微波傳給控制室的計算機控制機構，鉆進方向由電視屏幕上顯示出來。（4）主要施工程序定向鉆穿越河流技術是油田定向鉆井和鐵路、公路的橫鉆孔機的基礎上發(fā)展起來的一項河流穿越技術，它的施工程序是：先用定向鉆機鉆一導向孔，當鉆頭和套管在對岸出土后，撤出鉆桿，在套管出土端連接擴孔器和穿越管段，在擴孔器轉動擴孔的同時，鉆臺上的活動卡盤向上移動，拉動擴孔器和穿越管段前進，逐漸穿越管段就被敷設在擴大了的孔中。（5）定向鉆穿越河流施工作業(yè)原理和方法1）鉆導向孔的原理和作業(yè)方法在采用定向鉆穿越河流施工中，鉆導向孔是關鍵問題，其原理是泥漿通過鉆桿前的渦輪鉆頭破土鉆進，泥漿從鉆桿和套管間隙返回（鉆桿為203.2mm,套管12?152.4mm,長均為10m）,具體操作要點如下：1、采用液壓吊桿將鉆桿吊上鉆臺，并固定在能在鉆臺上移動的活動卡盤上,前端和鉆頭連接后端與泥漿管路連通,開動泥漿泵后,泥漿推動渦輪鉆向前鉆，卡盤與鉆頭同步向前移動。2、當活動片盤移至鉆前部的固定卡具時，卸開鉆桿接頭向后移動活動卡盤，能放下一根鉆桿時，吊上另一根鉆桿，進行接加鉆桿，接頭安裝卸開均靠前端卡具固定鉆桿，活動卡盤正反轉完成，然后斷續(xù)鉆進。3、在鉆進到一定進尺時需加套管，其方法是用活動卡盤向前推進套管，套管前端保持距鉆頭20m,因為距鉆頭20m范圍內為去磁段。如遇復雜地層可鉆進一根鉆桿加一根套管。4、入土角、出土角的確定和鉆進曲線的形成。入土角12?20度為宜，出土角4?30度為宜，入土角和出土角確定后，在曲線上確定若干點，并確定各點x、y、z三維坐標。此坐標返到控制盤上，由控制各點坐標使鉆頭按設計曲線前進。2）擴孔的原理和作業(yè)方法A.擴孔器擴孔和牽引管線同時進行，擴孔器上端管段用絲扣和套管相連，由套管供給泥漿（此時鉆桿撤出）推動擴孔器轉動，同時鉆臺上活動卡盤向后移動，拉動擴孔器前進，并牽引穿越管段前進直到鋪設完畢。B.操作方法（A）當鉆頭和套管對岸出土后撤出鉆桿，將擴孔器前端絲扣和套管相連，后端抽承和油管相連（擴孔器尺寸一般比穿越管道尺寸大一號，例如“600穿越管段應采用“700的擴孔器）（B）注入泥漿推動擴孔器，此泥漿不回收，用量約為：“377,1.59m3/min；@7203.54m3/min。移動鉆臺上活動卡盤，拉動擴孔器和穿越管段前進。3）定向鉆穿越河流的方向控制定向鉆穿越河流的方向控制系指方向測定、造斜和糾偏，通過這三項措施，使鉆頭按特定的方向前進，形成一條曲線，該曲線有兩種形式：一種是當河面較寬時其穿越曲線由三條直線和兩段圓弧組成，如圖形39.2-15所示。設計曲線的曲率半徑R的圓弧與直線AE、EB及CF、FD相切與點A、B、C、D,在弧線和直線切點處更換造斜工具即可形成曲線。另一種是對窄而深的河流整個穿越管段是一條曲線，這種情況應在曲線上確定若干點的坐標，是鉆頭按這些點前進形成所要的曲線如圖39.2-16。八.方向測定。再設計曲線上確定若干點，按設計曲線算出各點的空間坐標（*、Y、2）輸入到電子計算機，鉆進過程中鉆頭到達各點的坐標，有裝在鉆頭后面鉆桿中的特制的儀表測出，并通過有線或無線的方式傳到控制室的表盤或電視機屏幕上，如果與既定的坐標不符，說明鉆頭偏離了設計方向，需進行糾偏。如與既定坐標一致說明鉆頭按設計方向前進。B.造斜。造斜工具有兩種，既造斜短節(jié)（也叫彎接頭）和造斜偏塊。造斜短節(jié)是兩端有斜口和絲扣的短管段，裝在鉆頭后面的兩根鉆桿中間，考其斜度使鉆進方向轉折而造斜，根據(jù)造斜需要可更換不同斜度的短節(jié)。造斜偏塊是加在鉆頭后面鉆桿一側的半圓形的金屬塊，采用螺絲和焊接固定，它的工作原理是改變鉆桿受到的側向壓力而造斜。這里兩種造斜工具構造見圖。C糾偏。發(fā)現(xiàn)鉆頭偏離設計方向，采用造斜短節(jié)和造斜偏塊調整鉆頭前進方向，其方法是：如果偏離不大，可轉動鉆桿；如果偏離較大，可抽出鉆桿更換造斜短節(jié)和造斜偏塊，從而改變鉆頭的前進方向，達到糾偏的目的。4）泥漿的配制和要求a.泥漿的配備泥漿的配備在方箱型的泥漿罐中進行，在泥漿罐的前端裝有泥漿管線、供水管線以及相應的閥組和上下水用的管道泵，泥漿干料從方型漏斗加入，攪拌用水靠管道泵從河中吸取，并打入罐中，干料隨之進入罐中和水混合并靠水流進行攪拌而成泥漿。施工中如需要再攪拌，則用從泥漿泵返回泥漿灌的具有一定壓力的泥漿進行攪拌。b.對泥漿的要求定向鉆穿越河流采用一般鉆井泥漿，其相對密度為1.1?1.2,在施工中應根據(jù)地質情況不同隨時調整泥漿相對密度，如，卵石地層的河床，應加大泥漿相對密度，減少泥漿的漏失。（6）定向鉆穿越河流的勘察設計工作1）定向鉆穿越河流技術對地質條件的使用范圍范圍較為廣泛，它適用于各種粘性土樣，也使用于各種非粘性土，雖然各種地層難易程度有所不同，在黏土和砂土中鉆進和定向較為容易，在卵石地層中鉆進和方向控制都比較困難。由于鉆進技術和方向控制技術的發(fā)展，在這些困難地層中穿越問題逐漸得到解決。例如，穿越中如遇到卵石地層可先穿透卵石層，在容易鉆進的地層中前進；如穿越中遇到局部巖石，可繞過這些巖石，再沿設計方向前進，這就使復雜地層的穿越成為可能，因而適用范圍也就越來越大了。2）定向鉆穿越河流對地質勘探工作的要求在穿越范圍內需要鉆孔，布孔間距和鉆孔方法和常規(guī)穿越方法相同，其鉆孔深度需在管線設計標高以下6.1?9.15m,在粘性土中要取完整土樣，在非粘性土中則采用標準動力觸探，每1.52?3.05m取一土樣，作顆粒分析，含水量、干密度、液限、塑限和塑性指數(shù)等項試驗分析工作。3）入土點和出土點根據(jù)考察美國兩家公司提供的資料，入土點和出土點均需在距河岸60.96m以外設置入土角以12?20度為宜，出土角以4?30度為宜，此兩個角度的選擇直接影響管段牽引力的計算，因此施工前應根據(jù)設計資料和地質情況適當?shù)倪x擇入土角和出土角。4）穿越管段的彎曲半徑關于曲率半徑的設計，可按一般管道強度計算取值，但是由于造斜的要求，曲率半徑r應大于300mm。5）穿越管段的埋深和配重采用定向鉆穿越河流的方法穿越管段很容易埋設到設計深度，但是由于埋設過深會因增加管段彎曲程度而使施工中的牽引力大大增加，因而一般要求埋設深度為8?19m。由于管段埋設到河床下面的穩(wěn)定的地層中，因而不必另外增加連續(xù)覆蓋層、加重塊、復壁管等穩(wěn)定設施。6）關于管線的涂層問題在考察過程中看到的穿越管線都采用環(huán)氧粉末涂層，他們認為在粘性土和砂質土壤中采用瀝青涂層也是可以的。但是，我們認為采用定向鉆穿越的管線最好不采用瀝青涂層，而應采用環(huán)氧粉末、黃夾克等防腐涂層。（7）定向鉆穿越河流技術的優(yōu)點1）工程造價低由于施工方法的改革，所采用的人力、物力都大大減少，工期顯著縮短，因而工程造價也大降低，粗略估算可認為，定向鉆穿霸占河流的造價僅為常穿越方法的1/2~1/3。2）工期短由于施工方法的改變，不但施工設備和人員大大減少，而且施工工期顯著的縮短了，以中開線黃河穿越工程為例，如果用爆破氣舉例法工期為4個月左右，而采用定向鉆穿越河流只需30天。3）有利于保護周圍環(huán)境如果采用爆破氣舉占很多土地，官線發(fā)送道和牽引道要求占地3333?40000m2,河道還要停止航運3?54,爆破時對河堤和水中生物威脅很大，而采用定向鉆穿越河流，河道不必停止航運，對水中生物和河堤毫無影響，施工占地只需25X40m2的面積（約1.5畝土地）。4）施工人員少如果采用爆破氣舉法，以中開線黃河穿越為例，大約需500人，而定向鉆穿越河流只需40~50人（包括管線組裝和焊接）。5）工程質量好根據(jù)目前常規(guī)穿越方法的技術水平，管線只能埋設3?4m深，達不到沖刷深度以下，因此生產運行很不安全，而采用定向鉆穿越河流可以很容易埋到預期深度，因此質量安全可靠。6）節(jié)約工程材料采用定向鉆穿越河流不許加重層和復壁管等設施，因此工程材料了大為節(jié)省。7）應用范圍廣由于定向鉆穿越河流不受水流和環(huán)境的影響，因此，陸地、海上、市區(qū)、河流等情況的穿越工程都可以采用這一方法。三、定向鉆施工工藝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(jù)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(yè)。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(shù)，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(yè)，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(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。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(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: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，周邊建筑物基礎的破壞和不良影響?，F(xiàn)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。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918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，適應環(huán)保的各項要求。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，不損壞江河兩側堤壩及河床結構，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。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(yōu)越性，并且施工占地少工程造價低，施工速度快。大型河流穿越時，由于管線埋在地層以下918mm，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。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，它們的結構及功能介紹如下：鉆機系統(tǒng)：是穿越設備鉆進作業(yè)及回拖作業(yè)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(yè)和回拖作業(yè)。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(yè)狀態(tài)的要求。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備及施工現(xiàn)場照明提供電力?？叵蛳到y(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，鉆頭才能按設計曲線鉆進，現(xiàn)經常采用的有手提無線式和有線式兩種形式的控向系統(tǒng)。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。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(huán)、旋轉活接頭和各種管徑的拖拉頭。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(xié)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(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(qū)等。B、技術限制定向鉆施工技術首先應用于美國海岸地區(qū)的沖積層穿越，現(xiàn)在已經能夠開始在粗沙、卵石、冰磧和巖石地區(qū)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(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(shù)據(jù)經過處理和計算后，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系和傾角（鉆頭在地下的三維坐標），將測量到的數(shù)據(jù)與設計的數(shù)據(jù)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(huán)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(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?；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破土而出。二、現(xiàn)場布局和設計A、道路施工現(xiàn)場兩側都需要重型設備，為縮減成本，通往兩側施工現(xiàn)場的道路應盡可能利用現(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，所有相關道路使用權的協(xié)議都應由業(yè)主提供，在投標階段再來討論這些問題為時已晚。B、工作場1、鉆機一側旋旋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(guī)定的區(qū)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(guī)定的存放地點，所以鉆機一側施工現(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----為便于預制成品管道，管道一側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(xiàn)場?？傞L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(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，應對相應區(qū)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(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(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10001200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(shù)。而穿越出土點的導向孔目標偏差值應控制在左右3米（105?。?，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(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、地質調查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(qū)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(qū)地質條件比較復雜，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調查。長距離大口徑穿越施工時，如出現(xiàn)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?？碧饺蝿胀瓿珊螅娇妆仨毞夂靡苑乐乖谑┕み^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(yè)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(jù)統(tǒng)一土壤分類系統(tǒng)或ASTM設計書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(jù)ASTM規(guī)范D1586做標準穿刺測試SPT。這是一種現(xiàn)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(shù)。所獲數(shù)據(jù)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(qū)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(shù)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(jù)ASTM規(guī)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(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(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）。巖石類型由地質專家根據(jù)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(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備和鉆頭，并且穿越進尺也可以估計到。非開挖頂管的具體施工工程⑸施工方法①導向鉆管法的施工工藝地質勘察穿越曲線設計測量磁方位角鉆機就位鉆導向孔擴孔回拖環(huán)境保護地貌恢復②導向鉆管法的工作原理水平導向鉆機的工作原理是：在施工時，按照設計的鉆孔軌跡（一般為弧形），采用可從地表鉆進的鉆機先鉆一個近似水平的導向孔，然后在導向鉆頭后換上大直徑的擴孔鉆頭和直徑小于擴孔鉆頭的待鋪設工作管線，然后進行反向擴孔，同時將待鋪管線回拉入鉆孔內，當全部鉆桿被拖回時，鋪管工作同時也就完成了。此工程根據(jù)地質情況計劃采用分級擴孔，共分2級擴孔，再回拖管線的方法，進行穿越施工。③設備就位、安裝、調試鉆機就位前對機施工場地進行平整（20mx30m），保證設備通行及進出場。設備及材料存放場地須高出自然地面不小于15cm，推平、碾壓，并設斷面不小于0.3mx0.3m的邊溝。打好軸線后，根據(jù)入土點、入土角度結合現(xiàn)場實際情況使鉆機準確就位。鉆機設備、泥漿設備、固控設備安裝完成后，對設備進行調試、檢查、測試，確保設備安全運行?？叵蛟O備儀器安裝完成后，對其進行調試，確保導向孔的精度。入土端泥漿儲運坑(2mx4mx2m)及出土端泥漿儲運坑(2mx3mx2m)。多余泥漿由吸污車集中清運。漿儲運坑(2mx4mx2m)及出土端泥漿儲運坑(2mx3mx2m)。多余泥漿由吸污車集中清運。④鉆導向孔本穿越工程穿越段地質條件暫按H類士考慮，根據(jù)地層情況，選擇并設計出導向孔軌跡曲線。鉆導向孔的成功與否關鍵在于如何防止塌方的問題，故此在鉆導向孔時按照地質構造的不同詳細制定出合理的泥漿配比方案，規(guī)定在不同的地質情況下選用不同的泥漿配方，該工程中需加適量大分子聚合物及一些多功能處理劑，增加泥漿的粘度、降低泥漿的失水，使其性能控制在密度1.02?1.05g/cm。左右、粘度45?55s、失水10mL,以利于更好的保護孔壁，提高泥漿在孔洞中的懸浮攜帶能力。在造斜段使用的泥漿中添加適量的潤滑劑，降低孔壁的摩擦系數(shù)，從而可以防鉆具粘卡。為保證預擴孔及回拖工作的順利進行，鉆導向孔時要求造斜段應嚴格按設計曲線鉆進。經過對軸線及鉆機就位情況進行校準，檢查無誤后方能開始鉆進施工。探頭裝入探頭盒后，標定、校準后再把導向鉆頭連接到鉆桿上，轉動鉆桿測試探頭發(fā)射信號是否正常，回轉鉆進2m后方可開始按照設計軌跡進行穿越。控向設備宜采用有纜控向系統(tǒng)，以提高鉆進的準確性，導向孔完成后經檢查合格后方可進行預擴孔。⑤預擴孔及磨孔a.預擴孔采用一臺FDP30型導向鉆機進行預擴孔，邊擴孔邊打入泥漿，視旋轉壓力及回拉壓力逐漸加大擴孔級別。預擴孔采用導向鉆機進行預擴孔，邊擴孔邊打入泥漿，視旋轉壓力及回拉壓力逐漸加大擴孔級別。b.擴孔次數(shù)需視鉆機回轉壓力及回拖壓力而定。擴孔級別如下：使用320mm螺旋擴孔鉆頭擴一遍。使用50mm螺旋擴孔鉆頭擴一遍。c擴孔前要做好泥漿循環(huán)系統(tǒng)的準備工作，F(xiàn)DP30型導向鉆機配套的泥漿系統(tǒng)工作性能，每小時的最大工作流量為5m3,則泥漿泵每一個工作日的最大循環(huán)流量為120m3,在入土點、出土點旁各開挖一個泥漿坑，并配有清運泥漿的專用設備。保證施工現(xiàn)場的清潔衛(wèi)生，做到文明施工。⑥拖管a.拖管采用專門的回拖器，同時采用邊打