水平定向鉆管道敷設技術

水平定向鉆管道敷設技術摘要：近年來我國使用非開挖水平定向鉆進技術鋪設各類管線取得了巨大的進展，在電訊、自來水、污水、燃氣、電力和熱力等管線鋪設中都得到了廣泛的應用。關鍵詞：水平定向鉆；管線鋪設；導向孔Abstract:inrecentyears,Chinausedtheexcavationleveldirectionaldrillingtechnologyofallkindsofpipelayinghavemadegreatprogressintelecommunications,tapwater,sewage,gas,electricityandheatpipelaying,havebeenwidelyused.Keywords:directionaldrilling;Pipelinelaid;Pilothole1、 前言隨著現(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)也陸續(xù)出臺，本文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。近幾年來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(wǎng)改擴建項目及大型管道穿越江河工程項目上更顯出了獨特的優(yōu)勢。2、 概述水平定向鉆進管道鋪設技術是在不清除地面障礙物的情況下，管道從障礙物的底部地下穿越，與其它管線鋪設方法相比它對環(huán)境影響小，障礙物下管線覆蓋深度大，對管線保護的效果好。由于不需要清除地上障礙物，并且施工現(xiàn)場恢復工程量較小，可以減少工程建設投資。其工作過程是通過計算機控制導向和探測，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(chǎn)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。3、 技術特點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、 現(xiàn)代化的穿越設備的穿越精度高，易于調(diào)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。3、 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，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。4、 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。4、 適用范圍石油、天然氣、水、化工原料等管道穿越，河流、公路、鐵路、大堤、建筑物、湖泊、海灣、漁塘以及其他不宜進行大型開挖的地段，均可采用水平定向鉆進行管線鋪設施工。5、 適用地層1、 最好的地層：粉質(zhì)粘土、粉砂、細沙、軟塑粘土、淤泥。2、 一般地層：中砂、軟巖石、可塑粘土。3、 難穿地層：硬塑粘土、鐵板砂、粗砂、中等硬度巖石、卵礫石、流砂。6、 水平鉆機設備系統(tǒng)各種規(guī)格的水平定向鉆機都是有鉆機系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控向系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、鉆具及輔助機具，安全保護系統(tǒng)等。它們的結(jié)構及功能介紹如下：6.1 鉆機系統(tǒng)鉆機系統(tǒng)的主要功能是為鉆桿提供足夠大的扭矩和推拉力，以實現(xiàn)導向鉆進和回拉擴孔鋪管。與之相配匹的輔助功能為：鉆機的鉆進架與水平面之間的夾角可調(diào)，以滿足不同入射角的要求。鉆機入射角的大小，也是衡量鉆機性能的主要指標，與鉆機的總體布置與結(jié)構設計有關，將直接影響到成孔軌跡設計。目前鉆機技術正朝著多功能、集成化及自動化方向迅猛發(fā)展。針對某一特定工程進行鉆機選型時，前提工作即為管線回拉力計算，可參考以下公式：F拉=πLf【泥-dδ1（D-δ1）】+K粘πDL式中:F拉－計算的拉力（t）L－穿越長度（m）f－摩擦系數(shù)，0.1～0.3D－生產(chǎn)管直徑（m）D—生產(chǎn)管內(nèi)徑（m）泥－泥漿密度（t/m3），一般取1.13-1.18δ1－生產(chǎn)管壁厚（m）K粘－粘滯系數(shù)，0.01～0.03定向鉆機最終根據(jù)回拉力計算結(jié)果進行選型，通常按回拉力的1.5—3倍進行鉆機性能選擇。6.2 動力系統(tǒng)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。6.3 控向系統(tǒng)控向系統(tǒng)是通過計算機監(jiān)測和控制鉆頭在底下的具體位置和其他參數(shù)，引導鉆頭正確鉆進的方向性工具，由于又該系統(tǒng)的控制，鉆頭才能按其設計曲線鉆進，現(xiàn)經(jīng)常采用的有手提無線式和有線式兩種的控向系統(tǒng)。在中、大型鉆機進行大型工程施工中采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)，將軌跡規(guī)劃設計系統(tǒng)與鉆機的自動鉆進技術結(jié)合起來，實現(xiàn)定向鉆進的自動導航，解決隨鉆跟蹤監(jiān)控方式與有纜式監(jiān)控方式所存在的弊端。6.4 泥漿系統(tǒng)泥漿系統(tǒng)由泥漿混合攪拌罐和泥漿及泥漿管路組成，為鉆機系統(tǒng)提供適合鉆進工況的泥漿。泥漿是鉆液與鉆孔中鉆屑的混合物。鉆液是指在鉆進施工中用來與鉆孔過程中切削下來的土(或沙石)屑混合，懸浮并將這些混合物排出鉆孔的一種液體。鉆液具有冷卻鉆頭(冷卻和保護其內(nèi)部傳感器)、潤滑鉆具等作用，由水、膨潤土和聚合物組成。6.5 鉆具及輔助機具鉆具及輔助機具主要指鉆機在鉆孔及擴孔作業(yè)時所使用的各種機具。鉆具要有適合各種地質(zhì)的鉆桿、鉆頭、泥漿馬達、擴孔器及切割刀等機具；輔助機具包括卡環(huán)、旋轉(zhuǎn)活接頭、各種管徑的拖拉頭及推管器（針對大管徑）。7、 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(chǎn)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。7.1 地質(zhì)勘探及地下管線探測地下管線探測主要了解有關地下已有管線和其它埋設物的位置，為設計鉆進軌跡提供依據(jù)。一般采用物探法，按其定位原理分為：電磁法、直流電法、磁法、地震波法和紅外輻射法等。7.2 鉆進軌跡設計導向孔軌跡設計是否合理對管線施工能否成功至關重要。鉆孔軌跡的設計主要是根據(jù)工程要求、地層條件、地形特征、地下障礙物的具體位置、鉆桿的入出土角度、鉆桿允許的曲率半徑、鉆頭的變向能力、導向監(jiān)控能力和被鋪設管線的性能等，給出最佳鉆孔路線。圖中：α1——入土角α2——出土角A——入土點D——出土點B——第一曲線段和直線段軌跡變化點C——直線段和第二曲線段軌跡變化點h——軌跡（鋪管）深度L1+L2+L3——定向鉆鋪管水平長度注：滿足規(guī)范要求的最小曲率半徑。鋼管定向穿越，規(guī)范要求R=1500D；PE管穿越施工沒有明確規(guī)范要求，一般以鋼管穿越規(guī)范為基本依據(jù)，考慮PE管的柔韌性比鋼管好得多，一般取R≥1000D。同時，最小覆土深度還應必須大于生產(chǎn)管管徑的5-6倍以上。7.3 場地布置1、 入土點：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，可根據(jù)現(xiàn)場的實際情況作相應調(diào)整。2、 出土點：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(yè)帶。7.4 鉆導向孔鉆機被安裝在入土點一側(cè)，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。7.5 預擴孔和回拖產(chǎn)品管線一般情況下，導向孔完成后，需進行多級預擴孔，以便于進行成品管線的回拖，預擴孔的直徑和次數(shù)，視具體的鉆機型號和地質(zhì)情況而定?；赝袭a(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