长输管道穿越技术研究及应用A.doc

长 江 大 学在职研究生硕士学位论文长输管道非开挖穿越技术研究及应用导 师：郭 登 明研 究 生：钱 惠 杰2005年4月目 录第一章 引言1第二章 非开挖施工技术的发展历史12.1 国外非开挖施工技术的发展12.1 国内非开挖施工技术的发展1第三章 长输管道穿越施工技术2第四章 顶管穿越施工技术34.1 顶管施工的基本原理34.2 长输管道顶管施工的工艺研究54.3 长输管道顶管施工案例7第五章 夯管法施工技术75.1 气动夯管锤铺管原理85.2 气动夯管锤铺管技术特点85.3 气动夯锤施工工艺研究95.4 气动夯锤施工案例分析10第六章 水平定向钻和导向钻进施工法106.1 导向/定向钻进的施工原理116.2 导向/定向钻进的施工工艺研究116.3 定向钻穿越施工技术案例分析16第七章 水平螺旋钻进穿越施工技术177.1 水平螺旋钻的施工原理 177.2 水平螺旋钻穿越施工工艺研究197.3 水平螺旋钻穿越案例21第八章 非开挖穿越施工设备的发展趋势228.1定向（导向）钻机228.2顶管机228.3气动夯锤228.4 水平螺旋钻机228.5 结论22长输管道非开挖穿越技术研究及应用 第一章 引言近几年国内长输管道建设方兴未艾，尤其是中国石油和中国石化两大集团公司大力建设原油、成品油、天然气管道，拟在全国范围内形成一个油气管网，实现各地区的油气资源互补。长输管道施工因为距离较长，管道经过的地形也非常复杂，经常会遇到公路、铁路、水渠、河流、鱼塘、建筑物等障碍物，在管道施工中由于环境保护以及其他一些原因，一些障碍物的通过必须使用穿越技术，即管线进行非开挖敷设。非开挖地下管线施工技术是指在地面不开挖沟槽的情况下铺设、修复和更换地下管道和电缆的施工技术。其中,铺设地下管线包括水平定向钻进、水平螺旋钻、夯管锤、顶管等方法。与传统的开挖施工相比，非开挖地下管线施工具有不影响交通，不污染环境等优点，第二章 非开挖施工技术的发展历史非开挖施工技术虽然已有近百年的历史，但其重大的发展始于20世纪50年代，尤其是近几十年。在发达国家目前它不仅已成为地下线路工程的一个新技术增长点，并以其自身的技术优势和广阔的市场前景逐渐发展成为一个新兴的产业（机械制造业和工程承包业）。据统计，在西方发达国家中，目前非开挖设备制造商和材料供应商达400多家，工程承包商达4000余家，各种非开挖施工方法达百余种。2.1国外非开挖施工技术的发展国外非开挖管线施工技术的发展，大致可分为三个阶段： 人工（或用简单机械）地下挖掘后在铺设管线。这是非开挖技术发展的初期，将地下挖掘与管线铺设分开进行，效率低、安全性差，只用于特殊场合下的短距离工程； 常规钻、掘机械挖掘、铺设阶段。这基本上是20世纪70年代以前的技术，虽然在一定程度上将地下挖掘和铺管结合起来，但无法控制管线铺设方向，加之设备能力和施工技术水平的限制，效率低下，难于铺设直径和长度较大的管线； 采用专用设备和技术，把地下挖掘和管线的铺设、更换等各项作业有机地合成为一体，并能准确控制管线铺设方向，形成了现代的非开挖管线施工技术。2.2 国内非开挖施工技术的发展我国非开挖施工技术和设备的开发和研究工作起步较晚，至今对非开挖地下管线施工技术的发展和应用尚未引起足够的重视。我国非开挖施工技术的应用和发展大致可分为两个阶段：19531985年为第一阶段，即使用传统的非开挖施工技术阶段；1985年至今为第二阶段，既引入现代的非开挖技术阶段。我国最早使用的非开挖施工法是顶管法。1953年，北京市在市政工程中首次使用顶管法，此后逐渐推广到全国。该法至今还是我国使用最多的非开挖施工法。我国顶管施工技术的主要特点是:采用人工掘进、不能测斜纠偏、不适合在含水的地层中施工、一次顶进的距离较短。从20世纪80年代中后期起，由于不允许开挖铺设地下管线的工程量日益增多，且重要性也日趋加大（如穿越河流、高速公路、铁路干线、机场跑道等），现代的非开挖技术开始引入我国。首先使顶管技术有了较大的进展，引入了中继间顶管技术、触变泥浆技术、自动测斜纠偏技术以及土压平衡和泥水加压平衡技术；其次，顶管直径从20世纪50年代的800mm发展到3m，一次顶进长度从几十米发展到几百米，甚至上千米，在含水层中施工也已成为可能。进入20世纪90年代，现代非开挖技术的引进和开发应用的速度明显地加快，用于非开挖施工的设备从无有，不仅填补了我国非开挖施工设备的空白，也为我国非开挖施工技术的推广和应用奠定了基础。第三章 长输管道穿越技术长输管道穿越技术有很多施工方法，其中常用的主要有：水平定向钻进、水平螺旋钻、夯管锤、顶管等方法。每种施工方法都有各自的适用范围和局限性，所适用的管径大小、管线材料、施工长度、地层和地下水条件以及周围环境各有所不同。因此，施工方法的选择对工程的成功与否具有决定性作用。选择何种穿越施工方法，我们应当考虑以下因素： 地层条件； 待穿越管线的直径、长度和管材； 施工精度的要求； 埋管深度； 地表及地下水埋设物情况； 工程的期限； 工人的技术和施工经验； 地表复原的要求。穿越地段的地质情况比较复杂，包括硬土层，软土层、淤泥层、流沙层、含软砾石地层到硬岩层，有的穿越甚至穿过几个地层。对于穿越距离较长，地质条件复杂的，我们应当进行详细的现场勘察，并进行有关的土力学实验以了解土层的类型和力学性能，选择合适的非开挖施工方法。表3-1列出了常用的各种长输管道穿越施工方法的应用范围表3-1 长输管道穿越施工方法的应用范围穿越施工方法典型应用管材适用管径施工长度顶管大口径铺设砼、钢、铸铁 900301500导向钻进小口径铺设钢、塑料5035020300定向钻进大直径、大长度钢、塑料35015001001500夯管大、小口径铺设钢5020002080水平螺旋钻进中、大口径铺设砼、钢100150020100表3-2列出了土层条件及各种常用长输管道穿越施工方法的适用性表3-2的土层条件及各种常用长输管道穿越施工方法的适用性土层条件顶管法导向钻进法定向钻进法夯管法水平螺旋钻进法极软到软的粘土层？中硬到硬的粘土层坚硬的粘土层和高度风化的页岩？松散的砂层（地下水位以上或以下）？中到致密的砂层（地下水位以上）？中到致密的砂层（地下水位以下）？含软砾石（50-100mm）？含软砾石（100-150mm）？风化的岩层和坚硬的土层？微风化和未风化的岩层第四章 顶管穿越技术顶管施工法是继盾构法之后而发展起来的一种施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁路、河床、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管道等。他最早是于1896年美国的北太平洋铁路铺设工程的施工。按工作面的开挖方式可将顶管法分为普通顶管（人工开挖）、机械顶管（机械开挖）、水射顶管（水射流冲蚀）、挤压顶管（挤压土柱）等。采用何种方法要根据管径、土层条件、管线长度以及技术经济比较来确定。4.1顶管施工的基本原理顶管施工就是借助于主顶油缸以及中继间的顶进力，把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直顶进到接收坑内吊起。与此同时，把紧随在工具管或掘进机后的管道埋设在两个工作坑之间。一个完整的顶管施工主要包括以下几个部分（见图4-1）。 图4-1 顶管施工示意图 1-套管；2-运输车；3-扶梯；4-主顶油泵；5-行车；6-安全扶栏；7-润滑注浆系统；8-操纵房； 9-操纵系统；11-后座；12-测量系统；13-主顶油缸；14-导轨；15-弧形顶铁；17-套管；18运土车；19-机头1）工作坑和接收坑 工作坑是安放所有顶进设备的场所，也是顶管掘进机的事发场所。工作坑还是承受主顶油缸顶进力反作用的构筑物。2）顶管掘进机顶管掘进机是顶管用的主要设备，是决定顶管成败的关键所在，它总是安放在所顶管道的最前端。在手掘式顶管（普通顶管）施工中是不用顶管掘进机而是只用一只工具管，不管用哪种形式，顶管掘进机的作用主要是取土和确保管道顶进方向的正确性。3）主顶装置及中继站主顶装置有主顶油缸、主顶油泵和操纵台及油管等四部分构成。主顶油缸是管子顶进的动力，它多呈对称状布置在管壁周边。在大多数情况下都成双数，且左右对称。主顶油缸的压力油由主顶油泵通过高压油管供给。主顶油缸的顶进和回缩是通过操纵台控制的。操纵方式有电动和手工动两种，前者使用电磁阀或电液阀，后者使用手动换向阀。中继站是长距离顶管中不可缺少的设备。短距离顶管中则不需要，中继间内均匀安装有多个油缸，这些油缸把它们前面的一段管子顶进一定长度后，再让它后面的中继间或主顶油缸把该中继间油缸缩回。这样一只连一只，一次连一次就可以把很长的一段管子分几段顶进。最终依次把由前到后的中继间油缸拆除，多个中继间合并即可。4）顶铁顶铁有环行、弧形或马蹄形三种。环形顶铁的主要作用是把主顶油缸的顶进力较均匀的分布在所顶管子的端面上。5）基坑导轨基坑导轨是由两根平行的箱形钢结构焊接在轨枕上制成的。它的作用主要有两点：一是使推进管在工作坑中有一个稳定的导向，并使推进管沿该导向进入土中；二是让环行、弧形顶铁工作时能有一个可靠的托架。6）后座墙后座墙是把主顶油缸推力的反力传递到工作坑后部土体中去的墙体。它的构造会因工作坑的构筑方式不同而不同。在沉井工作坑中，后座墙一般就是工作井的后方井壁。在钢板桩工作坑中，一般采用在后座墙与主顶油缸之间再垫上一块厚度为200300mm之间的钢结构件，通过它把油缸的反力较均匀地传递到后座墙上。7）顶进用管顶进用管一般为钢管和水泥套管，除此之外，铸铁管、硬塑料管（PVC、PE）、玻璃钢管和复合管等也可用于顶管。8）输土装置输土装置随顶进方式不同而不同。在手掘式顶管中，大多数采用手推车出土；在土压平衡式顶管中，有蓄电池拖车、土砂泵等方式出土；在泥水平衡式顶管中，都采用泥浆泵和管道输送泥水。 9）地面起吊设备地面起吊设备最常用的是门式行车，它操作简便、工作可靠，不同口径的管子应配不同吨位的行车。它的缺点是转移过程中拆装比较困难。汽车式起重机和履带式起重机也是常用的地面起吊设备。它们的优点是转移方便、灵活。10）测量系统顶管过程中，每隔一定时间（一般是每顶进1m）应测量标高和中心线一次。发现偏差时，除及时校正外，还应每顶进一个行程后，正式测量校正一次。使的最普遍的测量装置是经纬仪和水准仪。经纬仪用来测量管子的左右偏差，水准仪用来测量管子的高低偏差。在机械式顶管中，大多使用激光经纬仪，即在普通经纬仪上加装一个激光发射器，激光束打在掘进机的光靶上，观察光靶上光点的位置就可判断管的上下和左右偏差。11）注浆系统注浆系统有拌浆、注浆和管道三部分组成。拌浆是把注浆材料兑水以后再搅拌成所需的浆液。注浆是通过注浆泵来进行的，它可以控制注浆的压力和注浆量。管道分为总管和支管，总管安装在管道内的一侧。支管则把总管内压送过来的浆液输送到每个注浆孔去。12）供电及照明系统13）通风与换气系统通风与换气是长距离顶管中不可缺少的一环，否则，可能发生缺氧或气体中毒现象。顶管中的换气应采用专用的抽风或者鼓风机。通风管道一直通到掘进机内，把混浊的空气抽离工作井，然后让新鲜空气自然地补充。14）辅助施工顶管施工有时离不开一些辅助的施工方法，不同的顶管方式以及不同的土质条件应采取不同的辅助施工方法。顶管常用的辅助方法有井点降水、高压旋喷、注剂、搅拌桩、冻结法等多种，都要因地制宜地使用才能达到事半功倍的效果。4.2长输管道顶管施工工艺研究油气长输管道经过的公路、铁路、河流如果穿越距离较短的，采用的施工方法主要是采用普通顶管（手掘式），如果距离过长就要考虑其他穿越方案，如长距离顶管、定向钻等。4.2.1测量、放线根据设计图纸提供的坐标，用经纬仪放出穿越的中心线。4.2.2开挖操作坑、目标坑操作坑的开挖选择很关键，它是顶管施工的第一步，是所有后续工作的基础， 以下是不同地质条件下工艺的选择：（1） 土质为粘土、泥岩等土质较硬的土层时，开挖操作坑可直接采用放坡处理，放坡的边坡比可按1:0.5考虑；（2） 土质为软土、砂土、中砂等土层时，开挖操作坑采用放坡处理，放坡的边坡比可按1：0.5考虑，同时操作坑的四周必须作钢板支护，以防止塌方，具体做法：用打桩机或挖沟机把C30钢桩或木桩沿工作坑边沿间隔12m打入地层，打入深度1米。操作坑的长度按每节套管2米长考虑，具体结构见下图4-2： 图4-2 坑壁支护结构图（3） 土质为流砂等土层时，操作坑不能采用直接开挖方法，因为流沙层开挖管沟不可能成型，必须打沉井，沉井的尺寸根据每节穿越套管的长度确定，沉井的施工方法见有关方案，操作坑全部采用钢筋混凝土结构； （4） 对于地下水位较高的土层还要采取井点降水等措施，提前将操作坑周围的水位向下降，防止操作坑大面积塌方。4.2.3 主顶设备安装合理安排现场，安装好液压千斤顶。穿越中心线及坑底标高均采用经纬仪和水准仪测量，操作坑内水泥套管导轨、石子垫层和枕木处理平整后方可安装液压千斤顶，安装千斤顶时用吊车将导轨吊下就位，穿越管中心线和轨道中心线应在一条直线上，每米偏差不大于3mm，然后再用水平仪找平每个轨道，如轨道不平应在下部加垫石子找平后方可吊装液压千斤顶。如果现场土质较软容易造成设备沉降应在工作坑内铺上200mm厚的石子，然后再铺枕木。工作坑地基处理完毕后好后座墙，对于硬土层，顶管距离不长的，操作坑的后壁可直接作为后座墙，中间加一张50mm厚的钢板；在沉井工作坑中，后座墙一般就是工作井的后方井壁。在钢板桩工作坑中，一般采用在后座墙与主顶油缸之间再垫上一块厚度为200300mm之间的钢结构件，通过它把油缸的反力较均匀地传递到后座墙上。 在此过程中一定要仔细测量，保证导轨、套管、主顶设备的水平，同时要保证中心线在一条线上，此外主顶设备的基础要平整，稳固。4.2.4 顶进施工所有准备工作都到位后，就开始顶进作业了，顶进作业在穿越距离长短不同和地质条件不同时施工工艺就会不同。（1）对于穿越距离较长（大于80米）时，需要安装中继站，对于更长的穿越必要时还需要在套管前端安装顶管掘进机，同时在套管管壁上加注泥浆润滑管壁以减少套管管壁与土层间的摩擦力；对于穿越距离较短时（小于60米），不需安装中继站，为减少套管管壁与土层间的摩擦可在套管未进土之前在管壁上涂抹废机油或黄油，不需要注泥浆。（2）顶管掘进机分为泥水式、泥浆式、土压式和岩石式四种，普遍用的主要是泥水式和土压式。泥水式和泥浆式主要用于软土层或淤泥层；土压式最初主要用于硬土层，目前最先进的设备基本可适用于各种土层；岩石式用于岩石地层，一般很少用。施工时可根据地层情况采用合适的顶管掘进机。（3）出土设备的选择。穿越距离较短的，采用手掘式施工，出土用手推车；穿越距离较长的，不采用掘进机的，可通过有导轨的电瓶车运土；穿越距离很长的，采用掘进机的，可通过输土泵（土压式掘进机）或排泥泵（泥水式掘进机）将土或泥水运至地面。4.2.4 顶进过程中的纠偏顶管过程中，每隔一定时间（一般是每顶进1m）应测量标高和中心线一次。当管的偏差超过允许值时，应根据实际情况采用下述方法进行校正，主要有以下几种方法。挖土校正法：当第一节管发生偏差，而其余的管节尚符合要求时，可用此法，即通过增减不同部位的挖土方量进行校正。如果管头部抬高时，则多挖位于管前方下半圆的土；当管的头部下垂时，则多挖管前方上半圆的土。这样，当继续顶进时管的头部自然得到校正。强校正法：这是强迫管节向正确方向偏移的方法，有以下几种：衬垫法：在首节管的外侧局部管口位置垫上钢板，迫使管子转向。支顶法：应用支柱或千斤顶在管前设支撑，斜支于管口内的一侧，以强顶校正。主压千斤顶校正法：当顶进长度较短（15m以内）时，如发现管中心有偏差，可利用主压千斤顶进行校正。如果管中心左偏时，可将管外左侧的顶铁加长1015mm。这样，当千斤顶顶进时，左侧的顶进力大于右侧的顶进力可校正左偏的误差。校正千斤顶正法：在首节工具管之后安装校正环，在校正环内的上下左右安装四个校正千斤顶。当发现首节工具管的位置偏斜时，开动相应的千斤顶即可实现校正。（3）纠偏应注意以下方面：纠偏应在顶进过程中进行，静态的纠偏会对管线产生不利的影响。纠偏过程中，要在网格底上绘制工具管的测点轨迹，推算出其行进轨迹，根据行进轨迹及时调整纠偏角度，避免纠偏过大产生过度弯曲。及时了解套管穿越的土层，特别是软土层，不均匀土层的土质情况。4.2.5顶管常见问题及解决方法4.2.5.1导轨偏移（基坑导轨在顶管施工过程中产生左右或高低偏移）防治措施：a.对导轨进行加固或更换。b.把偏移的导轨校正过来，并用牢固的支撑把它固定。c.垫木应用硬木或用型钢、钢板，必要时可焊牢。d.对工作底板进行加固。4.2.5.2后靠背严重变形、位移或损坏顶管后背在顶进过程中有时会发生：a.后靠背被主顶油缸顶得严重变形或损坏，已无法承受主顶油缸的推力。b.后靠背被顶得与后座墙一起产生位移。c.钢板桩工作坑，由于覆土太浅或被动土抗太小而使钢板桩产生位移影响到后靠背的稳定。防治措施：a.应该用刚度好的钢结构件取代单块钢板做后靠背。b.后座墙后的土体采用注浆等措施加固，或者在其地面上压上钢锭，增加地面荷载。c.用钢筋砼浇筑整体性好的后座墙，并且尽量使墙脚插入到工作坑底板以下深一些。4.2.5.3主顶油缸偏移油缸位置在顶管施工过程中会发生：a.主顶油缸轴线与所顶管子轴线不平行或者与后靠背不垂直。b.主顶油缸与管子轴线不对称，偏向一边。防治措施：a.正确安装立顶油缸，同时后靠背一定要用薄板垫实或用砼浇实。b.重新正确安装油缸架。4.2.6管道通风对于操作坑较深，管道顶进距离较长，人员在管道内要消耗大量的氧气，在掘进过程中遇到一些土层内的有害气体冒出，随着顶管距离的增大，管内的温度和湿度的增大而影响测量的准确性，都要求采取相应的通风措施。顶管距离较短的则不需要设置通风。通风可通过离心式鼓风机通过软风管直接向工作面吹入新鲜空气，排除管内污浊气体。4.3 顶管穿越施工技术案例2003年我公司施工甬-沪、宁原油管道工程，管道规格为762mm11mm，经过新沪杭公路,公路路面宽为40米，路的西侧有一条河流，宽为40米，路的东侧较开阔，但路东侧为开发区规划用地，管线出公路边后10米就要拐弯与公路并行，因此定向钻的方案不能采纳，只能采纳顶管穿越，因公路与河一起穿越，为保证套管施工时河底不透水，穿越深度必须保证在套管管顶与河底之间距离大与3米，加上水泥套管规格为1680mm165mm2000mm,因此穿越的深度离地面达到了11米深，穿越长度达到了120米，顶管施工的难度非常大，而且顶管施工完后还要将140米长的762钢管穿入套管内，穿越主管的难度也非常大。为方便进出设备，顶管的作业坑我们选在公路的东侧，该地段地下水位较高，我们采用井点降水措施，降水用了近20天时间。施工中为保证主管的穿越，工作坑不能采用沉井方案（钢筋混凝土结构），我们采用的是打钢板桩的做法，这样顶管穿越完成后把钢板桩拔掉后可直接开挖进行主管的穿越。本次穿越我们没有采用顶管掘进机，如果采用顶管掘进机的话，施工场地会非常的大，但实际现场条件不允许，因为没有掘进机，我们采用的是人工掏土，然后通过运管小车运出洞外，再通过行车吊到地面。顶管测量系统采用的是激光导向系统，随时测量顶管中出现的偏差，出现偏差后通过套管间纠偏油缸调整方向，使套管沿正确方向前进，最终水平偏差仅为50mm，左右偏差仅为20mm。顶管完成后并且成功地将140米长的762主管采用漂管法穿入这120米套管中，这在油气长输管道施工中实属罕见。第五章 夯管法施工技术夯管施工法是指用夯管锤（低频、大冲击功的气动、液压冲击器）将铺设的钢管沿设计路线直接夯入地层，实现非开挖铺管。施工时，夯管锤的冲击力直接作用在钢管的后端，通过钢管传递到前端的管靴上切削土体，并克服土层与管体之间的摩擦力使钢管不断进入土层。随着钢管的前进，被切削的土芯进入钢管内。待钢管全部夯入后，可用压气、高压水射流或螺旋钻杆等方法将其排出。夯管法施工的优点是： 对地表的干扰极少； 对土层的扰动小； 设备简单、投资少，施工成本低；夯管法施工的缺点是： 不可控制施工方向； 不适用于含大卵砾石的地方；夯管法适用的范围是： 管径为502000mm; 管线长度为1080m； 管材为钢套管； 适用于不含大卵砾石的各种地层，包括含水层。5.1气动夯管锤铺管原理气动夯管锤实质上是一个低频、大冲击功的气动冲击器，有压缩空气驱动，将要铺设的钢管沿设计路线直接夯入地层，从而实现非开挖穿越铺管的一种铺管工具。在夯管过程中，夯管锤产生很大的冲击力，并通过调节锥套、出土器和夯管头作用于后端，在通过钢管传递到前端的切削头（管鞋）上，切割土体，并克服地层与管体的摩擦力使钢管不断进入土层。随着钢管前行，被切割的土心进入钢管内（如图5-1），待钢管抵达目标后，取下管靴，将管中的土心排除，钢管留在孔内，即完成铺管图5-1 夯管施工法示意图5.2气动夯管锤铺管技术特点气动夯管锤铺管与导向钻进、水平螺旋钻进、水平顶管等铺管技术相比具有如下特点：地层适应性方面：用夯管锤在含卵砾石地层或回填地层中铺管时，比管径小的卵砾石或石块可进入管内，比管径大的砾石或漂石可经管鞋击碎后进入管内，流沙层或软地层中夯入的钢管起到支护孔壁的作用。因此，夯管锤铺管几乎适应除岩层以外的所有底层，特别是在用其他技术难以施工的建筑垃圾回填层中，大多数情况下都能用夯管锤铺管解决问题。铺管精度方面：夯管锤铺管因属不可控向铺管，在铺设较长管道(长度超过管径的100倍）时，其铺管精度不如导向铺管高，但因为它是以冲击方式将管道夯入土层，在管端无土楔形成，其偏斜的可能性远比不出土水平顶管和无控向水平螺旋钻进铺管小得多。对地面影响方面：夯管锤铺管由于切削下来的土心进入管内，因此即使铺管深度很浅时地面也不会产生隆起或沉降现象。适用管径范围方面：夯管锤铺管适合铺设管道的管径小到50mm,大到2000mm,覆盖的管径范围是其他方法无法达到的。适合铺管长度方面：夯管锤铺管适合较短长度管道的铺设，为保证铺管精度，一般单次铺管长度不应超过管径的150倍。但很明显，其适合的铺管长度要比不出土水平顶管和无控向水平螺旋钻进铺管长得多。（6）对管材的要求：夯管锤铺管要求管道必须是钢管，要铺设其他材料的管道，可先铺设钢套管，再将工作管道从中导入。投资和施工成本方面：因夯管锤铺管主要设备就是夯管锤，所用空压机是工程中常用设备，大多数用户均采用租赁方式解决，所以设备投资极少。由于夯管锤铺管设备投资少，施工操作又极为简单，材料消耗少，所以施工成本比其他施工方法低得多。5.3气动夯锤施工工艺研究5.3.1施工设备夯锤施工的设备比较少，主要是空压机、电焊机、夯管锤及配套机具。夯管锤有各种规格型号，它的选取要根据穿越距离的长短和待铺管线管径的大小决定。因为夯管锤的冲击力较大，夯管锤铺管用钢管在壁厚上有一定的要求（见表5-1），达不到要求时，钢管端部需加强，以防被打裂。夯管锤铺管要求的钢管最小壁厚 表5-1管径（mm）壁厚（mm）管径（mm）壁厚（mm）1004500800910018058001000101802506100012001225035071200150015350500815002000195.3.2工作坑构筑 工作坑包括操作坑和目标坑。应在正式施工前按设计要求开挖。一般下管坑坑底长度为：管段长度+夯管锤长度+1m，坑底宽为:管径+1m。接收坑坑底可挖成正方形，边长为：管径+1m。夯管锤施工的操作坑与顶管不同，它不需要后座墙，对覆土层也没有太高的要求，它的动力来自于压缩空气，而不是顶力。5.3.3夯管锤的安装夯管锤的安装与顶管设备的安装类似，同样要注意两个方面的问题：一是设备基础，基础是保证夯管精度的前提，没有好的坚固的基础，夯管锤铺管的精度就不可能满足设计的要求。二是设备安装的水平度和中心线的偏差要满足设计要求，因为钢管和夯锤都是坐在导轨上，因此导轨的找平和调正非常关键，可通过经纬仪和水平仪（水平尺）来进行，在软土层施工时，可预先将钢管的角度向上扬，这样可使最终的精度提高一些。5.3.4夯管因为夯锤的方向不可控，所以入土前检查钢管的水平度非常重要，同时对于穿越距离较长的且精度要求高的尽量不要采用此方法。安装好设备后，开启空压机，钢管逐渐进入土层，开始夯进的速度会很快，因为管壁和土层的摩擦力小，随着夯进钢管的长度的增加，阻力会越来越大，有时会出现钢管不前进的状况，因此需要润滑管壁，采用在第一根管的前端焊上注水喷头，夯管的过程中随时注水，以减轻管壁的摩擦力。同时钢管的前端要焊上一切削头，它的作用是使钢管更加容易进入土层。在第一根管段进入地层以前，夯管锤工作时钢管容易在导轨上来回窜动，应利用送风阀控制工作风量，使钢管平稳地进入地层，第一段钢管对后续钢管起导向作用，其偏差对铺管精度影响极大。一般第一段钢管进入地层3倍管径长度时，要对其偏差进行检测，并及时调整，在继续夯如一段重复测量和调整一次，直至符合要求为止。钢管进入地层34m后可逐渐加大工作风量至正常值。当前一管段不能使管道到达目标坑时，还需焊接下一段管段。将夯管锤和出土器等前端部卸下并沿着导轨移到管坑的后部，将下一管段移到导轨上和前一根钢管焊接，组对焊接时也同样要找平，还需焊接注水用的水管。焊接完继续夯管，直至将全部管道夯入地层为止。5.3.4清土夯管结束后需将钢管内的存土清除出去。常用的清土方法有压气排土法、螺旋钻排土法和人工清土。压气排土法最简单，适用于非进入管道，其做法是：将管的一端掏空0.51米深，将清土球置于管内，用封盖封住管端，向管内注入适量的水，然后连接送风管道送入压缩空气，管内土心即在空气压力作用下排出管外，使用此法应注意安全，土心的迅速排除对靠近的物品和人员可能造成损害。螺旋钻排土和人工清土一般都用于较大直径管道。5.4夯管穿越施工案例分析2002年我单位施工的淄博-青岛天然气管道工程青州段，管线经过青州立交一处公路，管线埋深为4米，穿越套管为630钢管，长度为40米。穿越的地层自上而下依次为：地表至-1米为粘土层，-1米至-7米以下为卵石层，卵石的直径也较大，粒径150mm左右的约占15%-20%，地下水位较深，穿越基本不受地下水的影响，经过考虑我们决定采用夯管法施工。因为我公司在该施工区段总的穿越长度不多，没有购买注浆设备，我们采用的是H350气动夯管锤，开始夯管后，打入第一根12米长的钢管仅用了152分钟，以后夯击速度逐渐递减，在夯击到32米时，夯入速度已降至0.5米/小时，继续夯击到35米时，因为没有采取注浆等措施，阻力很大，我们认为已达到夯管锤能力的极限，但还有5米没有夯完，只有从公路的另一侧入手想办法，我们采用的是在接收坑将一根长5米的810的钢管与套管对接，并将套管前的土挖开，这样套管前基本就没有阻力了，接着继续夯击，90分钟后完成40米的穿越。第六章 水平定向钻和导向钻进施工法水平定向钻进施工法最初是从石油钻进技术引入的，主要用于穿越河流、湖泊、建筑物等障碍物，铺设大口径、长距离的石油和天然气管道。定向钻进施工时，按设计的钻孔轨迹，采用定向钻技术先施工一导向孔，随后在钻杆柱端部换接大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待铺设管线，在回拉扩孔的同时，将待铺设的管线拉入钻孔，完成铺管作业。有时根据钻机的能力和待铺设管线的直径大小，可先专门进行一次或多次扩孔后再回拉管线。在定向钻中，大多数工作是通过回转钻杆柱来完成的，钻机的扭矩与轴向给进力和回拉力同样重要。按照钻机铺设管线的直径和长度能力，将用于非开挖铺管的定向钻机分为三类，即小型(Mini)、中型(Midi)和大型(Maxi)。各类设备的能力和应用范围见表6-1。表6-1水平定向钻机的分类类型铺管直径mm铺管长度m铺管深度m扭矩kNm推/拉力kN钻机（包括车）重，t应用范围小型5025010011.511.5100210通讯、电力电缆、聚乙烯煤气管中型2508006001.5101.510104501020穿越河流、道路和环境敏感区域大型8020002000101001010045050002030穿越河流、高速公路、铁路水平定向钻进和导向钻进之间并没有严格的界限。导向钻进技术的基本原理大致和定向钻进相同，即先钻一个小口径的先导孔，随后边扩孔边回拉铺设地下管线。由于小型钻机的钻孔轨迹量测、控制技术与大中型钻机的不一样。因此，把采用小型定向钻及施工的方法称之为“导向钻进”。“导向钻进”一般是指用于铺设小直径、长度较短的管线；而将采用大中型定向钻及施工的方法称之为“定向钻进”。对于大型工程，直径较大（有些直径大于1m）的管线施工则属于“定向钻进”这一范畴，如穿越较大的河流、运河和高速公路施工。水平定向钻进和导向钻进技术的优点为：对地表的干扰较小；施工速度快；可控制铺管方向，施工精度高。不足之处在于对施工场地要求较大，在非黏性土质和砾石层中施工比较困难，一般适用于不含大卵石的各种地层，包括含水地层。导向钻进不适用于砂层和砾石层，一般适用于软土层，由于受到探测器的探测深度的限制，导向钻进的深度有限。6.1导向/定向钻进的施工原理大多数的导向钻进使用一种射流辅助切削钻头，钻头通常带有一个斜面，因此当钻杆不停地回转时则钻出一个直孔，而当钻头朝着某个方向给进而不回转时，钻孔发生偏移。导向钻头内带有一个探头或发射器，探头也可以固定在钻头后面。当钻孔向前推进时，发射器发射出来的信号被地表接受其所接受和追踪，因此可以监视方向、深度和其他参数。导向钻进施工示意图如图5-1。图6-1 导向钻施工示意图一般施工分三步进行：1钻导向孔钻机在入土点开始钻劲，钻进过程中通过监测和控制手段使钻孔按设计轨迹延伸，并从另一端钻出地表，完成导向孔的施工。2扩孔如果欲安装的管径较大，不能同时完成扩孔和回拖作业时，必须进行逐级扩孔。施工时要根据设备能力、地层条件和现场情况来确定每次扩孔直径。最终扩孔直径应比管线直径至少大25%以上。3管线回拖在出口处将管线通过回拉头和扩孔钻头连接到钻杆上，利用钻进设备一边回转，一边回拉，同时通过钻杆输送冲洗液到扩孔钻头，扩孔回拖过程必须连续进行，中间不许有长时间非作用停顿。6.2导向/定向钻进的施工工艺研究6.2.1钻进设备的选择6.2.1.1选择的标准钻机的回拖力不应该是一个选择钻机的重要条件。因为，通过增加液压系统的压力或使用类似的方法可以容易地改变回拖力的大小。增加推进力与回拖力需增加发动机的功率很小，所以提高钻机的回拖力很容易办到。钻机的形成主要是靠钻机的扭矩和钻井液的动力来完成。而不是钻机的推力和拉力。如果导向孔和预扩孔完成得非常理想，钻机本身可能始终用不到其标定的回拖能力。回拖力只是用来移动穿越的管道重量。由于孔内膨润土制成的泥浆对管道的浮力，管道被拖动将不需非常大的回拖力。在施工中，钻机大部分时间要进行回转钻进，以实现土层的切削和在钻进液的作用下对土渣的外送，所以钻机的扭矩是选择钻机的一项重要指标。6.2.1.2功率在定向钻进施工中，钻机的功率决定了施工过程中能否顺利穿越地层、完成管道回拖等工作。钻机大部分时间保持在额定功率状态下工作，只有在特殊情况下，钻机才允许超载运行，但不得超过钻机的最大功率，超载运行时间不能太长，以免由于钻机的超载运行而损坏发动机。钻机的功率可以通过改变发动机的功率来改变。但是钻机的扭矩的改变就要涉及到钻杆的承受能力。6.2.1.3钻杆扭矩是钻机的重要参数之一。因此，传递扭矩的钻杆就成为钻机与孔底机具之间唯一的也是最为重要的动力传递环节。对于长距离的钻孔而言，钻杆的强度比柔度更为重要。因此，一般选择较大直径的钻杆。钻孔规格决定必须选用什么样的扩孔器。生产孔底机具的制造厂应根据给定的地层条件计算出旋转孔底钻具所需扭矩，获得这个参数后，便可根据这个参数选配钻杆。然后再根据这个参数对比考虑选用不同的钻机。钻杆的长度直接影响钻进的效率。虽然长度短的钻杆单根价格便宜，但使用短钻杆却增了大量的装卸钻杆的时间。如果采用有缆控向系统进行较长距离和较深地层的穿越，短钻杆也增加了控向系统的接线时间。因此，使用较长的钻杆，减少连接次数明显是提高效率的主要手段。在长距离穿越工作中，有时不得不把钻杆和钻具从孔内拔出进行钻头、马达、控向探头的更换或检修。拔出钻杆的作业是非生产性的作业。因此，能使用较长的钻杆以减少拔出的根数，从而减少这项作业过程所消耗的时间。6.2.1.4泥浆马达近几年来，由于钻机的能力增加以及钻机配备了更好的泥浆泵，泥浆马达在定向钻进中的使用有了相当大的进展。泥浆马达是复杂地层和硬岩地层定向钻进中的首选钻具。在考虑使用泥浆马达时必须考虑两个基本因素：泥浆泵和岩石的硬度。目前，泥浆马达有三种规格，最小的为7292mm，它们可驱动199mm的钻头，所需的钻机质量为11.422.7t，配备的水泵泵量为307519L/min；第二种规格为119mm；最大的为169mm。上述三种泥浆马达的技术规格见表6-2。泥浆马达是由动力部分（包括定子和转子）、传动部分（包括用于转向的弯接头）和轴承部分（包括它承受整个马达的载荷），另外一个很重要的部分是用与步行定位系统中的弯接头超声波仪，它可以确定钻头的位置。表6-2泥浆马达的技术参数马大尺寸，mm钻头直径,mm所需泵量,l/min钻机质量，t729411930851911.422.711915.16938596227.340.91692002191153230854.5泥浆马达的转向原理是依靠马达内弯接头将马达调整到所希望的钻进方向，然后起动泥浆泵，并使泵量达到泥浆马达和钻头所需的值，由钻机给钻杆施加压力进行钻进，其钻进原理类似于通常的“鸭嘴”式钻头。较好的钻进液质量可减少马达的维修成本。因此清理泥浆并建立泥浆循环系统非常重要。6.2.1.5钻头的选择钻头是定向钻进的重要工具之一，对于不同的土层，须采用不同的钻头（图6-2）。工程的实践表明：在淤泥质黏土中施工，一般采用较大的钻头，以适应变相的要求（若相向前推进1m就实现变向，或许需要一个较大的或狗腿度为10的钻头）。钻头表面硬化处理后使用效果会更好。在干燥的软黏土中施工，采用中等尺寸钻头一半效果最佳（土层干燥，可较快地实现方向控制）。在硬黏土中，较小的钻头效果比较理想，但在施工中要保证钻头至少要比探头外筒的尺寸大12mm以上。 在钙质层中，钻头向前推进十分困难。所以，最小的钻头效果最佳，另外在这种土层中须采用特殊的切削破碎技术来实现钻孔方向的改变。对于糖粒砂层，中等尺寸狗腿度的钻头使用效果最佳。在这类地层中，一般采用耐磨性能好的硬质合金钻头来克服钻头的严重磨损。另外，钻机的锚固和钻进液是施工成败的关键。对于砂质淤泥，中等到大尺寸钻头效果较好，在较软土层中，采用10度狗腿度钻头以加强其控制能力。如果钻进时土层条件发生变化，有时需要更高的扭矩来驱动钻头。 对于致密砂层，小尺寸锥形钻头效果最好，但要确保钻头尺寸大于探头筒的尺寸。在这种土层中推进较难，可较快地实现控向。另一方面，钻机的锚固是钻孔成功的关键。在砾石层中施工，镶焊小尺寸硬质合金的钻头使用效果较佳。对于大颗粒卵石层，钻进难度较大，不过若卵石间有足够多的胶结性土，钻进还是可行的。在砾石层中，回扩难度最大，铺管尺寸较大时尤其如此。对于固结的岩层，使用孔内动力钻具效果最佳。但采用标准钻头钻到硬岩石时，钻孔可在无明显方向改变的条件下完成施工。图6-2 几种典型的导向钻头6.2.2导向孔施工根据每段铺设管设计标高、地层及地型情况，进行导向孔设计，确定导向孔的施工方案。导向孔钻进是通过导向钻头的高压水射流冲蚀破碎、旋转切削成孔的。导向钻头前端为15造斜面。该造斜面的作用是在钻具不回转钻进时造斜面对钻头有个偏斜力，使钻头向着斜面的方方向偏斜；钻具在回转顶进时，由于斜面在回转中斜面的方向不断改进，斜面周向各方向受力均等，使钻头沿其轴向的原理有趋势直线前进（图6-3）。图6-3 导向钻进的造斜原理示意图导向孔施工多采用手提式导向以来确定钻头所在的空间位置。导向仪器由探头、地表接收器和同步显示器组成。探头放置在钻头附近的钻具内。接收器接受并显示探测数据。同步显示器至于钻机旁，同步显示接受器探测的数据，供操作人员掌握孔内情况，以便随时调整。这类导向仪器的测量精度一般为3%5%，测深能力一般在15m以内，最大可达30m。在施工中导向钻头的准确位置状态和造斜面方向是通过安装在钻头腔室内的信号发射器及地面跟踪导向以来测定的。导向钻是按设计轨迹的参数，当发现偏离设计轨迹时，就通过调整钻头斜面的方向，进行造斜纠偏，直到钻头的位置回到设计轨迹时为止。这样就会钻出和实际轨迹重合或非常接近的导向孔。但是，应特别注意纠偏过渡，即偏向原来方向的反方向，这种情况一旦发生将给施工带来不必要的麻烦，会大大影响施工的进度和加大施工的工作量。为了避免这种情况的发生，钻进少量进尺后边进行测量，检验调整钻头方向的效果，所以，应考虑各种纠偏的可能性，纠偏不能太急，应在几根钻杆内完成纠偏，不能在一根钻杆内就完成所有的纠偏工作。6.2.3 扩孔施工当先导孔钻至靶区就需用一个扩孔器来扩大钻孔，以便安装成品管线。一般的经验是将钻孔扩大到成品管尺寸的1.251.5倍，扩孔器的拉力或推力一般为每毫米孔径175N。根据成品管和钻机的规格，可采用多级扩孔。目前在工程中使用的扩孔器有四种类型：快速切削型扩孔器：这种类型的扩孔器经济，而且对软地层（如粘土和砂土层）较有效，但是，这种扩孔器无法破碎坚硬的岩石。拼合型钻头通孔器：它是由剖开的牙轮锥体制造的，并将其焊接到金属板和短的间接构件上。拼合钻头通孔是一种通用的、经济的扩孔工具，在设计上具有灵活性。它们很容易定做，具有品种繁多的切削具类型和规格。在制造过程中，必需采用特众焊接、热处理以及其它的防护措施，以免损坏后牙轮失落与孔内。锥形牙轮扩孔器：起初用于石油钻井的垂直井的垂直井钻进，这种类型的扩孔器用于导向钻进时，已被改进，近几年已用于水平钻进中。YO-YO型扩孔器：这种扩孔器非常适合于非开挖施工，因为，它在岩石易崩落的地层中可以向前或向后钻进。这种平衡式的球体牙轮是自稳的，而且能自动跟踪先导孔。大型牙轮和蜜蜂式轴承的应用延长了其在孔内的寿命。图6-4 回拉扩孔时的钻具组合扩孔是将导向孔的孔径扩大至所铺设的管径以上，以减小铺管时的阻力。扩孔是将钻头连接在钻杆后端，然后由钻机旋转回拉扩孔。通过采用不同直径的扩孔钻头扩孔，直至达到设计的扩孔孔径为止。对于回拉力较大的钻机，在扩孔时可以采用阶梯型扩孔钻头，一次完成扩孔施工。甚至有时可以同时完成扩孔和铺管施工。6.2.4.泥浆泥浆的基本组分是现场的淡水，大多数情况下，须在水中添加膨润土来增加钻井液的黏度，钻井液主要用于稳定孔壁、降低回转扭矩和拉管阻力、冷却钻头和发射探头、清除钻进产生的土屑等。因此，它被视为导向钻进施工的“血液”，一般要求采用优质膨润土制备泥浆，有时视地层条件在泥浆中加入适量的聚合物。膨润土主要是由钠高岭石组成的天然粘土。为确保顺利施工，施工时要经常检查泥浆的几个基本性能。配浆用水不同的水所配成泥浆的性能往往不同。所以，配浆是每次都必须检查配浆水的PH试纸进行检测。还可以用PH卷轴纸、PH计和滴定法检测。PH值在89的水使膨润土造浆达到最佳状态，维持PH值最好的方法是加纯碱。添加纯碱控制PH值的好处是减少膨润土的聚合物的用量。提高和保持黏度保持合适的黏度可使钻井液有效地悬浮固相和稳定井眼。施工开始时经常用清水校正马氏漏斗，清水的黏度为27.5s/L，如果水的钻速达到30.6s/L，则漏斗端部往往被堵或缩小。经漏斗或文德里管加入高速造浆率膨润土提高钻井液黏度，可用马氏漏斗来检测钻速。最佳钻速为40.242.3s/L,但有时还取决于用土的类型，当漏斗的筛网上无残余的小片膨润土时，膨润土造浆达到最佳水平，钻井液黏度也将稳定。降低