非开挖水平定向钻技术在施工中的应用

/非开挖水平定向钻技术在施工中的应用第一章前言随着现代文明意识和环保意识的慢慢加强，开挖路面进行各类地下管线施工导致的社会问题，交通问题和环境污染问题已越来越受人民的关注，城市限制开挖施工的法规将接连出台，这里介绍的就是用来进行非开挖施工的水平定向钻穿越施工技术。

接受水平定向钻穿越技术进行管线穿越施工，是城市市政建设和电气化管网改造，通讯光缆敷设和穿越大中小型江河，湖泊以及不行拆迁建筑物的最佳选择，是不破坏地貌状态和爱惜环境的最志向的施工方法。近几年水平定向钻穿越技术在世界各国及各个行业得到了广泛的应用，尤其在环保和市政管网改扩建项目及大型管道穿越江河工程项目上更显出了其独特的优势，其工作过程是通过计算机限制进行导向和探测，先钻出一个和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。其次章水平定向钻穿越施工工艺运用水平定向钻机进行管线穿越施工，一般分为二个阶段：第一阶段是依据设计曲线尽可能精确的钻一个导向孔；其次阶段是将导向孔进行扩孔，并将产品管线（一般为PE管道，光缆套管，钢管）沿着扩大了的导向孔回拖到导向孔中，完成管线穿越工作。钻导向孔要依据穿越的地质状况，选择合适的钻头和导向板或地下泥浆马达，开动泥浆泵对准入土点进行钻进，钻头在钻机的推力作用下由钻机驱动旋转（或运用泥浆马达带动钻头旋转）切削地层，不断前进，每钻完一根钻杆要测量一次钻头的实际位置，以便刚好调整钻头的钻进方向，保证所完成的导向孔曲线符合设计要求，如此反复，直到钻头在预定位置出土，完成整个导向孔的钻孔作业。见图一：钻导向孔。其次节预扩孔和回拖产品管线一般状况下，运用小型钻机时，直经大于200毫米时，就要进行预扩孔，运用大型钻机时，当产品管线直径大于Dn350mm时，就需进行预扩孔，预扩孔的直径和次数，视详细的钻机型号和地质状况而定。回拖产品管线时，先将扩孔工具和管线连接好，然后，起先回拖作业，并由钻机转盘带动钻杆旋转后退，进行扩孔回拖，产品管线在回拖过程中是不旋转的，由于扩好的孔中充溢泥浆，所以产品管线在扩好的孔中是处于悬浮状态，管壁四周和孔洞之间由泥浆润滑，这样即削减了回拖阻力，又爱惜了管线防腐层，经过钻机多次预扩孔，最终成孔直径一般比管子直径大200mm，所以不会损伤防腐层。见图二：预扩孔和图三：回拖管线。导向孔不仅要避开地下管线，而且要留有足够的平安距离。调查地下管线的深度和位置时的数值只是一个估值，有误差，导向测量有差值，扩孔时钻头会自动修直，有差值，三种差值叠加，钻头伤其管线。设计导向孔时，要留出平安距离来抵消三种差值。平安距离一般取1米～1.5米，最少要0.5米。穿越河流时，水面下的导向孔尽量设计成水平孔。水面导向困难，一般接受盲钻或半盲钻。导向孔距离河底面至少3米。水流坡度大，河床易变更，导向孔要加深。穿越铁路时，导向孔距离铁路路基面至少4米，假如扩孔直径大，深度再加深。以确保铁路平安，穿越铁路时接受盲钻或半盲钻。穿越高速公路时，导向孔距离路面至少4米，扩孔直径大，深度应加深。穿越高速公路时接受盲钻，防止发生交通事故。在三层楼层下铺管时，导向孔深度不低于5米，假如扩孔直径大，又是软地层，导向孔深度应加深。在视线不良的地区导向，如居民住宅区、作物区、地势不平地区施工，应在穿越路途设点，用来限制导向精度。其次节导向孔设计留意事项查清地下隐埋物后，在地下管线分布图上设计导向孔曲线。绘制导向孔平面图和剖面图，实际施工时，一般小型工程不绘图，导向员心中有数。导向孔设计必需同时满足三个要求：一是尽量满足甲方要求，二是避开地下隐埋物，三是满足施工工艺要求。导向孔设计不能同时满足上述三个要求，修改导向孔设计方案。无法修改导向孔设计方案，只有修改三个要求。

导向孔设计的重要参数：定点：确定铺管的出入土孔口位置，严格讲要求测量标定铺管出入土点的坐标，备齐完整资料存档。入土角：钻机导轨和地面夹角，即钻头入土角。钻头入土角常取0－220，铺设钢管常取0－120。出土角：钻头钻出地面的斜度。出土角常取0－180，铺设钢管时常取0－80。第三节定向钻进的优点1．泵，保证新铺管线不受损坏；2.不必挖掘工作井，可铺装直径为100mm-1000mm3.钻进设备接受集成式设计，安装快速平安；4.具有最大扭矩和独特设计的钻进系统可应付各种地质，绝无卡钻问题；5.特别设计的形钻头可随时调整钻进的方向、绕避障碍物；6.一体式钻杆可为钻进各种地质供应足够的强度和韧度；7.钻杆自动装卸系统，可使操作效率更高，工作更平安；8.导向定位系统可测至30.5m深度，确保施工路途精确无误；9.施工快速，一次钻进最长可达500米的距离；10.适于铺料各种不同材质工程管线。第四章水平定向钻进中扩孔、清孔、铺管技术难点第一节扩孔技术难点一、卡钻卡钻是扩孔中常见技术的难点，遇到卡钻，分析判明缘由后处理。1、和地下管线相碰卡钻，退出钻头，拖回钻杆，钻机移位，重做导向孔。2、杂填土中的砖块、石块卡钻：松脱扭矩，转动钻头，缓慢扩孔；杂填土中的大块石、混凝土块卡钻：设法退出钻头，钻机移位重做，或者挖出石块，接着扩孔。切莫蛮干，否则会扭断钻杆，将钻具丢失孔内。3、大直径钻头扩孔，遇到硬粘土层，造成频繁卡钻，放慢扩孔速度，加大泥浆量，有时回拖一根钻杆，须要40分钟。4、钻头和树根相遇卡钻，松脱扭矩，缓慢回扩，通过树根后又给进重新回扩，将树根粉碎，以防铺管时有障碍。二、缩径软土层扩孔，孔内简洁产生缩径现象。钻杆卸下后，孔内水从钻杆倒流出，说明孔内严峻缩径。缩径严峻时，被铺管会受到挤压变形，甚至卡死被铺管。遇到严峻缩径，选用固相泥浆护壁，使孔内压力平衡，保持成孔。或加大一级钻头扩孔，再清孔铺管。选用硬度较高，抗侧压力强的PE、PVC管材。假如略微缩径，一般多清一次孔即可铺管。三、坍孔沙质粘土层、沙层、松散回填土层扩孔易坍孔，坍孔埋钻、卡钻、卡死被铺管，造成路面裂缝下陷。选用固相泥浆、重胶质固相泥浆护壁，可有效地防止坍孔。假如是块石积累处坍孔，只有将块石清除后方可接着扩孔。四、钻孔膨胀黏土层，昔格达底层遇水膨胀：在这类地层钻孔铺管，成孔后，孔内土层膨胀，孔内泥屑增多，孔径变小，被铺管易拉扁。选用优质无固相护壁，泥浆失水少，削减孔壁和水接触。扩大一级扩孔，多清两次孔，可有效防止地层膨胀，挤压铺管。五、泥浆漏失在松散的回填土层，地下水位较低，沙质粉土层、粉土层、沙层、河床底的软土层，沙层扩孔。泥浆不从孔口返出，而从孔内漏失，增大泥浆浓度和粘度，在孔壁形成泥皮阻漏，有效地防止泥浆漏失。在穿越河流时，泥浆漏失而又无法阻漏就顺其自然。六、扩孔效率钻机的扭矩越大转速越高，扩孔效率越高，在钻机的额定扭矩和转速条件下，扩孔效率和被扩孔土层，扩孔钻头，扩孔泥浆质量和泥浆量有干脆关系。要提高扩孔效率，必需搞清楚土层结构和土质成份，选择适应切削该土层的高效钻头，调配好适应当土层的泥浆和合理泥浆量，进行扩孔，扩孔效率高。其次节清孔技术难点一、泥浆渗出在扩孔回拖铺管时，常见泥浆从孔中渗出地面。泥浆渗出的缘由，一是扩孔铺管孔中残留泥屑过多堵塞钻孔，泥浆无法从孔口返出，泥浆在孔中形成高压而从地面渗出。二是地层松散，给泥浆留出通道，泥浆顺其通道渗出地面。一般的状况泥浆从地面渗出无关紧要，在一些特定的环境中要特别留意，泥浆不行以从居民房中渗出，不行以从养鱼、养虾、养蟹池中渗出。防止泥浆渗出措施是增加钻孔深度，原设计深度6米可增加至9米，原设计深度9米可增加至12米。改善钻头结构，尽可能将钻孔中的泥屑搅成泥浆，同时适量增大泥浆的粘度、浓度和流量，增加泥浆的护壁、悬浮和排屑实力。钻孔中形成完整通道，泥浆畅通无阻地从孔口返出。二、停钻不停泥浆在回拖铺管过程中，经常因各种缘由要停钻，如中途焊接管，中途修补防护层，市政干扰。要停钻回拖铺管，停钻不能停送泥浆，让泥浆在孔内接着循环，防止增加被铺管回拖力，防止埋管。尤其是沙质地层，停钻更不能停泥浆。假如被迫停泥浆，在停钻前送入又粘又浓的泥浆，再停送泥浆，重新钻后，开泵送泥浆特别钟，泥浆从孔口返出良好后，再回拖铺管。第三节铺管技术难点一、流沙流沙层扩孔，孔扩后不能形成完整的孔，而且流沙具有吸附力特性，给被铺管造成阻力。选用重胶质固相泥浆，放慢回扩速度，让泥浆和流沙充分乳化，流沙悬浮孔内，消退流沙吸附力。在铺管时，流沙随泥浆从钻孔中流出。二、管子变形黏性强的地层扩孔，粘土形成块状残留在孔内，很难把它搅成泥浆。铺管时，泥块积累挤压，管子受挤压变形。铺管前多清一次孔再铺管。管子变形量少，试通合格。管子变形量大，拖出管子修复，不能修复作报废处理。三、管子卡死孔内残留的泥块多，坍孔，缩径易造成被铺管子卡死在孔内。在卡死前，回拖压力表逐步上升，见到表针上升时，暂停或放慢回拖速度，加大泥浆量，可避开管子卡死。管子卡死后，调推土机、挖土机将管子拖出。重新清孔铺管。第五章工程实例工程概况杭州群龙非开挖工程有限公司承接湖南星大建筑股份有限公司在东莞市石碣镇崇焕东路拟建的东莞市石碣镇沙腰汗水处理厂载污主干管工程，辅设ф500PE（外径为ф580mm）管333米。杭州群龙非开挖工程有限公司是特地从事地下管线非开挖铺管工程技术施工的企业，现有二台ZT-25型钻机，能承建φ1000mm以下的钢管和PE管的水平导向敷管工程。我公司运用此项技术已在上海、深圳、安徽、山东、特别是杭州各城市完成约六万六千多米地下管线的敷设工程，取得了显著的社会效益和经济效益。该工程主要通过的地层为：0-2.3米为人工填土，湿,松散,主要由粘土回填，上部含有少量的建筑垃圾，局部含有少量生活垃圾，上部20厘米左右为混凝土路面；2.3-3.7米为粉质粘土，很湿,可塑状,以粉细粒、粘粒为主，含少量粉砂;3.7-8.0米为细砂、中砂，饱和，松散，颗粒匀整，分选性差.二、施工技术方案5.2.1运用英国雷迪公司RD4000-T10型管线仪，在所辅管施工范围内，对地下原有管线的位置、走向、深度进行探测。探测方法：经过踏勘找出全部可能涉及到的管道井盖，工作人员首先打开井盖，下井视察管线大致状况如走向等，然后用管线仪放射器连接所要查的管线，地面用管线接收机接收信号来确定管线的位置、走向及深度同时作好记录并画出管线草图。A9-3号井有一条底深2米的污水管道和拟设路途垂直交叉，A9-8、A9-7井位和原有雨水管道重合，A9-6、A9-5、A9-4、A9-3井位此同时离原有雨水管道边缘均小于20厘米。5.2.2管线查清后，参照管线图纸进行钻孔轨迹设计。依据设计要求，然后开挖工作坑。入土工作坑大小约为3m（长）×1.5m（宽）×1.5m（深），出土工作坑大小为5m（长）×1.5m（宽）×1.5m（深）以便下钻，靠钻机一头的检查井大小为3m（长）×3m（宽）×3.6m(深)（工作坑的开挖深度一般和上下游节点拟辅管道的设计深度吻合。如工作坑的深度超过3.6米应实行支护。5.2.3先导孔的施工是整个工程施工的关键阶段，它确定管线穿越位置的科学和合理性，必需要考虑到Φ580mmPE管的物理特性及最小弯曲半径。为了拉管时管头能顺当入孔，因此导向的出土角应限制在15度以内，而入土角也不宜过大，应为限制在18度左右。因扩孔直径为900mm且大曲率半径钻进（非开挖施工聚乙烯管道的最小弯曲曲率半径一航为100-300D），又由于施工处地质比较志向，因此管材的最小弯曲曲率半径设为185D即126米。钻导孔时，以不损坏路基路面、原有管道和影响交通为前提，钻孔轨迹依据查完管线之后的实际状况进行设计。φ580PE管的弯曲曲率半径按185D即126m序号穿越深度（m）曲率半径（m）所需水平距离（m）出入口斜度（%）出入口角度（°）11.0012615.812.77.221.5012619.415.68.832.0012622.418.010.242.5012625.020.211.453.0012627.322.212.563.5012629.524.113.574.0012631.525.814.484.5012633.427.515.395.0012635.129.016.2105.5012636.830.616.9上表是以实际可以施工的最小曲率半径结合出入土处和最深处管位设计标高为依据得出的最小水平距离。1．靠近钻机一侧要求管位和地面的高差为3.2米，由于实际辅设段要求是水平的，另外一侧的高差也差不多，即从接收井到地表须要至少28米的水平距离造斜才能符合管材的弯曲要求，因钻机一侧到放射井之间不须要辅管，因此这段的水平距离可适当减小即2．由于施工须要避开原有雨水管道，拟设的污水管道宜向南移1.5米左右，又由于A9-2和A9-3设计井位间距约6米，为了使其能以最小的间距连接，宜从A9-4号井向南缓移至A9-2井，即A9-3号井会在绿化边缘。但在水平方向弯曲时须按相应的弯曲曲率半径进行水平造斜，因中间段地面起伏不大，因此须要在施工前每隔10米设一个测点（量出管位的设计高程）即可，导向时每3米测定一次，严格依据设计标高导向。３．在辅管完成后，管在孔内是紧贴上壁的，即管中心标高会高于导向标高，因此导向时就相应加深0.45-0.29=0.16米，由于管线实际穿越地段为粘土，在扩孔及拉管阶段中心标高上台的可能很小，所以导向标高严格按设计的深度进行施工。依据设计，接受进口仪器美国DCI公司月蚀型定位系统对导向孔钻进精确定位。详细操作中，对钻头定位要进行多点测量，要求每3米测定一次深度，照实际位置及深度偏离支配轨迹需进行纠偏时，应进行多点测量即每1米测定一次；限制好钻孔轨迹的走向，并使之和设计轨迹相吻合；曲线段的纠斜，要依据钻头面对位置及倾角变更值，角度变更不应太大；运用相关软件及阅历数据，刚好计算和预料出纠斜钻孔位置的变更；小角度钻进及水平钻进段，可依据倾角变更适当增加测点距离；通过原有地下管线时，测点要精确，当深度和倾角和设计轨迹不符合时，应立刻实行相应措施，确保钻孔按预定轨迹出土。5.2.4a、泥浆用量计算每米钻孔的泥浆体积立方数V＝0.785*(D2－d2)*系数化学泥浆添加剂总用量T＝t*V说明：进行不同钻头直径回扩时的泥浆用量应累加V--需用泥浆体积（立方米）D--大回扩器的直径（米）d--小回扩器或导向孔的直径（米），在用同始终径回扩器进行多次回扩时，取d＝0系数--1.5至3（依据土质、管径、长度、回扩次数等选用）T--化学泥浆添加剂总用量（kg）t--每立方米水中加入的化学泥浆添加剂参考用量（kg）b、泥浆的配制工序第一步，在抽用的清水里加确定比例（0.1-0.2%）是纯碱软化水其次步，加入确定比例的膨润土，用机械搅拌使其充分溶于水，且完全分散，一般需搅拌20分钟左右。第三步，加入确定比例的添加剂搅拌3-5分钟即可运用。5.2.5导向孔施工完毕后，在出口位置将导向钻头拆下，换上扩孔钻头，分级多次将钻孔扩大到须要的孔径：第一次宜用D300的回扩头进行扩孔，其次次用D500的回扩头扩孔，第三次用D700的回扩头扩孔，第四次用D900扩孔；第四次用D900清孔。扩孔时冲洗液接受优质膨润土泥浆，并运用钻液宝（液体Drispac聚合物）添加剂，保证孔壁完整、光滑；因在扩孔完后会有粗粒的砂沉于孔底，减小的孔的有效直径，因此应适当增加泥浆比重，提高泥浆粘度；同时增加钻杆转速，适当减小拉力，即实行快转慢拉的方式回扩。5.2.6扩孔施工完成后，将PE管焊接好且经强度试验和气密性试验。然后进入拉管施工，拉管时，由于钻机停放在路边无法固定，须用挖机拉或顶住钻机。一边拉管一边向孔内加注优质泥浆充溢孔隙及护壁，并防止泥浆对地层的冲蚀作用，而造成孔壁坍塌；回拉管线的拉力尽可能保持和扩孔拉力的平衡性，实行快速回拉的方法，提高铺管效率。拉管完成后需抽掉井内泥浆拆掉拉管头。拉管完成后清洗两头泥浆，余土刚好运走。5.2.7管的重力为:G=ρ管gv管在孔中的浮力为:F浮=ρ泥浆gv排管所受的侧摩阻力为:F摩=(F浮-G)×f1管子回拖时的粘着力为:F粘=31.4×D×L×f2管子回拖的同时扩孔的阻力为:F扩=62.8×D拉管时管道承受的最大拉力为:F管=F粘+F扩拉管时钻机施加的最大拉力为：F总=F粘+F扩+F摩ρ管-PE管的密度（千克/立方米），所用管材的密度为0.93*1000千克/立方米ρ泥浆--泥浆密度（千克/立方米）v排--管材排开泥浆的体积（立方米）f1—D--管材的外径（米）L--管材长度（米）g--9.8N/kg以上力的单位均为KN设备状况1、工程施工的主要设备——钻机接受ZT-25型非开挖铺管钻机，其主要技术性能指标为：主轴转速（在额定扭矩和负载下）┄┄┄0~100rpm主轴扭矩┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄0~8000Nm回拖力┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄250kN给进力┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄250kN给进行程┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄3.3m角度调整┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄8~20°钻机动力┄┄┄┄康明斯柴油机：125KW/2400r/min泥浆泵流量┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄250升/分钻杆长度┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄3.00m钻杆接头直径┄┄┄┄┄┄┄┄┄83mm钻杆管直径┄┄┄┄┄┄┄┄73mm2、定向导向仪器接受英国雷迪公司RD4000T-10型定位系统.3、其他设备、仪器5KW发电机┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄一台污水泵┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄二台塑料管道热熔对接机┄┄┄┄┄┄一台25吨汽车┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄一辆指挥车┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄一辆地下管线探测仪┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄一套月蚀导向仪┄┄┄┄┄┄┄┄┄一套经纬仪┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄一台施工组织及工艺流程设备进驻工地前，首先要对施工现场进行勘查，对地下原有管线的走向、埋深，管径确定详细位置，对不明管线应找有关单位进行核实，确保原管线平安。设备进场后，要精确定位钻机，依据设计要求有步骤地完成每一道工序。1、施工工艺流程：以上各工序详细状况在施工技术方案中已做阐述。2、人员组成：依据工程需求及以往施工阅历，组建施工队伍，岗位设置如下：项目经理：工程总负责技术负责：负责施工技术问题机长：组织、参和生产仪器员：导向及操作仪器安全员：负责质量及平安工作钻工5人钻机操作、修理施工质量保证措施1、质量保证体系：项目经理工程师机长钻工维修工2、质量保证措施：1）现场勘查、测量要细致、细致，确保施工的平安和质量；2）先导孔每钻进3.0米测量一次，若发觉偏差刚好调整，并增加测量次数，以确保先导孔在设计范围内；3）各岗位人员要严格履行自己的职责，并相互协作，尤其司钻和仪器导向人员，司钻应严格依据导向人员的指令进行操作，遇到异样状况刚好停钻，和有关人员探讨确定，不得擅自主见；4）扩孔时逐级扩孔，细心配制泥浆，确保成孔质量；5）拉管结束后，管头两端刚好封堵，防止杂物落入；泥石碎屑应刚好处理；6）参加施工人员细致学习施工技术规范等有关文件，增加质量意识；7）施工前对操作进行交底，强调质量标准和质量要求；8）强化质量保证体系，由项目经理全面负责质量管理工作，全部施工人员主动协作，细致作好施工记录，保证每一道施工工序严格按设计规定要求进行。施工进度项目总共施工时间为17天A9-5至A9-9段116米7A9至A9-2段110米5A9-2至A9-5段107米5文明施工及平安留意事项1、施工人员要细致学习有关文件，强化平安质量意识，严格按质量标准办事；2、强化质量保证体系，由项目经理全面负责质量管理工作，全部施工人员要听从平安质检员的叮嘱，各岗位细致作好工作记录，严格按施工工艺规范进行；3、严格执行平安生产制度，平安员跟班现场检查，发觉担忧全因素刚好解决；4、分工明确，统一信号，专人负责电器电路，全部非电人员不得随意乱动；5、各设备、仪器要科学维护、保养，遵守平安操作规程；6、工作坑四周设围栏，夜间设标识；7、严禁工作时间内喝酒及酒后作业；8、施工时加强对边坡的支撑和检查；9、在水上作业探测人员必需准备救生圈，仪器设备必需系好平安绳，防止掉入水中；10、实行文明施工，削减工地四周的环境污染。淤泥、渣土合理堆放，保持清洁卫生。第六章实习心得时至今日，我在杭州群龙非开挖工程有限公司有限公司实习的时间已2个月，在我的实习期即将结束之际，回想起在公司走过的日子，在无限感慨的同时觉得收获颇丰。从我的实习过程来看，我有以下心得体会：一、刚接触一样新东西，要有信念把它做好，不要退缩。其实再难的事只要有信念，肯用