水平定向钻牵引技术在市政管道工程中的应用

陈永骞 王 杰

（中交广州航道局有限公司， 广东 广州 510000）

0 引言

水平定向钻牵引施工是近年来在市政管道工程中常用的一种方法，根据预先勘探的地质情况，设计出具体钻进、牵引线路，开挖入土井和接收井，然后用装有钻头的钻杆进行逐级扩孔，孔径满足设计规定之后，再卸下钻头装上相应管线回拖，完成管线敷设作业。

与传统明挖回填施工相比，水平定向钻牵引施工是一种不需要大范围开挖土方，不破坏周围环境，就能敷设地下管线。

1 工程概况

某综合管线工程主要服务于某运用库及联合车库内首层部位的污水、排水工程。现场管道总长约2899 米，最长穿越距离200 米。管道地面下有约3～5 米的回填砂质土，其下为淤泥质土；现场存在已完工地梁，地梁顶面标高约为-1.2 米，梁高1.2 米。

2 施工工艺

2.1 工艺流程

图1 水平定向钻牵引施工流程

2.2 钻杆轨迹设计

钻孔轨迹设计合不合理是管道施工能否成功的关键。钻孔轨迹设计主要是依据设计要求、地质情况、地形特点、地下障碍物、钻杆进出土角度、钻杆转弯半径、钻头转向能力、导向监控能力和被敷设管线性能等综合确定。

钻孔轨迹按以下要求设计。①最小覆土深度不得小于设计管径大小的5～6 倍；②管道敷设在现有建筑基础上部时，与基础水平净间距要大于1.5 米；③管道敷设在现有建筑基础下部时，须在持力层扩散角之外。

2.3 配制钻液

钻液是在导向孔钻进时用以混合土屑的一种液体，它可以使切削下来的土屑变成悬浮状态，并与之形成泥浆排出钻孔。泥浆能起到冷却钻头，保护内部传感器、润滑钻杆及管道外壁，减少钻进及回拖阻力、保护孔壁的作用。

2.4 钻导向孔

根据不同地质条件和工程要求，因地制宜地选择适合工程施工的钻机、钻具以及钻进方式，完成导向孔施工，注意监测和控制钻头的钻进。

钻孔主要靠钻机产生的推力、旋转扭矩以及钻液的冲击、压力来完成施工。在牵引距离较长时，由于管道和钻杆较重，施工时与土层间摩擦阻力较大，对钻机的回拖力及扭矩要求比较大。为了保证工程进度和钻孔的质量，在钻进时尽可能一次完成，不要分段钻进。钻机一次性运行时间较长，对钻机的性能也有较高要求。

导向孔施工钻具具有钻孔、变向、通磁和输送钻液的功能。

2.5 回拉扩孔铺管

回拉扩孔铺管时结合地质情况、地下水位以及管道孔径选择合适的回扩钻头，合理配置钻液。

导向孔施工完成后，先将导向钻头和发射器容纳管卸下，接着装上反向扩孔头、旋转接头，将回拉钻杆接在旋转接头上，进行反拉扩孔。根据实际情况选择多级扩孔，使孔径达到管道回拖所需尺寸。

逐级扩孔之后进行管道回拖，在钻杆上接上扩孔头，用以最后一遍扩孔，再接上旋转接头和拉管头并连接PE 管线，然后进行管线回拖。拉管头和PE 管线连接时注意检查其牢固性，防止回拖过程中管线脱落。

2.6 监测与控制

（1）原理

采用先进的导向探测仪对地下钻头的前后倾角、深度、导向板面向角等进行测量，根据测量结果预定其导进方向，并不断地调整钻头面角进行钻进。

钻进过程中，主要通过随钻测量技术获取孔底钻头的有关信息，孔底信号传送的方法采用电磁波法。在导向钻头中安装发射器，通过地面接收器，测得钻头的深度、鸭嘴板的面向角、钻孔顶角、钻头温度和电池状况等参数，将测得参数与钻孔轨迹进行对比，及时纠正。地面接收器具有显示与发射功能，将接收到的孔底信息无线传送至钻机的接收器，以便操作手能控制钻机按正确的轨迹钻进。

（2）钻孔轨迹的控制

A、铺设管线的深度和水平距离；B、避开的地下管线和石块等障碍物；C、钻进角度或出钻角度的弧度变化。

3 与同类型施工比较

3.1 与传统明挖法施工比较

（1）水平定向钻牵引施工

优点：不会阻碍交通，不会破坏绿地、植被，不会影响商店、学校、医院和居民的正常生活，解决了传统开挖对居民生活的干扰，对交通、环境、周边建筑基础的破坏和不良影响；不用开挖沟槽进行管道施工，减少了土方处理的工作量，减少了成本；特别时间短，任务重的情况，选用水平定向钻更为合适。

缺点：水平定向钻施工需要配制泥浆，泥浆存放与运输给文明施工带来一定的负面影响。

（2）明挖回填+钢板桩支护

若管道敷设深度较深，地质情况复杂，可采用明挖回填+钢板桩支护施工。 优点：采用明挖开挖沟槽进行敷设铺管，施工质量容易得到保证。

缺点：明挖+钢板桩的施工方法能起到挡土作用，但开挖加大了土方处理量，增加了挖填土方成本。钢板桩施打、拔除施工周期长，不利于施工进度控制。如果场地有限或既有建筑物较多，插打钢板桩可能会对周边建筑物造成破坏，施工人员人身安全难以保障。

3.2 与非开挖顶管法施工比较

非开挖顶管法施工，虽然不受地面建筑物影响，但是在长距离管线顶进施工过程中，管线容易发生扭曲和变形，可控性较低，一旦管道产生偏移，难以纠正。若管道埋深较深，顶管施工还需设置工作井，安全系数相对较低。

水平定向钻牵引在施工时可控制铺管方向，施工精度高。施工时不需要工作井，节省了占地面积。施工作业在地面上，施工安全性高，对施工人员的人身安全有一定的保障，减少了伤亡事故，更适用于施工场地受限，既有建筑物较多的现场施工。

4 结论

经检测，某综合管线工程水平定向钻牵引施工，井底标高误差、管道闭水试验数值均满足规范要求，通过专家评审，认定合格。

近年来，水平定向钻牵引技术在市政工程中得到广泛应用，随着城市化建设的推进以及一些地区的老城区改造、新交通发展要求，将给水平定向钻牵引技术提供广阔的市场前景。