水平导向钻进法施工1 概述水平导向钻进法是一种能够快速铺装地下管线的方法。

它的主要特点是, 可根据预先设计的铺管线路, 驱动装有楔形钻头的钻杆按照预定的方向绕过地下障碍钻进, 直至抵达目的地。

然后, 卸下钻头换装适当尺寸的扩孔器, 使之能够在拉回钻杆的同时将钻孔扩大至所需直径, 并将需要铺装的管线同时返程牵回钻孔入口处。

水平导向钻进的钻孔轨迹可以是直的, 也可以是逐渐弯曲的。

在导向绕过地下管线等障碍物,或穿越高速公路、河流和铁路时, 钻头的方向可以调整。

钻孔过程可在预先挖好的发射坑和接收坑之间进行, 也可在地表发射, 以小角度直接从地表钻进。

工作管或导管的铺设通常分两步进行。

首先是沿所需的轨迹钻导向孔, 然后回扩钻孔加大孔径以适应工作管的要求, 见图1。

图1 水平导向钻进施工方法在复杂地层条件下、或孔径需增加很大时, 可采用多级扩孔的方法将孔径逐步扩大。

坑内发射钻机固定在发射坑中, 利用坑的前、后壁承受给进力和回拉力。

地表发射钻机将钻机锚固在地面上。

多数水平导向钻机采用钻进液润滑钻头、输送钻屑回工作坑和稳定孔壁, 也有些钻机采用干式钻进。

干式钻机施工导向孔时采用钻头上的高频气动锤钻进。

水平导向钻进法的优点主要表现在：特殊设计的回程扩孔器和泥浆混合泵, 保证新铺管线不受损坏；根据施工现场条件, 可以不挖掘工作井,能铺装直径为51mm～1000mm 的各种材质的管线；钻进设备采用集成式设计, 安装速度快；钻进系统适用各种地质, 不会出现卡钻情况；特殊设计的楔形钻头可随时调整钻进方向, 绕避障碍；一体式钻杆可为钻进各种地质提供足够的强度和韧度；钻杆自动装卸系统, 可使操作效率更高, 工作更安全；导向定位系统可测至30 多米的深度, 确保施工路线准确无误；导向钻进长度可达600m。

水平导向钻进过程受三维控制, 它通过钻杆和一个特殊设计的楔形钻头的旋转钻进完成线性前进, 当需要改变前进方向时, 只需暂停钻杆的旋转并将钻头的楔形固定在相应的位置上即可。

在进行水平导向钻进前, 首先要根据实际钻进需要、工程地质情况等绘制总设计图, 即钻孔曲线图。

在钻进时, 要让钻孔路线尽可能保持直线, 以简化作业并减少钻孔时间和成本。

需要特别注意的是曲线弯度不要小于钻杆的最小弯曲半径。

如果曲线弯度过小, 钻杆会永久弯曲或断裂。

在钻进过程中需经常进行纠偏, 纠偏所需的钻进长度取决于工程地质状况和所用的导向板。

根据需要尽可能平繁地停止钻进进行纠偏, 以确保钻孔路线准确。

2 结构原理目前, 在非开挖施工技术领域进行水平导向钻进, 常用的进口设备由美国及德国生产。

本文以美国威猛牌D33×44 型水平导向钻机为例, 简要介绍水平导向钻机的结构原理以及施工情况。

D33×44 型水平导向钻机的最大扭矩为5957Nm,装有一套189L/min 的钻液供应系统, 具有14969kg的回拖力, 主要组成部分是定位设备、钻机和泥浆混合系统。

钻机是设备的主体, 它包括动力装置、钻架、钻杆和钻头等。

主要技术参数如下：最大主轴扭矩 5957Nm实际回拖力 14969kg发动机功率 93kW最小钻进孔径 89 mm最大扩孔直径 600mm钻杆最小弯曲半径 33m2.1 导向定位系统给钻头定位的能力是成功完成钻孔任务的关键。

定位不当会导致偏离预定的目标。

多数水平导向钻进技术要依靠准确的钻孔定位和导向系统。

导向系统有几种类型, 最常用的如“手持式”系统, 它以一个装在钻头后部空腔内的探测器为基础。

探头发出的无线电信号由地面接收器接收,除了得到地下钻头的位置和深度外, 传输的信号还包括钻头倾角、斜面面向角、电池电量和探头温度。

这些信息传送到钻机附属接收器上, 以使钻机操作者可直接掌握孔内信息, 从而据此作出必要的轨迹调整。

2.2 泥浆泵流量为189L/min 的随机泥浆泵, 可为大孔径回扩及时提供充足的泥浆、增加回扩的效率；安装有一个内置流量表使用户能随时监测泥浆流, 以便为安装新管提供最佳的孔道环境。

2.3 钻杆钻杆是无焊缝钻杆, 具有极强的可控性和可靠度, 可以随着钻头方向的变化, 适时改变潜行的角度。

有足够的轴向强度承受钻机给进力和回拖力, 足够的抗扭强度承受钻机施加的扭矩, 足够的柔韧性以适应钻进时的方向改变。

2.4 自动装杆系统钻机配置有钻杆自动装卸系统, 定长的钻杆装在一个“传送盘”上, 随钻进或回扩的过程而自动从钻杆柱上加、减钻杆, 这种操作与一个自动的螺纹拧紧和卸开装置配合进行。

加快了施工速度、提高了施工安全和减小了劳动强度, 从而降低成本。

2.5 钻进液钻进液俗称“泥浆”, 其作用是润滑钻头, 减少磨损；软化地层, 易于钻进；携带碎屑返回工作坑；在回扩过程中稳定孔壁；在回扩和拖管时润滑管道。

2.6 扩孔器扩孔器（如图2）的作用是分步将导向孔扩大至终孔所需的尺寸以便安装管道。

扩孔器上装有碳化钨合金齿和喷嘴, 其后部有一个旋转接头与工作管的拉头相连。

铺设小直径的管道、导管或电缆线, 可使用直接连接在钻杆上的镶有碳化钨合金齿的锥形扩孔器, 铺设大直径管道, 采用气动锤扩孔器, 同样在其后部用旋转接头连接管道。

此时对扩孔起主要作用的是气动锤扩孔器的冲击作用, 而不是钻机的回拉力, 而且回扩过程中也无须回转。

图2 扩孔器2.7 气动岩石钻孔工程地质情况不同, 选用的钻头和采用的钻进方法也不相同。

气动岩石钻（见图3）设计成使其在不施加向前的压力时让空气流过钻头的排气孔。

当大于360kPa 的推力施加于钻头时, 岩石钻开始工作。

当岩石钻内的冲击器打击钻头①的后部时,能量被传递到硬质合金刀头。

硬质合金刀头依次打击岩石, 产生切削。

图3 钻头岩石钻必须与泡沫输送系统一起使用。

必须特别注意切屑的大小, 因为泡沫所能承载的切屑尺寸是有限的。

切屑尺寸过大会使得切屑沉降而非悬浮, 而且会聚集在钻头的后面, 最终会导致难于从孔洞中拖回岩石钻。

2.8 辅助设备辅助设备在水平导向钻进施工的成功中起着重要的作用。

包括聚乙烯管焊接机、管道支护滚筒和电缆牵引器以及用于聚乙烯管的拉头等。

拉头的作用是防止钻进液或碎屑进入工作管道, 这对铺设饮用水管, 确保其无毒特别重要。

旋转接头是扩孔和拉管操作中的基本构件, 能防止泥浆和碎屑进入轴承。

在实际使用中, 也有使用“断路式接头”保护工作管, 该接头上有一系列在预定载荷下断开的销钉, 可根据工作管的允许拉伸载荷断开接头。

3 施工管理3.1 施工前准备熟悉施工图纸, 领会设计意图, 在现场调研的基础上, 编制切实可行的施工方案, 制定出完善可操作的各种技术措施, 深入现场进行实际勘察, 使用GPR 探地雷达系统探测各种地下交叉管线及障碍物的埋深及走向, 确定管线的中心走向；解决用电, 落实施工和生活用水、保证施工范围内的道路畅通；准备材料、设备和仪器, 包括导向钻机、钻具、泥浆搅拌机、导向仪器、全站仪、热熔焊机或电焊机、运输车辆、管材等。

3.2 施工方法地表发射钻机通常为履带式, 铺设新管时不需要发射坑和接收坑, 但管线连接时仍需要开挖。

坑内发射钻机在钻孔的两端都需要挖坑, 但可在空间受限的地方操作。

因此, 应根据钻机和设计要求选择相应的施工方法。

3.2.1 导向钻孔施工根据已探测的管线情况及地质情况, 设计钻进路线, 利用经纬仪确定钻进方向及确定泥浆配比。

在工作场地整理完成后, 按照设计顺序准确安装导向钻机, 孔位对正, 安装牢固, 管路连接准确无误。

导向仪器严格遵守使用技术规程, 正确安装,细心调试, 直到精度测量误差小于10cm 为止。

配置泥浆, 准备钻进施工。

膨润土／水的混合物是常用的钻进液。

由于钻孔位置要求严格, 在每一根钻杆钻进过程中, 都必须严格控制钻进参数。

地表测量要严格遵守测量技术规范, 准确测量各项参数（深度、轨迹方向等）, 及时与司钻人员联系沟通, 确保钻孔施工准确无误。

钻孔施工中要及时进行纠偏, 纠偏遵守“勤纠少纠”的原则。

在钻进最后10m 时, 严格控制钻进参数, 确保靶位准确无误。

导向钻孔严格按设计轨迹施工。

3.2.2 扩孔、拉管a. 按照设计要求进行扩孔。

b. 成孔后, 通过分动头拉PE 管或钢管。

根据场地条件, 确定PE 管或钢管的长度, 采用热熔焊或电焊连结, 边拉边焊。

c. 施工完的管路两端出露符合要求。

施工流程见图4。

图4 导向钻孔回扩及铺管施工流程3.3 质量管理a. 严格按照设计图纸、施工规范以及业主、监理的质量标准进行质量管理。

b. 强化施工技术管理及其各方面的规章制度和措施。

c. 对各道工序和各种工艺操作进行施工技术交底。

并作好钻机轨迹记录及施工记录。

d. 严格把好质量关, 搜集各类质保单, 作好规定的原材料试验。

e. 对导向孔轴线, 标高等实行专人测量, 专人复测, 并经业主及监理复测认可。

f. 内业资料尤其是质量验收资料应与实际施工同步进行, 由专人保管。

g. 导向孔质量标准：导向孔的轴线最大偏差控制在10cm 以内。

4 施工应用北京市两处10kV 电力电缆改移工程。

由于原电力电缆线路是横穿京津公路的架空线路, 与在建的地铁八通线工程标段中一需建的轻轨高架桥施工相冲突, 为避开轻轨高架桥, 必须将原架空电力线路改为地下穿越。

依据现场条件, 根据工程要求, 采用非开挖水平导向钻进成孔铺设施工方法, 铺设3＋3 根φ225PE 管作为穿越套管, 然后在套管中穿入电力电缆即可完成电缆地下穿越的目的。

4.1 主要工作量施工沿线管线探测800m2；开挖导向作业坑4个；施工导向孔两个, 孔径为φ89mm, 长约160 延米；扩孔三次, 孔径分别为φ300mm、φ500mm、φ710mm, 共480 延米, 成孔直径为φ710mm；铺设φ225 PE 管6 根, 长504 延米。

4.2 工程特点成孔孔径较大, 扩孔次数较多；整个过程由地面进入地下3.5m 再出地面, 成地下三维曲线。

由于要避让既有管线, 故轨迹变化施工段的距离较长,施工复杂;为了避开公路两侧的既有管线, 铺设管线定位精度要求高;所穿越的地层为京津公路下的杂填地基;铺设套管与路基间可施工空间少。

4.3 工程地质情况该工程由中隧集团公司北京非开挖公司承建（地质情况见表1）。

采用威猛公司D33×44 型水平导向钻机施工。

从施工准备、导向钻进、扩孔拉管到设备撤离, 仅用几天时间, 非常成功。

表1 工程地质情况深度（m）土层0～1.6 回填土1.8～4 杂填土＞4 原始土5 结束语近年来, 在非开挖技术行业中, 水平导向钻进是主要的增长点, 由于设备能力的改善, 其优越性愈加明显。

随着人们生活水平的提高, 环保意识的增强, 对文明施工的要求越来越高。

特别是城市建设步伐的加快以及城市功能的提高, 要求工程建设装备和施工工艺不断改进和提高,“大开膛”式的施工方法愈来愈不适应形势发展的要求。