王洪培

（河北省水利工程局市政工程處，石家莊050021）

水平定向鉆（HDD）施工技術(shù)是20世紀(jì)70年代興起的一種非開挖管道鋪設(shè)技術(shù)。我國從20世紀(jì)90年代引入了這一施工技術(shù)，隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，水平定向鉆施工技術(shù)在供水、天然氣、電力、電訊、石油等市政管道工程中的應(yīng)用日益廣泛，充分發(fā)揮了其環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、安全、快速等施工優(yōu)勢。

1 發(fā)展與應(yīng)用

在非開挖技術(shù)行業(yè)中，水平定向鉆進(jìn)是主要的增長領(lǐng)域之一。傳統(tǒng)的水平定向鉆進(jìn)主要應(yīng)用于石油、天然氣、自來水、電力與電訊電纜導(dǎo)管鋪設(shè)。近年來隨著設(shè)備性能和施工技術(shù)的快速提高，水平定向鉆進(jìn)鋪設(shè)管道在大口徑、長距離輸水工程上得到了廣泛應(yīng)用。目前在均質(zhì)土層的條件下，我國水平定向鉆進(jìn)最長的穿越距離為2308m （鋪設(shè)管徑2730mm）。在雜填土、砂卵礫石層、冰漬層和硬巖層的穿越也有較大的技術(shù)突破。與其他施工方法相比較，其對環(huán)境影響最小，且道路不斷交，河道不斷流，許多情況下費(fèi)用更低，工期更短。

2 水平定向鉆進(jìn)穿越鋪設(shè)管線的實(shí)際應(yīng)用

南水北調(diào)中線干線工程配套工程某項(xiàng)目，運(yùn)用水平定向鉆進(jìn)穿越鋪設(shè)管線施工技術(shù)，取得了良好的效果。該項(xiàng)目水平定向鉆進(jìn)穿越鋪設(shè)管線長度1200m（管徑DN1200，壁厚22mm）。水平定向鉆進(jìn)穿越地帶為防洪堤、河道、公園、高速公路。

2.1 平面布置

根據(jù)設(shè)計(jì)提供的平面地形圖并經(jīng)復(fù)測后，確定水平定向鉆進(jìn)的入土點(diǎn)、出土點(diǎn)。水平定向鉆進(jìn)穿越平面如圖1所示。

圖1 水平定向鉆進(jìn)穿越平面示意圖

2.2 線路確定

根據(jù)管線鋪設(shè)長度和管徑焊接彈性曲率半經(jīng)實(shí)際要求。將出土點(diǎn)設(shè)在防洪堤及民宅以東方向。該出土點(diǎn)處于開闊的麥田，麥田為噴灌，地下密布不同管徑的管網(wǎng)，若采用挖發(fā)送溝回拖管線將破壞大量的地下噴灌管網(wǎng)，造成臨時(shí)占地補(bǔ)償費(fèi)用的增加。為減少工程投資和不破壞耕地和地下管網(wǎng)，在回拖管線時(shí)采用吊車排列式進(jìn)行發(fā)送。

3 水平定向鉆進(jìn)穿越管線鋪設(shè)施工設(shè)備

3.l 施工機(jī)械設(shè)備的選擇

穿越層為砂土及中砂，且含有少量礫卵石層。按水平定向鉆進(jìn)穿越長度及管徑尺寸，決定采用XZ5000型水平定向鉆機(jī)。

XZ5OOO型水平定向鉆機(jī)主要性能參數(shù)：最大擴(kuò)孔直徑2000mm，最大頂進(jìn)/回托力5000/5000KN；泥漿流量3000L/min；最大泥漿壓力200bar；發(fā)動機(jī)功率394kW/1800×2；

3.2 XZ5000水平定向鉆機(jī)主要技術(shù)特點(diǎn)

（1）設(shè)備機(jī)械化程度高，結(jié)構(gòu)布置合理，整體性好。

（2）結(jié)構(gòu)簡單易于操作，可控性強(qiáng)，有足夠的回轉(zhuǎn)扭矩和四拉力。

（3）鉆機(jī)傾角可調(diào)，適應(yīng)不同鋪設(shè)管線設(shè)計(jì)深度和不同施工場地條件。

（4）易于隨時(shí)監(jiān)測鉆進(jìn)方向，調(diào)整孔內(nèi)鉆頭，控制鉆進(jìn)軌跡。

3.3 水平定向鉆進(jìn)穿越管線鋪設(shè)施工特點(diǎn)

（1）精確性。拖管軌跡準(zhǔn)確，隨時(shí)可確定鉆進(jìn)位置及埋深。

（2）鋪管速度快施工周期短，不阻礙交通及河道輸水，不污染環(huán)境。

（3）管線鋪設(shè)質(zhì)量高。由于基本沒有破壞原有土質(zhì)結(jié)構(gòu)，無須進(jìn)行地下水防范和軟土層的加固措施，避免了土壤沉降過程對管道的應(yīng)力破壞。

（4）具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。管徑越大，埋深越深，穿越長度越長，地上建筑物多且周邊環(huán)境越復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)效益越顯著。

4 水平定向鉆進(jìn)工序及工藝

4.1 施工工序

施工準(zhǔn)備→施工場地布置→測量放線→設(shè)計(jì)鉆進(jìn)軌跡→場地道路修整→設(shè)備材料進(jìn)場→設(shè)備安裝調(diào)試→管節(jié)擺鋪焊接→無損撿測→試壓→防腐處理→鉆導(dǎo)向孔→擴(kuò)孔→挖發(fā)送溝灌水→管道回拖→管線穿越完工驗(yàn)收。

4.2 施工工藝

鉆導(dǎo)向孔→導(dǎo)向監(jiān)測→分級擴(kuò)孔→泥漿配合比調(diào)試→管道入發(fā)送溝→回拖器連接→管道回拖鋪設(shè)。

5 施工準(zhǔn)備

5.1 查勘現(xiàn)場

復(fù)測入土點(diǎn)、出土點(diǎn)的標(biāo)高和水平距離，對穿越現(xiàn)場周圍建筑物、地形地貌、河床、交通道路、地質(zhì)狀況、水源、地下電力、電訊、供水、油氣等地下管線進(jìn)行查勘。

5.2 編制施工方案

根據(jù)施工圖紙，設(shè)計(jì)文件，有關(guān)規(guī)范及規(guī)程，現(xiàn)場實(shí)際與工程特點(diǎn)，編制施工方案和作業(yè)指導(dǎo)書。

5.3 水平定向鉆進(jìn)軌跡的施工設(shè)計(jì)

定向鉆進(jìn)軌跡由曲線段和直線段組成，曲線段作為鉆孔的一部分，既要保證鋼質(zhì)鉆桿在其中受到復(fù)雜應(yīng)力時(shí)的工作安全，又要保證管道回拖時(shí)受力安全。根據(jù)地質(zhì)情況，場地條件，河流與道路穿越安全要求，根據(jù)鉆桿的曲率半徑、管道的允許曲率半徑（常用為R=1500Dn），根據(jù)鉆頭方位角、工具面向角，計(jì)算入土角、出土角，確定鉆進(jìn)曲率半徑軌跡線路，并依據(jù)地貌及地下設(shè)施位置，制定水平鉆進(jìn)軌跡。根據(jù)鉆頭變向能力，所鋪設(shè)管道的性能等，設(shè)計(jì)出最佳鉆進(jìn)軌跡。確保施工安全和穿越成功。

5.4 測量放線

測量人員根據(jù)交接樁記錄，進(jìn)行施工測量放線，對入土點(diǎn)、出土點(diǎn)設(shè)置控（標(biāo)）志樁，在穿越中心線上，每隔9.6m設(shè)置一個(gè)控（標(biāo)）志樁。

5.5 設(shè)備及控向系統(tǒng)調(diào)試

設(shè)備進(jìn)場安裝后，進(jìn)行系統(tǒng)連接調(diào)試運(yùn)行，嚴(yán)格按控向系統(tǒng)調(diào)校程序?qū)Χㄎ幌到y(tǒng)進(jìn)行調(diào)校，以保證設(shè)備正常工作。

5.6 試鉆

設(shè)備系統(tǒng)調(diào)試完成后，依據(jù)穿越層的地質(zhì)條件，進(jìn)行泥漿配制，并開始鉆進(jìn)泥漿試噴射，試鉆進(jìn)2/3根鉆桿時(shí)，檢查系統(tǒng)各部位的運(yùn)行情況是否正常，發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行處理。

6 成孔與泥漿護(hù)壁

6.1 鉆進(jìn)液

水平定向鉆機(jī)鉆進(jìn)中，鉆進(jìn)液用于穩(wěn)固孔壁、降低回轉(zhuǎn)扭矩和拉管阻力、冷卻鉆頭和發(fā)射探頭、清除鉆進(jìn)產(chǎn)生的土屑等，它被視為導(dǎo)向鉆進(jìn)的“血液”。一般采用優(yōu)質(zhì)膨潤土制備。

6.2 鉆進(jìn)液循環(huán)

鉆進(jìn)時(shí)鉆進(jìn)液會從另一端的上口返出，這時(shí)要使用兩套泥漿系統(tǒng)處理，或運(yùn)走泥漿，減少環(huán)境污染。根據(jù)地質(zhì)情況預(yù)設(shè)泥漿配制方案，確定成份摻量和混合次序，按不同的地層調(diào)整泥漿配合此。

7 鉆導(dǎo)向孔

鉆頭整體采用標(biāo)準(zhǔn)螺旋型，鉆頭前端設(shè)置梅花型噴射水眼，通過定向鉆頭的高壓泥漿射流沖饳破碎旋轉(zhuǎn)切削成孔，且有利于保護(hù)僵土孔道內(nèi)壁。常用的孔內(nèi)控制鉆進(jìn)方向的機(jī)構(gòu)稱為導(dǎo)向鉆頭，在鉆頭底唇面釆用非平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鉆頭唇面是一個(gè)斜面，當(dāng)鉆頭連續(xù)回轉(zhuǎn)時(shí)鉆進(jìn)直孔，保持鉆頭朝某個(gè)方向不回轉(zhuǎn)加壓時(shí)，則使鉆孔發(fā)生偏斜，鉆進(jìn)斜孔。

鉆頭的準(zhǔn)確位置狀態(tài)與斜面鉆頭的方向是通過鉆頭空腔內(nèi)的信號發(fā)射器及地面定位示蹤儀來測量確定。每鉆進(jìn)一根鉆桿，測量一次鉆頭方位，根據(jù)測得參數(shù)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)和鉆進(jìn)方向，以控制鉆頭按設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)，直至鉆頭在預(yù)定位置出土。

8 逐級預(yù)擴(kuò)孔

逐級擴(kuò)孔是十分重要的環(huán)節(jié)，成孔質(zhì)量的好壞直接影響管道穿越的成敗。擴(kuò)孔的目的是將導(dǎo)向孔孔徑（DN1000以上）擴(kuò)大至鋪設(shè)管道管徑1.5倍為止，以減少管道穿越時(shí)的阻力，保證管線能安全順利旋入鋪設(shè)。預(yù)擴(kuò)孔前，試噴泥漿，檢查切割刀頭和擴(kuò)孔器水咀是否通暢，泥漿壓力是否正常等。

8.1 工程案例

穿越鋪設(shè)DN1200 的鋼管道，逐級擴(kuò)孔為：D400mm、D600、D800、D900、D1OOO、D1100、D1200、D1300、D1400、D1500mm、D1600mm（清孔）。

8.2 擴(kuò)孔

將D400擴(kuò)孔器連接在鉆頭后端，然后由鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)回拉擴(kuò)孔，每擴(kuò)完一根鉆桿，便在入土點(diǎn)側(cè)卸下一根鉆桿，同時(shí)在出土點(diǎn)側(cè)裝上一根鉆桿，如此往復(fù)直至D400mm擴(kuò)孔完畢。按第1次擴(kuò)孔程序，逐級更換擴(kuò)孔器直至擴(kuò)孔徑達(dá)到管道穿越要求，最后再進(jìn)行一次清孔，以保證管道回拖順暢。

8.3 回拖管道鋪設(shè)

當(dāng)擴(kuò)孔完成后，更換大于管經(jīng)200mm的擴(kuò)孔器、萬向旋轉(zhuǎn)頭、“U”型環(huán)與管道端口焊接的回拖頭進(jìn)行組裝，檢查分動器連接牢固后，進(jìn)行管道回拖鋪設(shè)。

9 防沉陷加固措施

為防止穿越公路、鐵路、河道段發(fā)生沉陷，在回拖管道時(shí)，在主回拖頭旁安裝一個(gè)小型回拖頭，并與1～1.5吋焊接管連接，作為注漿管，長度與管線長度相等，一并回拖。回拖完成后，卸下主回拖頭，將1～1.5吋焊接管繼續(xù)回拖至需要防沉陷加固段，注漿管與注漿泵連接，進(jìn)行加固注漿。注漿壓力根據(jù)理場實(shí)際情況，調(diào)整注漿壓力和時(shí)間。當(dāng)一段防沉陷固結(jié)完成后，回拖注漿管至下一段進(jìn)行注漿固結(jié)，依此類推。注漿管連接方式采用絲扣連接。注漿固結(jié)材料為：高效納基膨潤土、水泥、膨潤土漿液按此例配制。

10 結(jié)語

當(dāng)今在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市人口迅速增長，人與產(chǎn)業(yè)用水量不斷增加的情況下，新增或原有供水管道改造，都需要大口徑管道才能滿足日異增長的供水需求，水平定向鉆進(jìn)穿越施工，能夠在不破除道路，不影響交通，不影響環(huán)境，不破壞或拆移地下管網(wǎng)的情況下進(jìn)行施工，且施工速度快。

［1］水平定向鉆進(jìn)管線鋪設(shè)工程技術(shù)規(guī)范（試行）［S］.2001.

［2］閆相禎，丁鵬，楊秀娟，等.長距離復(fù)雜地層水平定向鉆穿越管道施工技術(shù)［J］.油氣儲運(yùn)，2007（2）.

［3］DBJ13102—2008，水平定向鉆進(jìn)管線鋪設(shè)工程技術(shù)規(guī)程［S］.備案號:J11214-2008DB福建省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ13-102-2008.

［4］GB50424—2007，油氣輸送管道穿越施工規(guī)范［S］.

［5］CSTT.水平定向鉆進(jìn)管線鋪設(shè)及驗(yàn)收規(guī)范［S］.

［6］SY/T4103—2006，鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收［S］.

［7］SY/T4071—93，管道焊接工藝規(guī)程［S］.