非开挖水平定向钻地下管道施工

曹潇翔

摘要：水平定向钻进技术代表了一种先进的非开挖地下管线铺设方式，该技术利用专业的定向钻探设备遵循预设的管道路径进行导向钻进、孔径放大及管道拖入等系列作业。这一技术的核心是利用射频识别设备对钻头的导向进行精确监测，这包括利用钻头内置的信号发射单元产生的电磁波来精准管理钻头的深度、水平位置和斜度等关键参数。当导向钻头穿越至指定出土点时，将其更换为扩孔器，此步骤会针对土壤的不同特性选择合适的扩孔级别，并使用定制的泥浆配方以保持孔道稳定，形成的泥浆孔径通常比计划敷设的管道直径宽1.2至1.5倍。其后，便进行管道的拖回作业，完成管线的敷设。这种施工方法由于其施工周期短、环境扰动小、能有效规避地下及地表结构障碍等优点，在工程应用中得到了广泛推广。本研究旨在剖析水平定向钻技术在地下管线预设施工中的应用，并从实践中汲取经验，为以后类似工程提供可靠的施工策略和技术参考。

关键词：水平定向钻  导向孔 回拉扩孔 铺管 

1  背景说明

青岛971医院发热门诊建设项目总建筑面积3785平米，发热门诊用供电采用医院提供的35kv电源变电站配电，35kv电源变电站至发热门诊箱变采用两路电缆ZC-YJV-3*70电缆，总线路长度约500米，电缆走向位置沿医院院区原有道路，此段道路为患者就医的主干道，采用明挖施工需要对道路进行封闭后方可施工，影响范围较大，结合现场地质条件，地面以下除了部分风化石，其它的均是砂层、粘土层，决定采用非开挖水平定向钻施工预埋电缆套管。套管采用7根直径160HDPE高密度聚乙烯管，通过钻机钻孔、扩孔后一次性回拉预埋到位。

2 导向钻孔设计

在地下管道工程中，导向孔的精确设计对于确保施工的成功发挥着决定性作用。该设计过程涉及综合考虑一系列关键因素：包括工程的具体需求、地下地质状况、地形的独特性质、地下存在障碍物的确切位置、钻杆进出地面的角度、钻杆所能承受的最小曲率半径、钻头调整方向的能力、导向监测系统的精确度以及待敷设管道材质的特性等，以规划出一条最优的钻进轨迹。在本次工程中，我们选用了一种从中心点向两侧同步进行的钻进方式。工程设置了三个操作井点，中心井点的钻机向两侧延伸开挖，预定的最大埋设深度为1.7米，而钻进时的地面入土角度则介于8至20度之间。

3  钻孔施工

3.1  钻机的选择

无论规模大小，水平定向钻进设备的操作原理与应用场景保持一致性。在水平定向钻进铺设管线的过程中，关键性能指标包括钻机的旋转扭矩和拉回力度，这两项参数是依据项目规模和特定需求来挑选合适钻机的基础。拉回力度的计算可以参照如下公式：F拉=πLf [D2γ泥/4 - dδ1 (D -δ1)]+K粘πDL。式中：F拉――计算的拉力，kN；L―穿越长度，m；f―摩擦系数，其值通常在0.1至0.3之间；D―埋管直径，m；γ―泥浆密度（以千克/立方米计）；δ1―埋管壁厚，m；K粘―粘滞系数，取值范围为0.01至0.03。在施工中，所选用的水平定向钻进设备应具备的额定拉回力至少应为设计拉回力的1.5至3倍。对于本项目，选用的是型号为XZ320D的水平定向钻机，其具备154千瓦的发动机功率，最大拉回和进给力达到320千牛，最大输出扭矩为12千牛·米，工作总重量为11.5吨。该钻机搭载75毫米直径的钻杆，每根钻杆长度为3米，并配备了高效的导向系统和非停顿钻进的射流循环泥浆搅拌装置，以便迅速配制适用于钻进作业的泥浆。

3.2  施工准备

（1）在施工的初始阶段，首先需开挖适宜尺寸的工作槽。一般情况下，这个槽的长度为3米左右，宽度约为1.5米，深度不少于1米。挖掘完毕后，准备泥浆搅拌设备，并配置以高性能膨润土为基的泥浆，其中掺入适量的聚合物以增强其性质。在这一泥浆配方中，膨润土和聚合物的总添加比例大约为泥浆总质量的2%，并在随后的扩孔和拖拽过程中使用同比例的泥浆以确保其对井壁的稳固作用。

（2）在钻进设备组装环节，钻头必须正确安装，并且导向系统需要经过精准校准。通过对比导向仪的距离读数与实际使用卷尺测量钻头与导向仪之间的距离，验证导向仪的准确性。此项检查应反复进行，以确保数据的一致性。若读数一致，则表明导向仪校准无误，可以开始钻孔作业。如有偏差，应查明原因并调整至正确后，再继续施工。

（3）至于施工现场的布局要求，钻机所在的工作槽区域无需过长，但对面的槽位必须提供足够空间以便于管道的连接工作。该空间至少应与两个工作槽之间的距离等长，以便可以作为管道连接作业的场地。

3.3钻导向孔

3.3.1  监控原理

核心技术在于钻进过程的精确监控与指挥。通过监测确保导向孔沿既定设计路径精准钻进，钻头的精确定位与路径修正显得尤为关键。监视钻头的技术主要依赖于随钻测量系统，该系统能够实时采集并传递钻头处的关键数据。常用的是采用电磁波传感技术，在导向钻头内部安装发射装置，并通过地面的接收仪器来测定钻头的深度、方位角、倾角、温度和电池状态等重要参数。实测数据会与设计的钻进轨迹进行比对，从而实现对钻进轨迹的实时修正。地面接收器不仅显示数据，还能将收集的底层信息无线发送给钻机的接收器并展示，使得操作者能够根据正确的路径调控钻机。

在中小型钻机上，电磁波传感技术的应用相对广泛，但其缺点在于必须持续进行监控。而电缆传输技术则在长距离穿越和地形复杂的工程中更为常见，其优势在于抗干扰能力较强，且不需持续跟踪监控，但操作上较为复杂，且所用信号线需具有高强度（抗拉断）、耐磨和良好的绝缘性能。在本次工程中，选择了电磁波导向仪来进行导向控制。在钻直孔阶段，同时施加推进和旋转动作，而在造斜阶段则仅施加推进力而不旋转。运用造斜或稳斜的原理，在地面导航系统的指引下，预设铺设管道的路线，由钻机驱动装有锲形钻头的钻杆，从起点A至终点B（参见图-1），钻出一条尽可能贴近设计轨迹的导向孔。

图-1 定向钻施工示意图

3.3.2 钻导向孔

在启动钻井作业时，采纳的策略是施加较轻的钻压与缓慢的旋转速度，以进入水平直线段，随后转为轻压快速旋转以维护钻具的导向性能及其稳定性。针对地质结构的变化和钻进的深入，钻井参数需要及时作出调整。施工过程中，应该紧密监控扭矩、钻压的突变、泥浆流失等钻井异常信号，一旦发现异常，立即中止作业，待确定问题原因并实施有效措施后，方可恢复施工。在导向钻孔阶段，每隔2至3米应进行一次精确测量和计算，绘制出实际的钻井轨迹图。若监测到轨迹偏离预定设计，必须即刻采取纠偏措施。在曲线钻进段，推荐的单次推进长度应控制在0.5米以内，同时监测延伸长度的倾角变化，并确保这些变化在钻杆的弯曲强度极限范围内。施工时，应实行分段钻进法，以确保倾角变化的均匀性。

3.3.3  导向孔纠偏

轨迹纠偏在钻进中的实施通常依赖于斜面钻头或定向高压水射流技术。在施行纠偏钻进时，钻杆保持静止，直至钻具的面向角调整到预期位置。此时，钻机对钻头的作用仅限于前向推力。斜面钻头与土壤接触点的土壤被压实，进而对钻头斜面产生反作用力，使得钻头发生偏离。高压水射流纠偏则结合了斜面钻头的偏压导向效果和高压水射流的定向侵蚀作用。在该纠偏过程中，钻杆保持静止，而高压水射流仅向特定方向喷射以侵蚀土壤，同时斜面钻头受到的反作用力导致钻头方向的变更，从而达到定向钻进的目的。

3.4  回拉扩孔

（1）在执行回扩作业时，必须综合考虑各类地质条件与现场排浆的具体情况来决定回扩的速率和泥浆的压力，以确保钻孔的质量达标。当导向孔完成后，需卸除初始钻杆和导向钻头，更换与地质特性相匹配的特种回扩钻头，此举不仅能在回收钻杆过程中实现孔径的扩大，也能够满足工程所需的孔径规格。通常，实施分级逐步扩孔的策略为宜。在预设管道直径范围内，应用排土法进行扩孔；在此范围之外，则采用挤压法以确保铺设管线后地面稳定，无沉降隐患。与钻进作业类似，在回扩过程中，泥浆搅拌系统需持续供应充足的泥浆至钻头和回扩钻头。同时，保持适宜的泥浆流量，并定期对泥浆的多项性能参数进行检测，以便及时调整泥浆性能指标。

（2）扩孔工具的种类包括桶式、飞旋式、刮刀式等多种。当穿越淤泥、粘土等较松软的地层时，通常选择桶式扩孔器因其通过旋转作用，能有效地将淤泥压实至孔壁四周，从而起到稳定孔壁的作用。相对而言，当遇到硬质地层，飞旋式或刮刀式扩孔器更为适宜。在选择最大扩孔器尺寸时，应参考下述标准，或根据管径的1.2至1.5倍来选择，以促进泥浆的顺畅流动，并确保管道能够安全、平稳地拖入孔中。当进行同径铺设时，在导向孔完成后，可直接执行回拖铺管操作。最终孔径通常应为管道外径的1.2至1.5倍。针对不同地层类型，应选用相匹配的扩孔器。扩孔应遵循分级原则，例如一级扩孔直径为200mm，二级为250mm，三级为300mm，四级为400mm，五级为500mm等。根据设计的孔径大小，按照从小到大的顺序分级扩孔，直至达到工艺要求的孔径尺寸。在扩孔过程中，钻机会不断地拆卸钻杆并进行回拉，同时在工作坑的另一端不断加接钻杆，直到扩孔器在钻机所在的工作坑处露头。

（3）在钻进与回扩的过程中，必须及时准确地记录施工日志，包括钻进时间、轴线角度、扭矩、顶拉力等关键参数。若在作业中发现任何异常情况，应立刻中止工作，并且在问题被诊断明确并采取了恰当的解决措施之后才能继续施工。这种做法有助于确保施工的安全性和效率，并且能够及时应对可能出现的技术难题。

3.5铺管和管端处理

3.5.1  预埋管道材料

本项目将使用七节直径为160毫米的高密度聚乙烯（HDPE）管道来预置电缆。所有管道接头的连接都必须遵循严格的电热熔接技术标准。在执行回拖操作之前，有必要对电热熔接点的质量进行彻底检验。仅在接头经过自然冷却并且通过了质量检测后，才可继续进行管道的拖动作业。

3.5.2  管道减阻措施

（1）在通过沟槽发送方式减少管道摩擦时，必须依据地形特点和开挖角度来决定沟槽的深度与宽度。沟槽的底部宽度应至少比管道直径大500毫米。在沟槽内部注水以减少摩擦，注水的最小深度应超过穿越管道直径的三分之一。在开始回拖作业之前，应确保穿越的管段已置于沟槽之中。

（2）使用支撑架来减少管道摩擦时，应根据管道段的长度和重量来决定支撑架的间距及数量。支撑架的设计高度必须符合预制管段的弯曲半径要求，而其强度、硬度和稳定性则须符合设计规范。这样的设计是为了确保在整个管道拖动过程中，预制管段能保持其结构完整性和功能性。

3.5.3  管道回拖

完成扩孔后，将扩孔器从工作坑内回拉至钻机所在位置。随后，拆除扩孔器并重新连接钻杆。在对面工作坑的钻杆端部，装配上扩孔器，并通过万向接头与专用拖头进行牢固连接。启动定向钻进设备并回拉钻杆以实施管道拖入作业，确保预置管线顺利进入孔道内，从而完成管道的敷设。在回拉管道的过程中，应仔细监测孔道内部的状况，操作人员需要密切关注钻机的拉力和扭矩的读数，确保回拉过程平滑无误，严格禁止采用暴力拉拽。管线应顺畅地一次性拖入形成的孔道，中途避免暂停以减少回拉阻力，并在拖管时注入专用的防水土制备泥浆以保护孔壁。在条件允许的情况下，应力求一次完成所有管线的连通工作。

3.5.4  管端处理

管道拖拉完成后，使用挖掘机挖出扩孔器和管道前端，并拆卸扩孔器及其万向接头。随后处理施工引坡段，建设电力检测井，并对原场地进行恢复工作，清理施工现场。此过程要确保施工区域的结构和土壤状态恢复到接近原始条件，以保证环境的可持续性和工程质量的持久稳定。

4 施工注意事项

4.1管道与建筑物或既有地下管线的安全距离

（1）在与现有地下管网平行布设的情况下，若管道的外径超过200mm，则其与邻近管线的净空距离应至少为最大扩孔直径的两倍。如管道外径不足200mm，该净空距离不应少于0.6米；

（2）若新管道需要穿越现有地下管道，其垂直间隔应保持在0.6米以上以确保安全。

4.2泥浆质量控制

在管道敷设的整个过程中，务必保持孔道内充满充足的泥浆。泥浆的作用不仅是为了维护孔壁的稳定性，防止其崩塌，也是为了减少管道敷设中管壁与泥浆之间的摩擦，起到良好的润滑效果。无挖掘作业的泥浆pH值通常应维持在9至11之间。依据土质差异，如砂土层或粘土层等，应选取合适的泥浆配比，确保在回拉敷管过程中充分认识到泥浆的关键作用。

4.3  塌孔预防

4.4.1  塌孔的原因分析

（1）地质要素：在地质不稳定的区域进行无挖掘作业时，孔壁崩塌往往是由于泥浆所施加的压力无法有效抵抗地层本身的压力而触发。当土层受到钻进设备的穿透并且孔壁所承受的压力与泥浆柱所施加的压力之间的压力梯度超出了岩土的屈服强度，就会导致孔壁的脱落和崩塌。此外，泥浆对孔壁的浸泡作用会进一步加剧这一过程。

（2）物理要素：若扩孔作业过程过急，泥浆泵输出压力过高，会导致孔内泥浆压力骤然增加；如果导向孔的曲率半径设置得过小，钻杆或扩孔器的旋转会压迫孔壁，激起泥浆侵蚀；在导向孔上部地层发生漏失时，地层压力减少，孔内泥浆柱压力下降，增加了塌孔的风险。

4.4.2  塌孔的预防

为了预防塌孔发生，应采取的措施包括确保泥浆柱的压力至少等于岩土孔隙水的压力，并尽量减少水对岩土或孔壁的渗透。

（1）地质因素导致塌孔的预防包括：提升泥浆的密度，增强泥浆柱的压力以平衡地层的压力；使用具有较高动塑性比的泥浆以保护孔壁不受侵蚀。

（2）物理因素导致塌孔的预防包括：平稳操作泵压，保证钻杆在稳定的张力下工作，避免因压力突变或钻具过度撞击孔壁而引发塌孔。结合地下障碍分布，优化钻进路径和扩孔流程，避免因导向孔曲率过大而导致的钻具对孔壁的过度压力。通过合理调整泥浆的密度和流变特性，确保泥浆形成有效的压力柱，维持较低的返浆速度，实现层流状态，加快钻进速度以减少泥浆侵蚀的时间，并保持泥浆性质的均一性和稳定性，防止泥浆性能的剧烈波动。

5  结语

非开挖技术作为地下管线建设的创新方式，显著的减少了对上层交通、生态环境以及社区生活的负面影响，减少了对土地的占用，缩短了工程长度，带来了巨大的经济收益和社会价值。在我国，随着城镇化步伐的加快，非开挖铺设技术已成为城市基础设施建设和管理的重要技术手段，受到了广泛的欢迎和快速发展。

[1] 李暑荣.非开挖管道施工技术应用浅谈.中国水运，2009第02期

[2] 曾聪，马保松.非开挖管道更换和修复技术.非开挖技术，2005年03月

[3] 吴坚慧.排水管道非开挖修复技术综述.城市道桥与防洪，2012年第8期