水平定向钻在非开挖工程施工中的应用研究

摘 要：本文简单介绍了非开挖技术历史发展状况、技术应用特点以及应用领域，分析了非开挖技术未来的发展方向，阐述了非开挖技术中水平定向钻施工技术的特点、原理及关键施工技术的应用分析。近些年，随着对城市地下管线的规划管理、建设施工及地下空间的合理利用逐渐清晰、规范，水平定向钻施工技术应用越来越广，有效提升了市政管理的能力和环境建设的合理性。

关键词：非开挖技术；水平定向钻施工；管道铺设；应用研究

1 非开挖技术概述

20世纪60年代初，非开挖技术开始在西方发达国家兴起，随后成为由政府支持、社会提倡、企业参与的一项新技术。这项技术随着科学技术的发展，联合国环境保护署早已把其作为环境友好型施工工艺和技术。其被广泛应用于穿越高速公路、铁路、建筑物、河流、湖泊等工程，在市区、古迹保护区、农作物或植被保护区进行污水处理、市政水电管网、燃气管道、通信管道、石油天然气管网等地下管道施工中应用也极为普遍。而在道路基础施工、煤矿工程、隧道工程、雨水收集工程、环境改造等工程领域应用也越来越广泛[1]。本文重点介绍了定（导）向钻进铺管技术的技术特点，应用情况。

2 非开挖技术的发展趋势及分类

尽管非开挖施工技术在国外已有百余年历史，但是大规模应用始于20世纪80年代。由于欧洲等工业发达国家城市建设快速发展且建设历史时间长，其市政地下管网锈蚀、腐蚀严重，管网需要重新更换。因此，这些国家首次提出非开挖技术并不断发展应用，不断提高开挖工艺及管道修复技术。日本等一些工业国家受限于水资源短缺的困境，对于城市污水处理、雨水收集工程等需求量大，国家比较重视水污染与再利用的技术，日本等国家为了满足污水管道施工以及雨水收集工程建设的需要，提出了小口径顶管施工技术，这项技术也称为微型隧道工程施工技术。对于天然油气比较丰富而且电力、通信等技术比较先进的美国，地下油气管道铺设，电力及通信电缆地下施工的强大需求推动下，美国率先研究并应用了水平导向钻进技术。有关统计数据分析表明，当前全球技术优势比较突出的非开挖材料供应商以及设备制造的厂家超过1 000家，工程承包商更是接近5千余家，非开挖施工工艺及相关及时等上大100多种。

我国非开挖技术的研究以及应用相比较欧美等发达国家，技术比较薄弱，研究时间比较晚，技术标准不高，技术力量不足。我国城市建设较晚，市政工程管理水平参差不齐，监管能力不足。我国在1996年10月1日才首次发布实施《城市道路管理条例》，并提出：“新修道路5年不准挖，修复道路3年不准挖”的管理要求，首次提出政府对市政工程施工技术的标准个规范。但是，随着我国城市化进程加快发展，城市各种电力、通讯、油气管道、污水处理等地下管网工程全面规范建设，非开挖施工技术将会得到全面发展和提升[2]。

3 定（导）向钻进铺管技術及应用分析

水平定向钻施工是一种采用定向钻机和控向仪器，在预先确定的方向上通过导向钻进、扩孔、拉管等工艺过程实施管线敷设的非开挖施工方法。该方法是我国非开挖铺设地下管线施工方法中发展最快、技术最先进、设备最完善、应用最广泛的一种，在非开挖技术领域里占据着主导地位。由于其施工速度快、对周围环境影响小、可穿越地下障碍物和地面建造物等特点得到了广泛的应用。

3.1 水平定向钻施工技术及应用特点

非开挖定向钻进铺管技术适用范围比较广泛，但对于松散地层铺设管径小于600 m各类管线比较实用，一般对于铺管长度在400～500 m的施工技术方面，多采用湿式或干式的钻探成孔技术。非开挖定向钻进铺管技术主要技术特点有5个。

（1）适用于粉土、砂土、黏土等松散地层土质。（2）可应用在DN40-DN2000等多管径的不同材质管材和工程管线。（3）基坑开挖、钻孔成型等作业施工面小。（4）施工设备先进，施工精度较高，管道工程技术控制方面能够满足要求。（5）不对环境造成破坏和污染，有效减少污染面源。

非开挖定向钻进铺管技术可以灵活处理施工中遇到的地层复杂情况。在导向或扩孔过程中如遇到大块石，或其他障碍物，不能形成一条合格的孔道时，可以再换一个位置另打一条，不会造成管材的损失。它的局限就是对施工场地有一定要求，所铺设管道的两端都必须有足够长的空地，如果有一端靠近建筑物，没有开挖下管坑的场地，就不能单独运用定向钻进完成铺管。

3.2 水平定向钻施工原理

水平定向钻施工技术基本原理一般是根据地形勘探数据，设定地下铺管轨迹，利用钻机等设备钻出一个较小的先导钻孔，然后在先导钻孔出口端，对应于钻杆头部安装一个扩孔器对钻孔进行回拉扩孔施工，根据设计尺寸需求完成孔径施工要求后，在扩孔器的末端接上旋转接头、拉管头以及各种材质及管径的预埋管线，对管线进行回拉铺设施工。成孔方法主要有挤压式和水射流式，钻孔钻进通过楔形钻头偏压导向或者高压水射流的偏心冲蚀等力作用，实现定向控制。通过微视频成像技术，把微型摄像头和信号传感器安装在地表接收钻头里，利用传感器信号来控制钻孔轨迹[3]。

3.3 钻进轨迹的规划与设计

一般在施工前，需要对施工区域内的地形地貌、土质特性、地层条件、地下物构成及具体位置进行有效勘探，并根据工程技术要求来设计钻孔轨迹，并提前设计好钻杆的入出土角度，计算出钻杆曲率半径允许范围，计算并设计钻头变向、导向监控等能力，选择适用于施工要求尺寸、大小、强度、材质等铺设管线性能，设计出最佳钻孔轨迹路线。实际施工中，完成岩土、地形等勘察后，对钻孔轨迹进行设计，计算出钻孔穿越的覆盖深度。一般设计覆盖深度时，还应充分考虑施工区域内的地面建筑物、河流位置、地面道路工程、地下已有管线等的存在位置，合理设计穿越深度。原则上要求穿越河床的深度为穿越河床断面最低处不低于5 m，确保不会发生泥浆喷涌的事故。最小覆盖深度应≥6倍钻孔最终回扩直径。施工穿越入土、出土点应具有≥3根钻杆的长度距离，以确保与应穿越沟渠、道路等第1障碍物距离合适。基于钻进技术要求，首段与末段钻杆柱长度需超过10 m，且为一条直线，不允许出现水平、垂直等弯曲。

3.4 钻导向孔技术应用

钻孔成型主要采用造斜、稳斜技术，根据勘探设计要求，通过地面导航仪设计管线铺设路径，再利用钻机等钻孔设备进行钻导向孔作业，钻头选择锲型钻头，如图1所示。由A点开始，钻到B点位置，钻孔与设计的平面误差不小于100 mm。施工时，操作钻机要求钻直孔进行给进，回转，而造斜过程不允许回转，只允许给进。钻导向孔技术主要在于钻机、钻具等设备工具的有效组合和选择，同时在钻进过程进行精密监测和成型精度的控制。

在钻进导向孔施工中，只要严格按照施工设计轨迹进行钻进，并对钻头定位准确，合理控制钻头变向，才能保证施工精度的要求。钻头的监测主要通过钻头内置传感器及摄像头随着监控孔底钻头的有关信息。孔底信号一般通过电磁波法和电缆法进行传送。电磁波法测量精度高，测量深度为15 m，水平发射距离及应用范围≦300 m。

测量过程是钻进导向孔时，每钻进2～3 m计算测量一次，画出实际钻孔施工轨迹曲线图，与设计轨迹图进行比较分析，一旦出现误差应随时纠偏。钻进纠偏施工工程，钻杆柱一般应保持静止，一旦钻具面向角达到合适角度，鉆机等于给钻头一个向前的推进力，此时，钻头斜面挤压土体，根据作用力与反作用力的物理特性，土体对钻头斜面产生反作用力Q，如图2所示。反作用力垂直向上的分力Q2会造成钻头偏斜。而高压水射流纠偏钻进施工方法主要通过斜面钻头的偏压导向和定向冲蚀作用。纠偏钻进时，钻杆柱保持静止，高压水射流沿某一方向射出对该方向的土体进行冲蚀，此时钻头斜面同样受到反作用力作用而导致钻头方向发生变径，实现一种定向钻进[4]。

3.5 回拉扩孔及铺管施工处理

回拉扩孔主要采用逐级扩孔的方式，根据设计的成孔直径，由小到大分级扩孔，直至扩到施工工艺要求尺寸。分级扩孔的分级主要有：一级孔直径为200 mm、二级孔直径为250 mm、三级孔直径为300 mm、四级孔直径为400 mm、五级孔直径为500 mm等。扩孔器一般按照不同地层进行选择，对于预埋管径内扩孔施工采用排土法，预埋管径外成孔则采用挤压法，这样能够有效保证施工质量，避免造成地面沉降等次生灾害。实际施工中，终泥浆搅拌系统一直处于高效工作状态，确保钻进和回扩钻头供应的泥浆不间断施工；在穿越淤泥黏土等松软地层施工过程中，利用桶式扩孔器可以有效地挤压淤泥均匀分散至钻孔壁四周，对于固孔有很好的强化作用；对于地层比较硬的土层施工，一般采用飞旋式扩孔器或者是刮刀式，扩孔器最大尺寸是需要铺设管径的1.2～1.5倍，可以有效加速泥浆畅通流动，确保管线进入孔的高效性和安全性。同径铺设比较简单，在完成导向孔后，直接进行回拖铺管施工即可，终孔孔径通常为管线外径1.2～1.5倍。扩孔施工结束后，在拖管坑侧钻杆上，加装扩孔器与铺设管另一端连接万向接、特制拖头等紧固件，紧固完成后启动导向钻机，对钻杆进行回拉操作，实现拖管作业，拖管的同时，添加专用防润土对泥浆护壁，把预埋管线拖入施工孔内，实现铺管工作，实际施工中通常一次性连接全部管线。施工完成后可以采用挖掘机等大型挖掘设备把扩孔器、万向接、管前端装置挖出，然后回填造斜段和检查井，快速恢复路面，实现清场。

4 结语

水平定向钻施工技术施工关键在于原有地下管线的准确定位和施工后敷设管道实际管位的测量。我国城市建设发展迅速，由于道路拓宽改造等原因，地下管线原有基础资料不详或缺失现象比较多；而现有的物探技术又存在不足，常用的地下管线探测仪器很难将该类管道准确定位。另外，城市地下管线种类繁多，特征各不相同，单一的探测方法很难把施工区域内的地下管线完全探测清楚，而一旦有遗漏或是探测不准就给以后的施工留下隐患。

[参考文献]

[1]范娟.非开挖技术的应用及施工方法[J].民营科技，2011（5）：331.

[2]程云程.非开挖技术及其在工程中的应用[J].土工基础，2000（1）：47-50.

[3]汪建国.水平定向钻技术应用现状及建议[J].上海煤气，2011（2）：16-17.

[4]刘军.非开挖水平定向钻进铺管施工技术及工程应用研究[D].西安：西安建筑科技大学，2004.

推荐访问:定向 工程施工 水平 研究 非开挖