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摘要：本文主要针对供热管道过河段施工条件进行了论述，就水平定向钻进施工技术要点作出了详细的分析，这是解决以往过河段施工难度大问题的有效方法。
关键词：供热管道; 水平定向钻进; 障碍穿越; 施工
Abstract: this paper mainly for heating pipe river construction conditions have discussed, horizontal directional drilling of construction techniques made a detailed analysis, this is a solution before river construction difficulty of problem effectively.
Keywords: heating pipe; Horizontal directional drilling; Obstacles through; construction
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
前言
随着城市建设飞速发展，供热管道在地下纵横交错，开挖施工使道路质量变差，破坏环境，给人们的生活、工作带来诸多不便，且施工成本越来越高。非开挖技术的应用使上述难题迎刃而解，水平定向钻技术在非开挖技术领域中占主导地位并且发展最快。
一、水平定向钻技术概述
1、定向钻进施工原理。定向钻进施工是根据预先设计的敷管道路，由钻机驱动带着楔形钻头的钻杆，地表接收机根据放在钻头的探头发出的信号跟踪测出探头位置、深度、倾角、楔面面向角等参数。由导向员将导向指令传递给钻机操作员，钻机操作员根据同步显示器的指示操控钻杆，调整楔面面向角进行旋转或顶进操作，按指定方向沿设计轨道，绕过地下障碍，直至达到目的地。导向孔的施工完成后，再利用反拉扩孔的施工方法将导向孔逐级扩大，直到达到敷管所需的管径。随后将所需敷设的管道牵引拖回已完成扩孔的设计敷设位置。
2、定向钻进技术主要施工步骤。定向钻施工工艺一般分为2个阶段：第一阶段是按照设计曲线尽可能准确地钻一个导向孔；第二阶段是将导向孔进行扩孔，并将管道回拖到扩孔中，完成管道穿越工作。具体施工步骤为：现场勘察；开挖工作坑；设计轨迹线；导向孔施工；各级预扩孔；清孔；回拖管道；在牵引管施工完毕后，砌筑检查井。
3、定向钻施工的技术特点。定向钻施工具有先进的导向系统，中靶準确，机械回转扩孔速度快、噪声低，机械占用场地小，不阻断交通，不影响环境等。
4、定向钻施工技术的应用范围。该技术广泛应用于穿越公路、铁路、河流以及在闹市区、古迹保护区、农作物和植被保护区等不允许或不能开挖的条件下敷设、修复、更换管道。
二、施工方案选择问题分析
工程概况：设计压力 1.6MPa, 管径 DN300, 最大工作压力 1. 52 MPa, 供水温度 Tg= 130℃, 回水温度 Th= 70℃。管线采用预制保温管直埋敷设方式, 管道热补偿采用拉杆补偿器和自然补偿。埋深 7. 3 m, 全长 72 m。按以往施工经验, 一般采用河流改道, 深井降水, 基槽开挖的施工方法, 施工周期长, 工程造价高, 承担的施工风险大, 经过现场仔细勘察, 确定使用水平定向钻进铺管技术进行施工, 有效缩短了施工周期。水平定向钻进铺管技术是一种现代非开挖施工新技术, 主要用于穿越河流、公路、铁路、建筑物等障碍物铺设各种管线。定向钻进的基本原理: 按预先设定的地下铺管轨迹钻一个小口径先导孔, 随后在先导孔出口端的钻杆头部安装扩孔器回拉扩孔, 当扩孔至尺寸要求后, 在扩孔器的后端连接旋转接头、拉管头和管线, 回拉铺设地下管线。
三、施工工艺分析
水平定向钻进铺管的施工顺序为: 地质勘探、规划和设计钻孔轨迹、配制钻液、钻先导孔、回拉扩孔、回拉铺管。
1、地层勘探及地下管线探测。首先按建设单位提供的设计勘探资料了解有关地层和地下水的情况, 为选择钻进方法和配制钻液提供依据。其内容包括:土层的标准分类、孔隙度、含水性、透水性以及地下水位、基岩深度和含卵砾石情况等。地下管线探测主要了解有关地下已有管线和其他埋设物的位置, 为设计钻进轨迹提供依据。采用电磁法对已有管线资料进行复核。
2、钻进轨迹的规划与设计。导向孔轨迹设计是否合理对管线施工能否成功至关重要。钻孔轨迹的设计主要是根据工程要求、地层条件、地形特征、地下障碍物的具体位置、钻杆的入出土角度、钻杆允许的曲率半径、钻头的变向能力、导向监控能力和被铺设管线的性能等, 给出最佳钻孔路线。
3、配制钻液。根据本工程地质情况, 钻液由水、膨润土和烧碱组成。投入烧碱量为膨润土量的 2% 。
4、导向孔钻进。导向孔钻进的关键技术是钻机、钻具的选择和钻进过程的监测与控制。要根据不同的地质条件以及工程的具体情况, 选择合适的钻机、钻具和钻进方法来完成导向孔的钻进。钻机与钻具的选择: 钻孔主要靠钻机产生的推力、旋转扭矩以及所提供钻液的流量、压力来完成施工。特别是长距离穿越,一方面, 由于管线及钻杆自重较重, 钻杆与地层之间产生的摩擦阻力较大, 钻机的回拉力及扭矩必须足够大; 另一方面, 为了确保工程成功, 应尽量避免工程中途停钻, 因此钻机连续运转时间相对较长, 这就必须要求钻机具有良好的性能。本工程采用 HT-16C 非开挖定向钻机, 主要技术参数为: 动力: 85 kW; 最大输出扭矩: 5400 N•m; 钻机回拖力: 160 kN ; 钻机给进力: 90 kN; 输出转数: 0 rpm~ 90 rpm; 入射角: 0°~ 30°; 泥浆泵最大排量: 150 L/min; 泥浆泵最高压力: 10 MPa; 钻杆规格: 60×2 000; 一次推进行程: 2 000 mm; 扩孔直径: 160 mm~ 660 mm; 主机质量: 3500 kg。
监测与控制: 在钻进导向孔时能否按设计轨迹钻进, 钻头的准确定位及变向控制非常重要。本工程采用电磁波法。电磁波法的测量范围较小, 一般在 300 m 以内水平发射距离, 测量深度在 15 m 左右。电磁波法测量的原理为: 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, 以便及时纠正。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并显示, 以便操作手能控制钻机按正确的轨迹钻进。
5、回拉扩孔铺管。铺管前, 预制供热管道, 管道接口全部无损探伤后防腐保温。在回拉扩孔铺管施工中的关键技术就是根据不同的土层、地下水位以及最终成孔直径正确地选择回扩钻具和每次的进刀量,正确地选配钻液和确定钻液的流量。扩孔器类型为刮刀式等。一般要求选择的最大扩孔器尺寸为铺设管径的 1. 2倍~ 1. 5 倍, 这样能够保持泥浆流动畅通, 保证管线能安全、顺利地拖入孔中。回拉扩孔铺管特别是在长距离回拉扩孔铺管中, 泥浆作用尤其重要, 孔中缺少泥浆往往是工程失败的主要原因。一般地层泥浆较易漏失, 泥浆漏失后孔中缺少泥浆, 钻杆及管线与孔壁间的摩擦力增大, 导致拉力增大。要保持在整个钻进过程中有返浆,这对回拉扩孔施工的顺利进行尤其重要, 在同一工程中如遇到地层条件是硬岩、泥灰岩和砾石交替变化, 应及时调整钻液以产生不同的泥浆。
6、安全保护系统
一是防触电报警系统一旦地下钻头触及电缆等带电体后, 钻机发出触电警报, 此时操作手必须坐在座椅上不得离开, 以免触电。警报解除后, 操作人员方可离开钻机。二是远距离遥控紧急停机装置随钻跟踪测量者应时刻保持与钻机操作手的联系, 一旦发生意外应及时处理。目前一般采用无线通信联络方式, 有时由于受到当时当地环境的影响, 这种方式已不能应付紧急突发事件。所以在施工中应由随钻跟踪者采用紧急措施停止钻机工作, 待处理完, 由后者解除对钻机的限制后, 方可启动钻机。
四、结语
水平定向钻进铺管技术与传统施工方法相比, 在市政管道施工中具有创新性的优势和优点: 对地层干扰少；设备安装及施工速度快；可控制方向、可绕避障碍, 施工精度高； 一体式锻造钻杆刚柔兼备, 灵活安全又可靠； 扭力强劲, 小设备能铺设大管道；钻杆自动装卸, 效率更高、更安全；施工使用面广, 各种管道铺设都适用；在工程造价方面, 经济合理。
参考文献:
[1] 刘金生. 基于城市给排水管道非开挖施工技术的探讨 [ J] .山西建筑, 2008, 34(4): 190-191.
[2] 徐至钧. 管道工程设计施工手册[ M ] . 北京: 中国石化出版社, 2004: 597-604.
关键词：供热管道; 水平定向钻进; 障碍穿越; 施工
Abstract: this paper mainly for heating pipe river construction conditions have discussed, horizontal directional drilling of construction techniques made a detailed analysis, this is a solution before river construction difficulty of problem effectively.
Keywords: heating pipe; Horizontal directional drilling; Obstacles through; construction
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
前言
随着城市建设飞速发展，供热管道在地下纵横交错，开挖施工使道路质量变差，破坏环境，给人们的生活、工作带来诸多不便，且施工成本越来越高。非开挖技术的应用使上述难题迎刃而解，水平定向钻技术在非开挖技术领域中占主导地位并且发展最快。
一、水平定向钻技术概述
1、定向钻进施工原理。定向钻进施工是根据预先设计的敷管道路，由钻机驱动带着楔形钻头的钻杆，地表接收机根据放在钻头的探头发出的信号跟踪测出探头位置、深度、倾角、楔面面向角等参数。由导向员将导向指令传递给钻机操作员，钻机操作员根据同步显示器的指示操控钻杆，调整楔面面向角进行旋转或顶进操作，按指定方向沿设计轨道，绕过地下障碍，直至达到目的地。导向孔的施工完成后，再利用反拉扩孔的施工方法将导向孔逐级扩大，直到达到敷管所需的管径。随后将所需敷设的管道牵引拖回已完成扩孔的设计敷设位置。
2、定向钻进技术主要施工步骤。定向钻施工工艺一般分为2个阶段：第一阶段是按照设计曲线尽可能准确地钻一个导向孔；第二阶段是将导向孔进行扩孔，并将管道回拖到扩孔中，完成管道穿越工作。具体施工步骤为：现场勘察；开挖工作坑；设计轨迹线；导向孔施工；各级预扩孔；清孔；回拖管道；在牵引管施工完毕后，砌筑检查井。
3、定向钻施工的技术特点。定向钻施工具有先进的导向系统，中靶準确，机械回转扩孔速度快、噪声低，机械占用场地小，不阻断交通，不影响环境等。
4、定向钻施工技术的应用范围。该技术广泛应用于穿越公路、铁路、河流以及在闹市区、古迹保护区、农作物和植被保护区等不允许或不能开挖的条件下敷设、修复、更换管道。
二、施工方案选择问题分析
工程概况：设计压力 1.6MPa, 管径 DN300, 最大工作压力 1. 52 MPa, 供水温度 Tg= 130℃, 回水温度 Th= 70℃。管线采用预制保温管直埋敷设方式, 管道热补偿采用拉杆补偿器和自然补偿。埋深 7. 3 m, 全长 72 m。按以往施工经验, 一般采用河流改道, 深井降水, 基槽开挖的施工方法, 施工周期长, 工程造价高, 承担的施工风险大, 经过现场仔细勘察, 确定使用水平定向钻进铺管技术进行施工, 有效缩短了施工周期。水平定向钻进铺管技术是一种现代非开挖施工新技术, 主要用于穿越河流、公路、铁路、建筑物等障碍物铺设各种管线。定向钻进的基本原理: 按预先设定的地下铺管轨迹钻一个小口径先导孔, 随后在先导孔出口端的钻杆头部安装扩孔器回拉扩孔, 当扩孔至尺寸要求后, 在扩孔器的后端连接旋转接头、拉管头和管线, 回拉铺设地下管线。
三、施工工艺分析
水平定向钻进铺管的施工顺序为: 地质勘探、规划和设计钻孔轨迹、配制钻液、钻先导孔、回拉扩孔、回拉铺管。
1、地层勘探及地下管线探测。首先按建设单位提供的设计勘探资料了解有关地层和地下水的情况, 为选择钻进方法和配制钻液提供依据。其内容包括:土层的标准分类、孔隙度、含水性、透水性以及地下水位、基岩深度和含卵砾石情况等。地下管线探测主要了解有关地下已有管线和其他埋设物的位置, 为设计钻进轨迹提供依据。采用电磁法对已有管线资料进行复核。
2、钻进轨迹的规划与设计。导向孔轨迹设计是否合理对管线施工能否成功至关重要。钻孔轨迹的设计主要是根据工程要求、地层条件、地形特征、地下障碍物的具体位置、钻杆的入出土角度、钻杆允许的曲率半径、钻头的变向能力、导向监控能力和被铺设管线的性能等, 给出最佳钻孔路线。
3、配制钻液。根据本工程地质情况, 钻液由水、膨润土和烧碱组成。投入烧碱量为膨润土量的 2% 。
4、导向孔钻进。导向孔钻进的关键技术是钻机、钻具的选择和钻进过程的监测与控制。要根据不同的地质条件以及工程的具体情况, 选择合适的钻机、钻具和钻进方法来完成导向孔的钻进。钻机与钻具的选择: 钻孔主要靠钻机产生的推力、旋转扭矩以及所提供钻液的流量、压力来完成施工。特别是长距离穿越,一方面, 由于管线及钻杆自重较重, 钻杆与地层之间产生的摩擦阻力较大, 钻机的回拉力及扭矩必须足够大; 另一方面, 为了确保工程成功, 应尽量避免工程中途停钻, 因此钻机连续运转时间相对较长, 这就必须要求钻机具有良好的性能。本工程采用 HT-16C 非开挖定向钻机, 主要技术参数为: 动力: 85 kW; 最大输出扭矩: 5400 N•m; 钻机回拖力: 160 kN ; 钻机给进力: 90 kN; 输出转数: 0 rpm~ 90 rpm; 入射角: 0°~ 30°; 泥浆泵最大排量: 150 L/min; 泥浆泵最高压力: 10 MPa; 钻杆规格: 60×2 000; 一次推进行程: 2 000 mm; 扩孔直径: 160 mm~ 660 mm; 主机质量: 3500 kg。
监测与控制: 在钻进导向孔时能否按设计轨迹钻进, 钻头的准确定位及变向控制非常重要。本工程采用电磁波法。电磁波法的测量范围较小, 一般在 300 m 以内水平发射距离, 测量深度在 15 m 左右。电磁波法测量的原理为: 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, 以便及时纠正。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并显示, 以便操作手能控制钻机按正确的轨迹钻进。
5、回拉扩孔铺管。铺管前, 预制供热管道, 管道接口全部无损探伤后防腐保温。在回拉扩孔铺管施工中的关键技术就是根据不同的土层、地下水位以及最终成孔直径正确地选择回扩钻具和每次的进刀量,正确地选配钻液和确定钻液的流量。扩孔器类型为刮刀式等。一般要求选择的最大扩孔器尺寸为铺设管径的 1. 2倍~ 1. 5 倍, 这样能够保持泥浆流动畅通, 保证管线能安全、顺利地拖入孔中。回拉扩孔铺管特别是在长距离回拉扩孔铺管中, 泥浆作用尤其重要, 孔中缺少泥浆往往是工程失败的主要原因。一般地层泥浆较易漏失, 泥浆漏失后孔中缺少泥浆, 钻杆及管线与孔壁间的摩擦力增大, 导致拉力增大。要保持在整个钻进过程中有返浆,这对回拉扩孔施工的顺利进行尤其重要, 在同一工程中如遇到地层条件是硬岩、泥灰岩和砾石交替变化, 应及时调整钻液以产生不同的泥浆。
6、安全保护系统
一是防触电报警系统一旦地下钻头触及电缆等带电体后, 钻机发出触电警报, 此时操作手必须坐在座椅上不得离开, 以免触电。警报解除后, 操作人员方可离开钻机。二是远距离遥控紧急停机装置随钻跟踪测量者应时刻保持与钻机操作手的联系, 一旦发生意外应及时处理。目前一般采用无线通信联络方式, 有时由于受到当时当地环境的影响, 这种方式已不能应付紧急突发事件。所以在施工中应由随钻跟踪者采用紧急措施停止钻机工作, 待处理完, 由后者解除对钻机的限制后, 方可启动钻机。
四、结语
水平定向钻进铺管技术与传统施工方法相比, 在市政管道施工中具有创新性的优势和优点: 对地层干扰少；设备安装及施工速度快；可控制方向、可绕避障碍, 施工精度高； 一体式锻造钻杆刚柔兼备, 灵活安全又可靠； 扭力强劲, 小设备能铺设大管道；钻杆自动装卸, 效率更高、更安全；施工使用面广, 各种管道铺设都适用；在工程造价方面, 经济合理。
参考文献:
[1] 刘金生. 基于城市给排水管道非开挖施工技术的探讨 [ J] .山西建筑, 2008, 34(4): 190-191.
[2] 徐至钧. 管道工程设计施工手册[ M ] . 北京: 中国石化出版社, 2004: 597-604.