水平定向钻进拉管施工工法
水平定向钻进拉管施工工法
工法编号：FJGFEJ14-2011
1 前言
随着我国经济持续稳定地增长，城市化进程的进一步加快，我国地下管线的需求量也在逐年增加。加之现代文明意识和环保意识的逐渐加强，开挖路面进行地下管线施工导至的社会问题、交通问题和环境污染问题已越来越受到人们的关注，城市限制开挖施工的法规将陆续出台。非开挖技术地下管线施工具有不污染环境，不影响交通，施工周期短，综合成本低等优点。在地下管线施工中获得广泛应用。作为非开挖技术之一的水平定向钻进拉管施工，近几年来取得长足发展，在城市地下管网施工中得到越来越多的应用。在福建省泉州晋江市乌边港截污管道工程等地下管网施工中，采用该工法取得明显的社会和经济效益。
2 特点
2.0.1施工工艺简单，可操作性强，容易组织实施；通过对现场勘察，设计好穿越线路，连接钻头和管道，钻机就位，即可开始施工。
2.0.2不污染环境，不影响交通，对地层地面破坏小，能满足城市地下管网施工高环保的要求。
2.0.3成本低，社会效益与经济效益显著，可减少开挖行政审批，便于施工组织，综合成本低。
2.0.4安全性好，由于采用拉管施工，施工人员操作均在地面上进行，避免了深基坑作业等不良施工条件的影响，提高安全系数。
2.0.5管道连接质量好，因管道连接均在地面上进行，单段管道连接合格后一次拉管铺成，提高了管道连接质量。
2.0.6施工周期短，与传统“挖槽埋管法”相比，大大缩短了施工周期，无须运输和堆放土，只须运输少量泥浆。
3 适用范围
3.0.1本工法适用于市政给水排水施工。
3.0.2本工法是一种非开挖铺管技术，适用于穿越河流、湖泊、建筑等障碍的管道铺设以及不适合开挖的城市市政地下管网施工。
3.0.3适用于不含大卵石的各种地层，包括含水地层，不适用于砾石层，一般用于软土层。
3.0.4适用管材为钢管和PE管，管径为200—1200mm，管线长最大可达1500m。
3.0.5因受到探测器的探测深度限制，导向钻进深度最大15m。
4 工艺原理
定向钻进拉管技术是利用定向钻机、导向钻头和导向仪等施工设备，按照设计的钻孔轨迹(一般近似弧形)，采用定向钻进技术先施工一个近似水平的先导孔，待先导孔钻头在被穿越障碍物（河流、公路）的另一侧露出后，卸下导向钻头换上大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待铺管线，然后进行反向扩孔，同时将待铺设管线拉入钻孔。有时根据钻机的能力和待铺设管线的直径大小可先专门进行一次或多次扩孔后再回拉管线，等全部的钻杆被拉回时，铺管工作同时完成。如图4
图4 工艺原理图
5 施工工艺流程及操作要点
5.1 工艺流程
水平定向钻进拉管施工工艺流程见图5.1
图5.1 水平定向钻进拉管施工工艺流程图
5.2 操作要点
5.2.1施工准备
1应取得管线工程平面图和相应施工图纸。
2既有管线和地下管网图。
3相关技术规范。
4设计单位的技术交底。
5.2.2现场勘察
1根据有关部门提供的审批内容，对管线工程周围的地形进行测量，按施工要求初步定
出钻孔中线和地表走向；测量中心线高程，并根据要求的铺管深度初步确定导向孔的倾斜长度和入土点位置、铺管长度、下管位置，还应考虑施工用的钻机、泵站及卸管用吊车等设备布置所占用的场地和空间。
2 穿越河底的铺管工程应测量河道周围的地形地貌，河床底部形态和水位情况，穿越公路的铺管工程应考虑车辆往来情况，确保施工安全。
3 现有地下管线探测应不小于穿越路线两侧5m ，并查明现有地下管线的性质类型及所在的空间位置，可采用管线探测仪进行探测，为管线铺设轨迹设计提供参考数据，以便导向孔设计时避开这些设施，并保持一定安全距离。
5.2.3 导向孔轨迹施工设计
1 确定钻孔类型和钻孔轨迹的形式：钻孔类型和钻孔轨迹形式取决于拟铺设管线材料的性质和铺设要求、钻孔地质条件、施工单位设备的性能、现有地下管线的分布、地上地下障碍物的分布、水域覆盖面积和深度、施工安全性和经济性等条件。
2 确定出入土点和造斜段：出入土点是钻头始钻和出土的位置；造斜段是指同一孔身中由直线段变为曲线段的地段，造斜段宜选择在较硬土层中的孔段，同时要使后续轨迹避开现有管线和地下障碍物。如图5.2.3-3
3 确定钻孔孔身轨迹参数：参数包括各孔段的长度，各孔段起点和各点的倾角，采用计算法比较准确。
1）导向孔轨迹一般由三段组成，第一造斜段、直线段和第二造斜段,直线段是管线穿越障碍物的实际长度，第一造斜段是钻杆进入铺管位置的过渡段，第二斜段是钻杆出露地表的过渡段。如图5.2.3-3
图5.2.3-3
2）计算公式：
L 1=)2(1h R h -
1α=2arctg h
R h -12
（入土点） 段轨迹变化点）
C （直线段和第二曲线
段轨迹变化点 L 2 L 1 第二造斜段
第一造斜段 直线段
L 2=)2(2h R h -
2α=2arctg h
R h -22 式中 h —铺管m
L —定向钻铺管水平长度
R 1—第一造斜段曲率半径，由钻杆曲半径决定，一般为R 1≧1200d(钻杆直径mm)
R 2—第二造斜段曲率半径，由待铺设管线允许弯曲半径决定，一般为R 2≧1200d(待铺设管线直径mm)
1α—入土倾角
2α—出土倾角
2）由计算法得出各参数后，还应考虑其它因素对入口倾角和出口倾角的限制，其中钻机倾角可调节范围是限制入口倾角的主要因素，一般可在100—450
之间调节，出口倾角对于PE 管一般控制在00—300，对于小口径钢管控制在00—150以内，大口径管材一般用下管工作坑来代替第二造斜段。
5.2.4 回拉力计算：水平定向钻进回拉力计算是一个关键,直接关系到钻机与管材的选型，正确估算回拉力至关重要。
估算公式 F=()DL K D d Lf πδδπ+??
????--112 γ4D 式中：F —计算的拉力（T ）
L —穿越长度（m ）
F —摩擦系数0.1～0.3
D —生产管直径（m ）
γ—泥浆密度（T/m 3）
1δ—生产管壁厚（m ）
K —粘滞系数（0.01～0.03）
定向钻机选择宜根据上式计算值1.5～3倍来选择
5.2.5 定向钻机选择
1 根据已经计算出的回拉力等参数选择水平定向钻进铺管钻机，回拉力是其主要参数，它们是根据工程大小要求选择钻机的重要依据；回拉力20T 以下为小型钻机，20～45T 为中型钻机45T 以上为大型钻机。
2 钻头是钻进的重要工具之一，对于不同土层须采用不同种类的钻头。
1）在淤泥质粘土中施工，一般采用较大尺寸的钻头，以适应变向的要求。
2）在干燥的软粘土中施工，采用中等尺寸钻头，可以较快地实现方向控制。
3）在硬粘土中，较小的钻头效果比较理想，但应保证钻头比探头外向尺寸大12mm以上。
4）对于砂质淤泥，中等到大尺寸钻头效果较好。
3钻杆规格型号和强度、扭矩等机械性能应符合钻头工作扭矩、钻机顶力和回拉力的要求，钻杆曲径半径应不小于钻杆外径1200倍,弯曲和损伤的钻杆不能使用。
4选择适合现工程地质等级的单级或多级扩孔头。
5定位与导向仪器：在钻进导向孔时，钻进工作人员用导向仪确定钻具位置，利用导向仪获取的数据与预先设计的基准轨迹和实际轨迹进行比较，调整钻进轨迹，使其按原设计轨迹钻进。常用仪器有手持式跟踪仪，这种仪器在水平定向钻进中使用最广。
5.2.6 工作坑控制井度施工：
1为有效控制定向钻孔高程而设立的控制井，结构形式和间距由设计单位确定；
2水平定向钻进铺管可以不开挖路面，可以穿越障碍物，但还需开挖起始工作坑（即定向钻进始发点）和出口工作坑（即定向钻头出土位置），同时也为满足施工过程积存泥浆和从孔中排出的渣土的需要，占用回拉管线入孔场所。
5.2.7导向孔施工
1施工步骤：
2导向钻头方向控制：导向孔钻进是通过导向钻头高压水射流或泥浆冲蚀破碎，旋转切削成孔的；导向钻头前端为15°造斜面，该造斜面作用是在钻具不回转钻进时，斜面对钻头有个偏斜力，使钻头向着斜面的反方向偏转，钻具在回转顶进时，由于斜面在旋转中方向不断改变，斜面周向各方向受力均等，使钻头沿其轴向的原有趋势直线前进。
3导向头方向纠偏：导向孔施工多采用手提式导向仪来确定钻头所在空间位置。导向仪由探头、地表接收器和同步显示器组成。在施工中导向钻头的准确位置和造斜面方向是通过安装在钻头腔室内的信号发射器及地面跟踪导向仪来测定的，并显示在同步显示器上供操作人员掌握孔内情况，以此操作钻头纠偏。导向钻进应按设计轨迹的参数钻进，当发现偏离设计轨迹时，就通过调整钻头斜面的方向，进行造斜纠偏，直到钻头位置回到设计轨迹为止，这样就是钻出和设计轨迹重合或非常接近的导向孔。
5.2.8扩孔施工：
1扩孔是将导向孔孔径扩大至所铺设的管径以上，以减小铺管时的阻力。扩孔时将扩孔钻头连接在钻杆后端，然后由钻机旋转回拉扩孔。随着扩孔的进行，在扩孔钻头后面的单
动器上不断加接钻杆，直到扩至钻机同一侧的工作场地，即完成了这级孔眼的扩孔，如此反复通过采用不同直径的扩孔钻头扩孔，直至达到设计的扩孔孔径为止。
2根据管道曲率半径、地层条件、扩孔器类型等确定一次或分次扩孔方式。分次扩孔时每次回扩级差控制在100—150mm，终孔孔径宜控制在回拉管节外径的1.2—1.5倍。
5.2.9管材连接：钢管连接采用焊接，PE采用热熔连接。待铺管材是在回拉铺管前连接完成并试验合格后方可回拉铺管。
5.2.10回拉铺管：末级扩孔时，在回拉钻杆后接上扩孔头和旋转接头，在旋转接头后接上拉管头和待铺设的管线进行反扩铺管，当扩孔头到达钻机一侧地表时同时完成末级扩孔和铺管施工。
5.2.11钻进泥浆：
1在导向孔钻进、回拉扩孔及回拖施工时，应及时向孔内注入泥浆。钻进泥浆主要作用是稳定孔壁、降低回转扭矩和拉管阻力、防止管壁磨伤、冷却钻头和发射探头、消除钻进产生的土屑。
2泥浆材料配比和技术性能指标应满足施工要求，并可根据地层条件、钻头技术要求、施工步骤进行调整。
1）钻进泥浆常用配料：水、膨润土，聚合物等。
2）钻进泥浆PH值应控制在8～10的范围内。
3）钻进泥浆的密度一般控制在1.12～1.25g/cm3，现场用标准泥浆比重计进行测量。
3 泥浆液应在专用的搅拌装置中配制，并通过泥浆循环池使用；从钻孔中返回的泥浆经处理后回用，剩余泥浆应妥善处置。
5.2.12配套设施施工及现场清理
1管线检查井、工作井、钻机工作坑、下管坑清理回填及地面复原。
2配套设备撤场。
5.3 劳动力组织
本工法劳动力组织见表5.3
表5.3 劳动力组织情况表
焊工为焊接钢管所需，焊接PE管焊接工及设备均由管材供方厂家提供并操作。拉管机操作工、起重机操作工、焊工均需持证上岗，施工前应对施工人员进行培训。
6 材料与设备
6.1 材料
6.1.1水平定向钻进铺设的管材一般选用钢材和PE管，应具有足够强度、韧性良好的焊接性能和抗腐蚀能力。管材、焊接材、防腐层等工程材料应符合国家相关标准的规定和设计要求；
6.1.2管材除满足设计要求外，应满足铺设过程中的荷载（摩擦力、弯曲应力、浮力、张应力等）作用的总应力以及回拉力的要求。
6.2 设备
主要设备机具见表6.2.1
表6.2.1 主要设备机具表
7 质量控制
7.1 质量控制标准
7.1.1定向钻进管道施工管道允许偏差符合《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268—2008。见表7.1.1
表7.1.1 定向钻施工管道的允许偏差?
i
7.1.2给排水管道安装完成后，管道功能性试验（压力管道水压试验和非压力管道闭水试验），按《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268执行。
7.1.3导向孔钻进、扩孔、管段回拉及泥浆液等符合设计和施工方案要求；
7.2 质量保证措施
7.2.1导向孔轨迹设计必须符合现场勘察情况及设备实际性能参数。
7.2.2设备及配套机具选用必须符合施工实际状况，尤其是地质状况。
7.2.3 在导向孔施工过程中，必须不断跟踪钻头位置，当发现偏离设计轨迹时，应不断进行纠编，使其符合设计轨迹。
7.2.4钻进泥浆应根据工程实际情况进行配制，以达到施工预期效果。
7.2.5管材选择和连接应符合设计及相关规范，连接应在单段完成且验收合格后方可拉管。
7.2.6管段回拉前须检验试验合格。
8 安全措施
8.0.1拉管施工中应遵照国家、省、市颁发的有关安全操作规程以及企业管理标准，建立完善的安全保证体系。
8.0.2明确安全责任制，具体落实到个人。
8.0.3对进入施工现场的生产人员，根据相关规范进行安全培训教育。
8.0.4 在施工前应查明施工沿线地下障碍及管线情况，对穿越地段的管线及上面构筑物做好监测和安全保护措施。
8.0.5穿越城市道路、公路、铁路、河流时，应制定有效防护措施，并派专人负责看护和指挥交通。
8.0.6施工场地应设置安全警示标志，避免非生产人员进入现场。
8.0.7施工人员应着装安全标志服。佩戴安全帽、手套、工作鞋及防护口罩等。
8.0.8现场施工各岗位人员必须保持良好的工作关系，用对讲机或其他通信方式联系时，信号不清晰时不得随意判定信号内容。
8.0.9钻机设备停放在边坡上施工时，应采取措施防止滑落翻倒并做好应有的施工防护措施。
8.0.10管线连接应遵守相应的安全制度。
9 环保措施
9.0.1工程施工过程中严格遵守国家和地方政府有关环境保持法律、法规和企业的规章制度，并制定相关施工管理制度。
9.0.2将施工场地和作业限制在工程建设允许范围内，合理布置；施工规范围内做到标牌清楚，齐全，施工现场整洁文明。
9.0.3对施工中燃油、工程材料、设备废水，生产生活垃圾、弃渣等应加强控制和治理，
遵守废弃物处理的规章制度，定期清理废弃物。
9.0.4对施工中可能会影响到的各种公共设施或构筑物应制定可靠的防止损坏和移位措施，加强监测，防止发生事故。
9.0.5钻机使用过程中泥浆要用吸污车集中清运，防止污染周边环境。
9.0.6在入土点，出土点旁各开挖一个泥浆坑，并配有泥浆专用设备，保证施工现场的清洁卫生。
9.0.7优先选用先进环保的设备，采取措施降低施工噪音到允许值以下，尽可能避免夜间施工。
10 效益分析
10.0.1本工法施工工艺简单，不污染环境，无需挖槽，占用场地少，无须运输和堆放杂土，成本大幅降低。
10.0.2经济效益明显，可节约挖填土方费用、降水费用、抽水台班费用，降低施工成本。
10.0.3与传统挖槽埋管法相比，一次铺设管道长，综合造价低且管径越大，埋设越深，效益越显著，大大缩短施工周期
10.0.4社会效益显著，施工不破坏原有路面，对周边道路交通周边环境影响小，工期短，对群从生活干扰少，便于施工组织和建立和谐社会。
11 应用实例
本工法成功应用于2008年～2009年施工的福建省泉州晋江市乌边港截污管道工程，2009～2010年西崇左市宁明县，宁明污水处理及排污管网一期工程，2009～2010年广州市番禺区大石街污水处理厂首期土建工程，工程质量满足规范和合同要求。现以晋江市乌边港零工污管道工程为例进行说明。
11.0.1工程概况
福建省第五建筑工程公司施工的晋江市乌边港截污管道工程采用水平定向钻拉管施工，水平定向拉管工艺铺设管道总长达2.8km.为D450、D630、D900三种管径HDPE管。工程管道穿越乌边港河道，河宽82m，且管道走向沿当地繁华街道。地质情况大体由上到下依次为①0.3～0.6m厚杂填土；②0.2～0.3m厚粉质粘土；③1.4～2.1m厚淤泥和淤泥质土混合中砂与砾卵石等地质层.地下水位高，开挖1～2m即有地下水涌出，其中D630、D900管道穿越淤泥层，埋深4.1～8.6m，埋深3.4～5.2m。
11.0.2施工情况
管道铺设采用水平定向钻进铺管，共分21个施工管段，其中最长施工管段D630管段为358m，D900管段为305m，D450管段为212m，均一次完成拖拉管道施工。管道三次穿越河床，单跨度82m。
施工中采用手持式定向仪跟踪仪跟踪钻孔轨迹，利用检查井预留洞口加强管道工程的过程控
制。确保钻孔轨迹按设计要求施工。
11.0.3效果评价
该工程管道铺设位置位于晋江陈棣中心市区，交通繁忙，人流如织，且管道穿越通行街道，若采用明挖须完全阻断交通，且周边商铺和居民生活将受到及大影响，况且管道穿越河流，所以该工程采用拉管施工可以不必完全阻断交通，路面破坏降低到最小程度（只需检查井位置和定向钻进出入位置需破除路面）对周边交通和群众生活影响降低到最小，实际上在施工过程中从未阻断交通，群众生活依旧，也没有大量土方外运，未破坏周边一栋建筑。原本工程含一部分明挖管线，因地质原因和担心影响周边环境改成拉管铺设。质量管理方面，管道连接均在地面进行，均一次性检验合格，长距离铺设管道均一次性拖拉铺设合格，管道闭水均合格，管道位置误差符合规范。每个施工管段约200m，单台拉管设备7天就可以完工，总工期约90天，大大低于明挖施工，取得很好的经济社会效益，受到建设单位和周边群众的好评。