定向钻进技术在供水管线施工中的应用

1定向钻进技术在供水管线施工中的应用摘要非开挖敷设管道技术作为一种现代化管道敷设技术，近年来得到广泛的应用。由于它不需要大开挖取土，能穿越地面构筑物和地下管线及公路、铁路、河道，节省了大量的投资和施工时间。这项技术的快速发展也使市政工程在敷设大量的管线时，对城区的交通、噪音、粉尘的危害和影响大大降低，是真正的无污染、高效率的施工技术。在非开挖技术行业中，定向钻进一直是主要的增长领域。目前，在供水部门中定向钻进已是一种普遍的施工工艺。南京市高淳县DN800（外径Φ842mm）浑水管穿越石固河、湖滨景观大道的施工,就是采用定向钻进穿越技术,其施工方法及要点值得认真总结。关键词非开挖敷设管道技术；快速发展；定向钻进前言近年来，由于设备能力有了明显的改善，非开挖技术的优越性也2得到了更多的赞赏。非开挖施工除了有显著的环境效益外，在许多工程应用中，导向孔钻进的相对成本已经降低到明挖法施工之下，即使忽略明挖法过程中的干扰与延缓交通等社会成本时也是如此。高淳县石固河不通航，但是河面上有大量的围网养殖，围堰施工不可避免要拆除养殖设施，必然要支付数量可观的补偿费用，同时改变河水水质，影响到下游村民正常的生产生活，况且湖滨大道是高淳第一景观大道。综上所述，采用分段围堰及大开挖的施工方法，不但阻断交通还有防洪方面的问题。因此从工期、环境、工程量、造价等方面考虑，经技术经济比较，决定采用水平定向钻进技术来实现管道穿越。定向钻进穿越工作过程，就是通过定向钻机的操控、计算机控制及地面其他检测仪器进行导向和探测，通过泥浆的护壁、润滑、携带、冷却作用，先钻出一个与设计曲线相同的导向孔，然后再将导向孔逐渐扩大、挤压，形成一个光滑规则的孔洞，最后把管线回拖到扩大了的导向孔中，完成管线穿越的施工过程。一、工程概况3南京市高淳县原有水厂1996年建成对外供水，日供水能力为5万立方米，但最高日供水量早已超过5万立方米，水厂已经处于超负荷运行状态。除了对水厂进行技术改造外，使设备基本达到安全运行状态。同时实施水厂扩建，扩建一标段开工建设了6000立方米清水池，清水池投入运行后，大大提高了水厂夜间储水能力，确保了2008年夏季高峰用水。为确保今后高峰供水的安全性，2009年水厂扩建二标段开工，其重点是一泵房～水厂5.2km的Φ842mm浑水管道的施工，其中Φ842mm钢管穿越工程，地点位于高淳县永联圩附近，石固河、湖滨景观大道两侧。采用螺旋钢管定向钻进，穿越设计水平长度为272米，铺管深度10米，入土角9°，出土角6°。二、设备构成高淳Φ842mm浑水管穿越石固河、湖滨景观大道施工过程中采用的穿越设备主要有DL500定向穿越机，设备最大推拉力为50t，最大扭矩为3000Nm/31rpm。该水平定向钻穿越设备主要由穿越主机、动力系统、泥浆系统、控向系统和钻具五大部分组成。泥浆系统主要由泥浆加料系统、泥浆搅拌系统、泥浆回收系统及配套的动力部分组成。大多数定向钻机采用钻进液辅助碎岩钻头，钻压从钻杆尾部施加。钻头通常都带有一个斜面，所以钻头连续回转时则钻出一个直孔，而保持钻头朝某个方向不回转加压时，则使钻孔发生偏斜。探测器或探头可以安装在钻头内，也可安装在紧靠钻头的地方，探头发出信号，被地面接收器接收或跟踪，从而可以监测钻孔的方位、深度和其它参数。在那些从地表不能稳定跟踪钻孔轨迹的地方，或因钻孔深度太大，用4无线电频率方法难以保证定位精度的地方，也可采用有线控向系统，其缆线通过钻杆连接。在高淳项目中采用的就是有线控向系统，及Turtracke地面信标辅助控向系统。三、穿越施工的要点定向钻进穿越过程主要分为三步：钻进导向孔、扩孔、回拖管。1、钻导向孔一切施工准备就绪后，开始钻导向孔。定向钻头在钻机的推力作用下，由钻机驱动旋转切削地层，按设计钻孔轨迹前进，完成整个导向孔的钻孔作业。现场导向孔根据设计图纸的要求，钻孔轨迹是入口的造斜段——水平直线段——出口的造斜段。为了保证钢管回拖的顺利进行，入口的造斜段每根钻杆调整一次角度，每次调整的角度都不超过0.8o。由于入口的造斜段位于相对比较软的土层中,现场可能会出现角度变化过快、超深的现象，较难控制。因此在入口的造斜段钻进过程中,放慢了速度，每1.5米～2米就观察一次，停机观察的频率较高，并且采用多推少转和不连续转的方法来控制推进长度和转进长度，总的来看现场效果不错。这样能及时发现变化的偏向趋势，及时纠偏。水平段穿越软地层过程中，采用在48o左右工作角度时，慢慢推进约几米之后，再调整工作角度到300o左右缓慢推进，杜绝180o工作角度的钻进，钻进时经常停机观察角度变化的趋势，随时纠偏。为了避免出口的造斜段不抬头的现象，现场采用±30o～70o工作角度的推进来抬高角度，尽量不使用钻进。钻至出口的造斜段时，安排施工人员在出土侧那里进行观察，发现了5冒浆的地方及时与现场负责人和控向人员联系，进行验证控向操作数据信息。在钻进过程中，为了防止钻头偏离设计轨迹而发生事故，必须对其进行有效监控,实施纠偏,因此现场的有线控向系统发挥了重要的作用。有线控向系统是由探测器（探棒、探棒加长杆等组成），中心控制单元（控向控制台、司向控制台等组成），安装了导向程序的电脑、打印机组成的。因为现场的施工环境不好，所以探棒和探棒加长杆连接要缠绕生胶带，探棒输出和控向线连接要牢固，避免脱扣，并且要保持干爽，以免控向系统在操作过程中发生信号接受及传送的中断，因为信息反馈的准确性、连续性是精确定位和及时控向的基础。在钻进过程中，钻头内信号棒发出的信号被接受处理后，显示出钻头的深度、位置、角度等信息，便于控向员、司钻手随时掌握、调整钻头方向，保证了Rmin（实际）＞Rmin（设计文件和施工方案）【实际最小曲率半径＞设计文件和施工方案要求的最小曲率半径】，出土点沿设计曲线的纵向偏差为1.5米（满足不大于穿越长度的1%的要求），横向偏差也不大于穿越长度的0.2%，所完成的导向孔曲线完全符合设计要求。2、回扩孔导向孔完成后，卸下钻头及控向系统，接上扩孔器，从出土点向入土点进行回拖预扩孔，必须将钻孔扩大至适合成品管铺设的直径。此次预扩孔尺寸分六级进行，由小到大逐级进行扩孔，不越级。第一级450mm，第二级600mm，第三级750mm，第四级900mm，第五级1050mm，第六级1200mm（约为管材外径的1.43倍）。预扩孔的成败，决定了6回拖管的成败，为保证达到最佳的成孔状态，采用与地层土质相匹配的扩孔器是扩孔施工的关键。考虑到现场沿程土质的原因，前三级预扩孔采用土质切割扩孔器进行切屑式扩孔，后三级预扩孔及清孔时采用桶式扩孔器，进行挤压成孔。回扩时的旋转，回拉速度根据现场的不同地层进行调整，钻杆转动要均匀，平均扩孔速度现场控制在1m／min，保证了扩孔器切屑均匀,否则扩孔速度越快，则扭矩就越大。如果出现扭矩过大的现象，立即降低扩孔进尺速度，同时加大泥浆排量和压力，确定牙轮重新切削后逐步降低泥浆流量和压力到平均速度。如此这样就能顺利带出悬浮的泥屑，避免了泥屑在孔内的堆积。尽可能保证扩孔速度的均匀和泥浆排量、泥浆压力的均匀，并根据扩孔速度随时调整泥浆的排放和压力，保持井口返浆容量较大和流速基本不变，避免返浆倒灌入孔道内。3、回拖钢管扩孔及清孔成功后，管线回拉进入充满泥浆的孔中，进行回拖钢管。回拖是穿越的最后一步，也是最关键的一步。拖前将钢管全部焊接安装完毕，管道内外防腐及管道的预水压试验按照规定完成，并经甲方及监理验收合格。在预扩孔时，根据出土角和管线埋设的深度，在入土点前端按一定的比例放坡开挖一条发送沟，发送沟内把石块及硬物全部清除干净，以免钢管底部与沟底硬物发生摩擦，划伤钢管防腐层，并降低了回拖拉力。把成品管线放入发送沟内，采用专用滚轮架空的方法，以便减少摩擦力，保护管线的涂层。在确认各项工序已经都达到设计标准及施工方案后，经甲方及监理确认方可回拖管线。7回拖前仔细检查旋转接头、连接头、扩孔器的连接，确定连接牢固，重点检查管道两头的封堵情况，确保管道内在拖拉时不受泥浆的污染，发现拉管导向头与钢管有间隙，就立即进行封堵，现场选用了16mm厚壁管封头及厚壁钢板，经加工后焊接制作。为保证其强度，同时在拉管头与钢管衔接处用六块钢板进行加筋处理。一切准备工作就绪后开始回拖。回拖时连续进行，一气呵成，中间不得停顿，直至成品管线在钻机侧出土为止。回拖时入土点、出土点两边必须要加强联系，协调配合将管线敷设到预定位置，一次性成功穿越。四、重视泥浆的作用钻进液是定向钻进穿越施工的“血液”，钻进液通常是钻进泥浆。钻进泥浆有许多功能，最基本的是维持钻孔的稳定性。钻进泥浆经泥浆泵泵入钻杆，从钻头喷射出来，再经过钻杆与孔壁的环状间隙返回地面。在此过程中，泥浆可软化地层从而辅助破碎地层，可以调整钻进方向，稳定孔壁，可携带钻屑出来，并且具有冷却、润滑钻头，扩孔和回拖管时润滑管道的功能，同时为回拖管线提供出足够的环形空间，减少回拖阻力，有利于管道的回拖。高淳现场在预扩孔之后进行清孔施工中，加大了泥浆流量20%～30%，这样会尽量携带更多的土屑和砂粒出来。同时，将从孔洞中返出的泥浆引流到泥浆回收池中，然后用30Kw的泥浆泵将返浆抽吸到泥浆循环处理系统中进行二级振动除砂和旋转离心分离，确保处理过的泥浆含砂量＜1.0%。最后将这批泥浆加注到制浆系统中，添加已配8制好的钻液添加剂，重新配制成可以满足穿越工程需要的泥浆，再用泥浆泵打入到孔洞中。水是钻液的主要成份，膨润土和聚合物通常称为钻液添加剂。没有一种钻液在任何土质中都适应，只能是配置最合适的钻液。现场配制的原则是：“三高一适当”，即高膨润土含量，通过添加化学处理剂改善泥浆的性能，使之具有高粘度、高切力和适当的密度。具体配制方法是：在加足、加好膨润土的同时，按比例加正电胶和FT-护壁剂，提高液相粘度．使其粘度达到50秒以上，以达到“三好一低”的技术要求：造壁好、携带好、悬浮好、失水小。结论高淳水厂扩建二标段Φ842mm浑水管分项工程——定向钻进回拖管工程系南京市自来水总公司历年来口径最大的供水管道穿越工程，在施工中钻孔稳定，回拖阻力小且回拖顺利，取得了圆满成功。现场的技术人员严格把关，优化施工方案，施工人员分工明确，管理有序，在穿越过程中，各环节衔接顺畅，每一道工序都按规程要求办理，把可能出现的事故隐患消除在萌芽状态，为今后供水管道定向穿越施工积累了宝贵的经验。如何控制好施工中各个环节的关键技术，把握好施工方法及要点，将直接决定着工程的成败。以上是笔者结合高淳定向钻拖管现场的施工经验，对几个重点环节进行的浅谈，不足之处敬请专家指正。参考书目与文献91、中国非开挖技术协会.水平定向钻进管线铺设工程技术规范(试行)20012、乌效明，胡郁乐.导向钻进与非开挖铺管技术[M].武汉:中国地质大学出版社,20043、姚健.水平定向钻穿越施工技术在市政给水工程中的应用[J].城镇供水.2008年第4期:52～P544、何宜章.我国非开挖行业之现状[J].非开挖技术,2003(4/5):21～235、贾卫波.水平定向钻在大口径管线穿越中的应用[J].石油工程建设,2001年10月第5期:32,346、范培焰.有线控向系统在定向钻穿越中的应用[J].石油工程建设,1999，25（3）：35～387、汪澜,苑学松,李明.有线控向技术在定向钻穿越施工中的应用[J].石油矿场机械,2007年第36卷第12期:65～688、周亮.武汉长江左汊水平定向钻穿越施工方法[J].城市建设,2009年4月第25期9、解滨.论大口径管道水平定向钻穿越施工技术[J].安徽建筑，2009年第3期（总第166期）：69，7010、许文澧.给排水管道非开挖施工新技术[J].厦门科技,2005年第4期