水平导向钻进管线敷设技术应用.doc

水平导向钻进管线敷设技术 在武钢非开挖工程中的首次应用 摘要：针对武钢老工业区的地下以及地表的复杂条件，武钢引进水平导向钻进技术，在节水示范工程进行了首次应用，对该区域的导向轨迹设计方法、以及导向钻进、回拉铺管等相关技术进行了实践探索，采用了钻进趋势、水平、竖向纠偏原理以及盲钻技术高效、成功地实现了导向钻进，同时对扩孔和回拉等技术进行了应用研究，为武钢老区的非开挖技术应用积累了宝贵的经验。 关键词：非开挖、导向钻进、轨迹设计 一、 概述 水平导向钻进管线铺设技术是通过导向钻进、分级回扩、回拉铺管等工序来实现管线敷设的一项先进技术。由于该技术具有对环境的影响小，可以经济、快速、大深度穿越地下障碍物而实现铺管等优越性，因此，武钢建工集团新近引进该技术，并针对武钢老区特殊环境和地层条件，在“节水示范工程”中一举成功，取得了很好的经济和社会效益。 武钢节水示范工程穿越公路、铁路、绿化带，基本贯穿武钢整个厂区。由于主要施工环境处于武钢老区，各种阀门井、管道支架基础多；地下管线纵横交错；地表高压线路网络密集；地表铁质材料较多，地层也以填渣居多，因此，在这些特殊环境和地层条件下应用水平导向技术，具有一定的难度和挑战性。 下面以该工程6号门至厂区段为例，总结了该技术在武钢老区的成功尝试经验，对施工过程中的关键技术问题进行了研究探索。 二、技术参数的选取和轨迹设计 施工标段需穿越265m绿化带，5条铁路，针对环境、地质条件，确定主要设计和施工参数如下： 1）覆盖深度： 铁路下取4m，其它取2m。 2）入、出土角和曲率半径 入土角取13o～15o，出土角取12o～13o。 3）钻进测量与精度 导向孔出口处左右±0.5m，上下±0.5m。 4）钻孔轨迹控制 钻进导向孔时为保证测量精度每1m进行一次测量。 工程分两段进行：第一施工段长265 m，采用CASE6060型钻机施工，穿越管线埋深2m。轨迹设计如图1所示。 第二施工段长度为100 m，采用ZT-18型钻机施工，穿越管线埋深设计为：2条重轨铁路≥6m，另外3条铁路≥4.6m。.轨迹设计如图2所示。 由于环境、地层条件复杂，且该技术是在武钢老区的首轮应用，因此，本工程施工前进行如下工作：施工人员技术培训，现场环境调查（地上干扰、危险源，地下障碍物、土层结构等）。 图1：第一施工段设计轨迹图 图2：第二施工段设计轨迹图 三、施工工艺和关键技术问题 水平导向钻进管线敷设技术实质上就是通过技术手段在土层中形成平滑、稳定的孔洞，减小拉管阻力，实现回拉敷管。本次穿越历时15天，成功完成铺管任务。在施工过程中遭遇了诸多难题，通过探索和总结，掌握了在该区域施工的关键技术。 1.导向钻进 根据该工程的地层情况，宜采用慢转、适当的给进压力、较大射流压力等规程参数，所以在施工中控制的参数范围为：动力头转速15～35r/min，给进力2～5MPa，射流压力5～7 MPa，从而保证高效的导向钻进。 （1）入土角α、出土角β的确定：施工中如果入土角α值过小，则覆盖土深度较浅，土质松软，钻杆很难以设计的α值钻进，钻杆往往翘出地面；如果α值越大、钻进越长，则越不利于导向钻进，不可能很快地减小钻杆埋深，从而加大管线埋深。因此，该工程采取垫高锚板以及降低钻机地坪的办法来确保入土角。另外，出土角β值过大亦对施工不利。 （2）造斜段：造斜段主要就是确定曲率半径（Rd），在满足钻杆和铺设管道的变形极限条件下，减少钻杆损伤和铺管阻力。导向钻进施工时，如钻杆倾角变化量γ=1o或2o时，形成的曲率半径值见表1（由作图法得出）。 表1 不同钻机钻杆允许的曲率半径值 钻 机 钻杆长度L1 每根钻杆允许变化的角度 γ=1o γ=2o CASE6060 4.57m Rd=261.845m Rd=130.928m ZT-18 3.0m Rd=171.89m Rd=85.948m （3）钻进趋势、钻具轴线与实际钻进方向之间的关系：在施工中常常会出现钻杆偏离设计轨迹难以很快纠偏回到设计轨迹的情况，而且钻头很容易回到老的孔洞，往往重复很多次才纠偏成功，影响施工进度。究其原因，由于钻杆刚度与土层反作用力的影响，实际钻进方向是介于钻进趋势与钻具轴线二者之间的某个方向（如图3所示）。 三者关系直接影响到导向孔的精度。在武钢老区施工经验为：在中硬质土层中，实际钻进方向与钻具轴线方向夹角约3o～7o（以钻杆长度3m为例）；在软质土层中，实际钻进方向与钻具轴线方向夹角约1o～3o。实践效果表明：上述原理确保了导向孔精确地按设计轨迹行进。 图3：钻进合成示意图 （4）水平向纠偏：施工中不可避免会出现水平