定向钻挖法知识介绍.pdf

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早在公元1600年前后,中国四川就出现了穿越河流的竹制卤水管道。

1888年美国曾使用浮筒浮运的方法敷设过水下管道。定向钻铺管技

术是国外八十年代发展起来的一项先进的管道铺设技术。该项技术是

国际上广为采用的一项先进的非开挖技术,它通过在土层下定向钻

孔,斜拉工艺,在不开挖路面的条件下完成敷管工程。而不必象以往

顶管必须开挖顶管机坑,具有工效高、造价低等特点,现国外已广为

采用。现在可以广泛应用于市政、电信、电力、燃气、给水等管线的

建设中,九十年代后期开始进入中国。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,在天然气、自来水、电力和电信部

门定向钻进已是一种普通的施工工艺,最近由于在施工精度上的改

善,定向钻进也被用于污水管和其它重力管线的铺设。

定向钻敷设管道只需在需要敷设管道的地段两端开挖2×1m见

方的两个工作坑,通过定向钻现在两个工作坑之间钻制导向孔,通过

扩孔器将导向孔回扩至需要的孔径,然后将需要敷设的管道在定向钻

的拉力下,通过扩制好的孔洞由一个工作坑回拉至另外一个工作坑。

由此,在只开挖两个工作坑的情况下即可完成管道的敷设。

定向钻施工法:

施工时,按照设计的钻孔轨迹(一般为弧形),采用定向钻进技

术先施工一个近似水平的先导孔,随后在钻杆端部换接大直径的扩孔

钻头和直径小于扩孔钻头的待铺管线,在回拉扩孔的同时,将待铺设

管线拉入钻孔,完成铺管作业。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二次扩孔后再回拉管线。

钻孔轨迹可以是直的,也可以是逐渐弯曲的。在导向绕过障碍物,

或穿越高速公路、河流和铁路时,钻头的方向可以调整。钻孔过程可

在预先挖好的发射坑和接受坑之间进行,也可在安装钻机的场地,以

小角度直接从地表钻进。工作管或导管的铺设通常分两步进行。首先

是沿所需的轨迹钻导向孔,然后回扩钻孔以加大孔径适应工作管的要

求。在第二步即回拖过程中,工作管通过旋转接头与扩孔器连接,并

随着钻杆的回拖拉入扩大了的钻孔中。在复杂地层条件下、或孔径需

增加很大时,可采用多级扩孔的方法将孔径逐步扩大。

在大型设备中,多数工作是通过钻杆回转完成的,设备的扭矩与

轴向给进力和回拖力一样重要。对小型设备,通常是先钻一个导向孔,

然后再将孔径扩大至所需的尺寸,同时将管道随扩孔器拉入,此时使

用钻进液有助于破岩、润滑和冷却钻头。在钻进岩石或其它硬地层时,

也可用钻进液驱动孔底“泥浆马达”,在这种情况下,需要很高的钻

进液流速。膨润土/水的混合物是常用的钻进液或“泥浆”,它能使

携带的岩屑处于悬浮状态,并能通过循环系统过滤。导向孔施工完成

后,触变泥浆可保持孔壁的稳定,以便于回扩。工作管或导管一般为

聚乙烯管或钢管,在扩孔的同时跟在扩孔器后一起捡入。

一些钻进系统被设计用于无水或钻进液的干式钻进工艺,其操作

更简单,废弃物少,不需要太多的现场设备;但要受到铺管尺寸和地

层条件的限制。

钻机可大致分为两类:地表发射的和坑内发射的。地表发射钻机

通常为履带式,可依靠自己的动力自行走进入工地。铺设新管时它们

不需要发射坑和接受坑,但管线连接时仍需要开挖。如果要求在地下

相同深度连接其它管线,则可能会造成新管的开头几米废弃。

坑内发射钻机在钻孔的两端都需要挖坑,但可在空间受限的地方

操作。一些设计更紧凑的钻机的发射坑,可只比接管所需的坑稍大一

点就行。钻杆单根的长度受坑的尺寸限制,这可能对铺设速度和钻杆

成本造成影响。

根据钻进地层的类型,选择定向钻机的能力可有很大不同。通常,

均质粘土地层最容易钻进;砂土层要难一些,尤其是其位于地下水位

之下或没有自稳能力时;砾石层中钻进会加速钻头的磨损。不带冲击

作用或泥浆马达的标准型钻机,一般不适用钻进岩石或坚硬夹层,因

为一旦遇到此类障碍物,钻头会无法进尺或偏离设计轨迹。

无江河的穿越技术是提高管道施工技术水平的重要因素。大型水

平定向钻穿越机成功解决了长距离输送管道穿江越河施工的难题。

如:位於河南省溫縣與博愛縣交界處的沁河定向鑽穿越工程全长

1136.15米,穿越深度22米,是西气东输定向钻穿越工程中地质条

件最差、穿越距离最长、施工难度及风险最大的一次河流穿越。管道

職工操縱目前世界上最大的DD-990水平定向鑽機,經過近一個

月的日夜奮戰,將重800餘噸的鋼管從22米深的地層中牽引出來

並與西氣東輸主管道實現連通。

开挖定向钻水平穿越的优点,在于它很容易达到设计埋深,防腐

层不易被破坏,能保证使用寿命,不改

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