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【摘 要】水平定向钻进铺管法是一种性价比很高的铺管方法，它在长距离的特殊穿越工程中有着良好的应用。但作为一门新兴技术，在具体实施过程中仍有许多要点值得探讨。笔者结合工程实例，详细介绍了某工程供水管道穿越城市道路不开挖水平定向钻进施工工艺，就施工技术工艺及施工过程中的质量控制措施进行了详细探讨，并进行了阐述。
【关键词】供水管道；水平定向钻进；施工工艺
1 引言
目前，随着城市化建设的不断发展，人们对城市的交通和环境的要求也越来越高。在城市繁忙的交通路段，开挖敷设地下供水管道势必会影响环境与城市交通，特别是横穿城市主干道的地下管道。管道水平定向钻进施工在管道穿越公路、鐵路、建筑物、河流、湖泊、古迹保护区、闹市区、农作物及植被保护区施工时可以带来显著的社会效益、经济效益。采用水平定向钻进技术是一种比较理想的施工工艺，也是地下管线施工中穿越障碍时常用的一种施工技术。采取水平定向钻进施工方法不仅会产生良好的经济效益，而且产生良好的社会效益。但作为一门新兴技术，在具体实施过程中仍有许多要点值得探讨。下面笔者结合工程实例，对在供水管道水平钻向施工的技术及施工工艺进行总结、分析并进行探讨。
2 水平导向钻进原理
导向钻进铺管法原理：使用水平定向钻机进行管线穿越施工，其工作过程是通过导向仪进行导向和探测，先钻出一个与设计管线相同的导向孔，然后再将导向孔扩大，把产品管线回拖到扩大了的导向孔中，完成管线穿越的施工过程，实现不开挖铺管。
3 导向孔的钻进过程
施工过程一般分为三个阶段：第一阶段是按照设计管线尽可能准确的钻一个导向孔；第二阶段是将导向孔进行扩孔，造孔泥浆固壁；第二阶段是将管（本工程为PE管道）牵引入已造成型的孔洞中，完成管道敷设工作。导向钻进是铺管成功的关键环节之一，这个过程需要至少两名操作人员，一名钻机操作者，操作钻机，控制钻具在地下的状况；另一名是定位探测仪操作员，负责监测、探测钻头在地下的走向、标高和进尺情况。钻头上装有可发射无线信号的探头，它可穿过地层发出一种特殊的电磁波，操作员手中的探测器可以接受这些信号，并经过处理后，让钻机操作者及时了解钻头目前的位置，显示的信号包括钻头走向、深度和面向角等信号，通过仪表掌握钻进过程中施加给钻杆的压力和回转扭矩，及时调整钻头的方位，确保钻头按照事先设计好的轨迹钻进。钻机操作者在钻机仪表盘上，还可以看到来自探测装置反馈过来的一切信息，钻机操作者通过这些信息来调整钻头方位，操作台上的液压仪表和远距离信息显示仪表，就像操作者的眼睛一样，可以随时观察孔底情况。
4 扩孔
扩孔的工艺过程：预扩孔就是在实际铺设管线之前，经过一次或多次的扩孔来扩大钻孔的直径，以减小回拉铺管的阻力，确保施工顺利完成。成孔孔径要求在牵引管组外切圆的1.2～1.5倍。导向孔钻完成后，将钻头从钻杆上卸下，安装上合适的反扩孔钻头和分动器，然后在分动器后面接上回拉钻杆，进行扩孔钻进。扩孔的速度和地质及钻机的参数等因素有关，要选用合适的扩孔工艺参数才能顺利完成扩孔工序。
5 管材选择
牵引管常用管材有钢管和PE管。PE管由于韧性好、耐腐蚀性强在污水和燃气领域应用广泛，但PE材料强度低，具蠕变性，存在工后收缩问题，接头处需设固定镇墩，遇重要工程还需加设套管，故中小型工程应用较多。钢管具备一定柔性，强度远高于PE管，只要解决好腐蚀问题，可靠性大大高于PE管。该工程为供水干管，要求保证率高，输送介质为净水，腐蚀度较轻，另外现场开阔，无其他建（构）筑物干扰，曲线平直，非常适宜采用PE管。
6 回拖管线
回拖管线的工艺过程：经过预扩孔后，才可以进行PE管的回拖工作，回拖管线时PE管在扩好孔的孔中是处于悬浮状态，管壁四周与洞之间由泥浆润滑，这样即减少了回拖阻力。经过钻机多次预扩孔，最终成孔直径一般比管子直径大150mm，所以不会伤害PE管外壁。先将拉管头与待铺管道联接起来，然后将拉管头与分动器联接，随着钻杆的回拉，管道慢慢进入孔内，直到完成全部管道的铺设。然后卸下扩孔钻头及分动器，铺管工作完成。
7 泥浆
钻液混合搅拌与泵送系统是钻机施工系统的重要组成部分。混合搅拌系统是将水、膨润土、聚合物等按一定比例加入混合仓，而后进行充分搅拌形成钻液。泵送系统是由钻液泵将钻液通过中空钻杆输送至孔底钻头，并与孔中钻屑混合形成泥浆在孔底流动。泥浆是定向穿越中的关键因素，被视定向钻的“血液”，其主要作用是携带和悬浮钻屑并排到地表、稳定孔壁和降低钻进时所需的扭矩和推拉力、冷却和冲洗孔底钻具。泥浆的主要工艺性能是流变性和失水造浆性，现场控制的主要因素是泥浆的粘度、各种添加剂的配制以及泥浆的压力和流量。
7.1 泥浆性能的控制和调整
泥浆添加剂：为保证泥浆具有良好的流变性、高携砂性、固壁和润滑性能、在配出基浆的基础上，再按基浆重量的2～4‰比例加入的各种泥浆添加剂，使用的泥浆添加剂有：增粘剂、固壁剂和润滑剂等。粘度控制：根据穿越段地层情况，在钻导向孔阶段，泥浆粘度控制在35～45S；在预扩孔和回拖阶段泥浆粘度提高5～10S；实际工作中，泥浆的粘度随土层的不同而变化，并选用不同的添加剂。
7.2 泥浆用量
定向穿越泥浆压力和流量是控制原则是高流量、低压力，通过调整高压泥浆泵的档位和转速、泥浆喷嘴的直径和数量、控制钻进和回拉速度等。
8 具体施工技术方案和措施
8.1 工程概况
某项目自来水管道工程，管材采用给水PE管，管道直径De200，压力等级1.0MPa，管道覆土≥0.7m，需穿越城市主干道敷设，管道全长60m，管道采用定向水平钻进施工。
8.2 现场勘查
采用RD4000专业地下管线探测仪进行现场勘查探测，确定地下管线管网管位，绘制地下勘测图，设计施工工艺与微控铺管轨迹中心，确定施工方案。
8.3 根据设计的要求、施工现场地质情况、原有地下管线和施工设备能力为依据，确定铺管中线及深度，设计导向孔轨迹。 8.4 施工准备
确定铺管地面走向线，并在路面标示，沿走向测量标高，施工导向孔的深度，并将以此为基准。开挖施工工作坑。设备的安装：做到平稳、牢固、周正，钻机轴线与钻进轨迹设计方向成一条直线，并敷设的管道两端开挖工作坑。
8.5 导向孔施工
设计管道导向孔轨迹线，采用CT-320定向钻机作导向钻进，根据设计轨迹线，利用RD386L型定向系统导航仪进行跟踪导向，控制导向孔的轨迹，使导向孔轨迹接近设计轨迹。
8.6 扩孔
采用逐级扩孔（或挤压）的方法，根据拉管数目（本工程只有一根管，可以多根管一起拉）与该地段地质的实际情况，分级采用准200～准600mm钻头进行分级扩孔，同时进行喷浆固壁造孔，直至达到牵引工艺要求所需孔径。扩孔时，转速为90r/min，孔径增大，转速降低，扭矩控制在10～12MPa，泵量为120r/min左右，泵压为6～10MPa。扩孔的原则和需要注意的事项：
8.6.1 扩孔时，回扩头后面带的不是管子而是钻杆，钻杆是通过万向节与回扩头连接被拖入钻孔中的；
8.6.2 在将后面的钻杆安装之前，要确信钻机是被锁定的；
8.6.3 当扩孔完成，拉完足够的钻杆后，将钻机锁定，用液压管钳在出口点卸开钻杆接头，接上回扩头、万向接和钻杆转换连接杆；
8.6.4 按照安全操作步骤进行扩孔。保持机组成员与操作员密切联系、确保整个连接过程的安全；
8.6.5 扩孔时视工作坑反浆情况，合理调配泥浆的粘度、比重、固相含量等技术参数。
8.7 铺管即回拖管线
鋪管前，先按设计要求的PE管焊接安装，采用牵引铺管的方法，将其管道回拉拉入孔内。回拉管前必须使孔内余土出尽，安装专用拉管工具头，在拉管头前带一个略大于拉管头的扩坑钻头，当拉管受阻时，可转动钻头以减小拉管阻力。拉管到位后，切除拉管头、封堵管口，现场清理即敷设管道工作完成。回拖管线是水平钻进的最后一步，也是关键的一步。回拖管线时应注意事项有：
8.7.1 回拖的过程中，主要是目标是将回扩头切削下的钻屑与钻液混合成泥浆，以便将泥浆排出，为新装管线提供足够的空间；
8.7.2 回拖的过程对于成功地完成一个钻孔是非常重要的，这时需要合适性能和足够的钻液；
8.7.3 将回扩头与钻杆连接起来之前，检查万向节是否可用手自由转动；
8.7.4 拖头是锥形的封头，要求能承受回拖过程中将要承受的回拖力；
8.7.5 在回拖前、过程中和回拖之后，操作员和在产品管线一侧的机组成员之间要求有良好通讯，随时反馈各自的信息，从而保证回拖工作的顺利进行；
8.7.6 回拖时回扩的速度不宜太快，需要时间切削地层并将切屑混合成泥浆。
8.8 关键工序和特殊过程的控制
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。钻进过程中对钻头的监测方法主要通过随钻测量技术获取孔底钻头的有关信息。孔底信号传送的方法是采用电磁波法。电磁波法的测量范围较小，一般在300m以内水平发射距离，测量深度在15m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。目前，电磁波法在中小型钻机上应用较多。
9 结语
国内管道建设中水平钻进技术已得到普遍的应用，从技术、经济、安全等诸多方面进行分析比较，钻进技术是可以获得较好的经济效益和社会效益，也适合现代城市建设的需要，也得到从业者的普遍认可。相信随着管道建设的发展，以及水平钻进技术的进一步专业化，必将对国内的建设事业产生巨大的社会效益和经济效益。
参考文献：
[1]张庆合，李维.供水行业管材使用趋势分析[J].硅谷，2010，（10）.
[2]SY/T4079.水平定向钻进管线铺设工程技术规范[S].
[3]范云伟.探讨给水PE管道可能出现的问题及防治措施[J].企业技术开发， 2011，（24）.
[4]CJJ61-2003.城市地下管线探测技术规程[S].
[5]GB/50293-1999.城市工程管线综合规划规范[S].
[6]GB50268-2008.给水排水管道工程施工及验收规范[S].
【关键词】供水管道；水平定向钻进；施工工艺
1 引言
目前，随着城市化建设的不断发展，人们对城市的交通和环境的要求也越来越高。在城市繁忙的交通路段，开挖敷设地下供水管道势必会影响环境与城市交通，特别是横穿城市主干道的地下管道。管道水平定向钻进施工在管道穿越公路、鐵路、建筑物、河流、湖泊、古迹保护区、闹市区、农作物及植被保护区施工时可以带来显著的社会效益、经济效益。采用水平定向钻进技术是一种比较理想的施工工艺，也是地下管线施工中穿越障碍时常用的一种施工技术。采取水平定向钻进施工方法不仅会产生良好的经济效益，而且产生良好的社会效益。但作为一门新兴技术，在具体实施过程中仍有许多要点值得探讨。下面笔者结合工程实例，对在供水管道水平钻向施工的技术及施工工艺进行总结、分析并进行探讨。
2 水平导向钻进原理
导向钻进铺管法原理：使用水平定向钻机进行管线穿越施工，其工作过程是通过导向仪进行导向和探测，先钻出一个与设计管线相同的导向孔，然后再将导向孔扩大，把产品管线回拖到扩大了的导向孔中，完成管线穿越的施工过程，实现不开挖铺管。
3 导向孔的钻进过程
施工过程一般分为三个阶段：第一阶段是按照设计管线尽可能准确的钻一个导向孔；第二阶段是将导向孔进行扩孔，造孔泥浆固壁；第二阶段是将管（本工程为PE管道）牵引入已造成型的孔洞中，完成管道敷设工作。导向钻进是铺管成功的关键环节之一，这个过程需要至少两名操作人员，一名钻机操作者，操作钻机，控制钻具在地下的状况；另一名是定位探测仪操作员，负责监测、探测钻头在地下的走向、标高和进尺情况。钻头上装有可发射无线信号的探头，它可穿过地层发出一种特殊的电磁波，操作员手中的探测器可以接受这些信号，并经过处理后，让钻机操作者及时了解钻头目前的位置，显示的信号包括钻头走向、深度和面向角等信号，通过仪表掌握钻进过程中施加给钻杆的压力和回转扭矩，及时调整钻头的方位，确保钻头按照事先设计好的轨迹钻进。钻机操作者在钻机仪表盘上，还可以看到来自探测装置反馈过来的一切信息，钻机操作者通过这些信息来调整钻头方位，操作台上的液压仪表和远距离信息显示仪表，就像操作者的眼睛一样，可以随时观察孔底情况。
4 扩孔
扩孔的工艺过程：预扩孔就是在实际铺设管线之前，经过一次或多次的扩孔来扩大钻孔的直径，以减小回拉铺管的阻力，确保施工顺利完成。成孔孔径要求在牵引管组外切圆的1.2～1.5倍。导向孔钻完成后，将钻头从钻杆上卸下，安装上合适的反扩孔钻头和分动器，然后在分动器后面接上回拉钻杆，进行扩孔钻进。扩孔的速度和地质及钻机的参数等因素有关，要选用合适的扩孔工艺参数才能顺利完成扩孔工序。
5 管材选择
牵引管常用管材有钢管和PE管。PE管由于韧性好、耐腐蚀性强在污水和燃气领域应用广泛，但PE材料强度低，具蠕变性，存在工后收缩问题，接头处需设固定镇墩，遇重要工程还需加设套管，故中小型工程应用较多。钢管具备一定柔性，强度远高于PE管，只要解决好腐蚀问题，可靠性大大高于PE管。该工程为供水干管，要求保证率高，输送介质为净水，腐蚀度较轻，另外现场开阔，无其他建（构）筑物干扰，曲线平直，非常适宜采用PE管。
6 回拖管线
回拖管线的工艺过程：经过预扩孔后，才可以进行PE管的回拖工作，回拖管线时PE管在扩好孔的孔中是处于悬浮状态，管壁四周与洞之间由泥浆润滑，这样即减少了回拖阻力。经过钻机多次预扩孔，最终成孔直径一般比管子直径大150mm，所以不会伤害PE管外壁。先将拉管头与待铺管道联接起来，然后将拉管头与分动器联接，随着钻杆的回拉，管道慢慢进入孔内，直到完成全部管道的铺设。然后卸下扩孔钻头及分动器，铺管工作完成。
7 泥浆
钻液混合搅拌与泵送系统是钻机施工系统的重要组成部分。混合搅拌系统是将水、膨润土、聚合物等按一定比例加入混合仓，而后进行充分搅拌形成钻液。泵送系统是由钻液泵将钻液通过中空钻杆输送至孔底钻头，并与孔中钻屑混合形成泥浆在孔底流动。泥浆是定向穿越中的关键因素，被视定向钻的“血液”，其主要作用是携带和悬浮钻屑并排到地表、稳定孔壁和降低钻进时所需的扭矩和推拉力、冷却和冲洗孔底钻具。泥浆的主要工艺性能是流变性和失水造浆性，现场控制的主要因素是泥浆的粘度、各种添加剂的配制以及泥浆的压力和流量。
7.1 泥浆性能的控制和调整
泥浆添加剂：为保证泥浆具有良好的流变性、高携砂性、固壁和润滑性能、在配出基浆的基础上，再按基浆重量的2～4‰比例加入的各种泥浆添加剂，使用的泥浆添加剂有：增粘剂、固壁剂和润滑剂等。粘度控制：根据穿越段地层情况，在钻导向孔阶段，泥浆粘度控制在35～45S；在预扩孔和回拖阶段泥浆粘度提高5～10S；实际工作中，泥浆的粘度随土层的不同而变化，并选用不同的添加剂。
7.2 泥浆用量
定向穿越泥浆压力和流量是控制原则是高流量、低压力，通过调整高压泥浆泵的档位和转速、泥浆喷嘴的直径和数量、控制钻进和回拉速度等。
8 具体施工技术方案和措施
8.1 工程概况
某项目自来水管道工程，管材采用给水PE管，管道直径De200，压力等级1.0MPa，管道覆土≥0.7m，需穿越城市主干道敷设，管道全长60m，管道采用定向水平钻进施工。
8.2 现场勘查
采用RD4000专业地下管线探测仪进行现场勘查探测，确定地下管线管网管位，绘制地下勘测图，设计施工工艺与微控铺管轨迹中心，确定施工方案。
8.3 根据设计的要求、施工现场地质情况、原有地下管线和施工设备能力为依据，确定铺管中线及深度，设计导向孔轨迹。 8.4 施工准备
确定铺管地面走向线，并在路面标示，沿走向测量标高，施工导向孔的深度，并将以此为基准。开挖施工工作坑。设备的安装：做到平稳、牢固、周正，钻机轴线与钻进轨迹设计方向成一条直线，并敷设的管道两端开挖工作坑。
8.5 导向孔施工
设计管道导向孔轨迹线，采用CT-320定向钻机作导向钻进，根据设计轨迹线，利用RD386L型定向系统导航仪进行跟踪导向，控制导向孔的轨迹，使导向孔轨迹接近设计轨迹。
8.6 扩孔
采用逐级扩孔（或挤压）的方法，根据拉管数目（本工程只有一根管，可以多根管一起拉）与该地段地质的实际情况，分级采用准200～准600mm钻头进行分级扩孔，同时进行喷浆固壁造孔，直至达到牵引工艺要求所需孔径。扩孔时，转速为90r/min，孔径增大，转速降低，扭矩控制在10～12MPa，泵量为120r/min左右，泵压为6～10MPa。扩孔的原则和需要注意的事项：
8.6.1 扩孔时，回扩头后面带的不是管子而是钻杆，钻杆是通过万向节与回扩头连接被拖入钻孔中的；
8.6.2 在将后面的钻杆安装之前，要确信钻机是被锁定的；
8.6.3 当扩孔完成，拉完足够的钻杆后，将钻机锁定，用液压管钳在出口点卸开钻杆接头，接上回扩头、万向接和钻杆转换连接杆；
8.6.4 按照安全操作步骤进行扩孔。保持机组成员与操作员密切联系、确保整个连接过程的安全；
8.6.5 扩孔时视工作坑反浆情况，合理调配泥浆的粘度、比重、固相含量等技术参数。
8.7 铺管即回拖管线
鋪管前，先按设计要求的PE管焊接安装，采用牵引铺管的方法，将其管道回拉拉入孔内。回拉管前必须使孔内余土出尽，安装专用拉管工具头，在拉管头前带一个略大于拉管头的扩坑钻头，当拉管受阻时，可转动钻头以减小拉管阻力。拉管到位后，切除拉管头、封堵管口，现场清理即敷设管道工作完成。回拖管线是水平钻进的最后一步，也是关键的一步。回拖管线时应注意事项有：
8.7.1 回拖的过程中，主要是目标是将回扩头切削下的钻屑与钻液混合成泥浆，以便将泥浆排出，为新装管线提供足够的空间；
8.7.2 回拖的过程对于成功地完成一个钻孔是非常重要的，这时需要合适性能和足够的钻液；
8.7.3 将回扩头与钻杆连接起来之前，检查万向节是否可用手自由转动；
8.7.4 拖头是锥形的封头，要求能承受回拖过程中将要承受的回拖力；
8.7.5 在回拖前、过程中和回拖之后，操作员和在产品管线一侧的机组成员之间要求有良好通讯，随时反馈各自的信息，从而保证回拖工作的顺利进行；
8.7.6 回拖时回扩的速度不宜太快，需要时间切削地层并将切屑混合成泥浆。
8.8 关键工序和特殊过程的控制
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。钻进过程中对钻头的监测方法主要通过随钻测量技术获取孔底钻头的有关信息。孔底信号传送的方法是采用电磁波法。电磁波法的测量范围较小，一般在300m以内水平发射距离，测量深度在15m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。目前，电磁波法在中小型钻机上应用较多。
9 结语
国内管道建设中水平钻进技术已得到普遍的应用，从技术、经济、安全等诸多方面进行分析比较，钻进技术是可以获得较好的经济效益和社会效益，也适合现代城市建设的需要，也得到从业者的普遍认可。相信随着管道建设的发展，以及水平钻进技术的进一步专业化，必将对国内的建设事业产生巨大的社会效益和经济效益。
参考文献：
[1]张庆合，李维.供水行业管材使用趋势分析[J].硅谷，2010，（10）.
[2]SY/T4079.水平定向钻进管线铺设工程技术规范[S].
[3]范云伟.探讨给水PE管道可能出现的问题及防治措施[J].企业技术开发， 2011，（24）.
[4]CJJ61-2003.城市地下管线探测技术规程[S].
[5]GB/50293-1999.城市工程管线综合规划规范[S].
[6]GB50268-2008.给水排水管道工程施工及验收规范[S].