1、非開挖水平定向鉆進管線鋪設工法1. 前 言工程建設中地下管道施工通常采用明挖和非開挖進行，明挖施工在城市基礎設施建設中通常受場地、交通、環境保護等因素制約多數無法進行；非開挖敷設管道技術在近年得到廣泛的應用。由于它不需要開挖面層便能穿越地面建筑物和地下管線及公路、鐵路、河道。這項技術的快速發展也使城市供水、燃氣、電力、通信、排水工程施工時，對城區的交通、噪音、粉塵的危害和影響大大降低。非開挖進行管線鋪設施工中，頂管施工需建鋼筋混凝土工作井、接收井，工序多，工期長，造價高，并存在較大安全風險；而采用非開挖水平定向鉆進技術進行管線施工，能縮短工期，降低工程成本。是真正的安全、無污染、高效率的施工技

2、術，目前水平定向鉆進穿越地面及障礙物鋪設管線技術正在我國蓬勃發展，為更好的推廣該工藝，公司在水平定向鉆進管線鋪設的工程實踐中，通過與安徽建工學院合作對設備局部改進，使該技術更適合多種復雜地質條件施工，并最終形成了一套高效的鋪設工法。為適用砂僵土中快速高效定向鉆進技術，在凹槽擴孔鉆頭基礎上進行改進，研發了砂僵土專用定向螺旋型鉆頭，具有如下特征：鉆頭整體采用標準螺旋型，具有切削和擴孔雙重功能；鉆頭刀片采用矩形切削刀；鉆頭前端設置梅花型噴射水眼，有利于保護砂僵土管道內壁；在鉆頭上設置3道凹槽流線，極利于砂僵土形成的泥漿流動以及鉆頭冷卻。砂僵土專用定向螺旋型鉆頭，可減小擴孔阻力，提高切削刀在砂僵土中的

3、耐磨性能和鉆進效率，達到快速高效定向鉆進效果。圖1 螺旋型鉆頭2.工 法 特 點2.1采用非開挖水平定向鉆進技術，地上功能正常使用：穿過公路、鐵路、機場可不阻斷交通；穿過河流可保證河流通暢、不阻斷通航、有利于排洪等。 2.2環保型施工：由于采用非開挖技術，減少了大量工程土的堆放，對環境影響最小。減少了地面開挖、恢復造成的浪費。2.3縮短工期，節約工程成本：采用非開挖鉆孔施工速度快，地上工程保護好，極大地節約了建設成本。 2.4節省勞力，安全可靠：與明挖開槽埋管相比較，明顯減少了勞動力。定向鉆機上配置鉆桿自動裝卸系統，定長的鉆桿排列在一個“傳送盤”上，使增加或卸下鉆桿的操作可以在鉆孔作業不停的狀

4、態下完成，加快了施工效率，施工安全，減輕了勞動強度等。3. 適 用 范 圍水平定向鉆進法的適用范圍為：管徑為3001500mm；管線長度最大可達1500m，管材為鋼管、PE管等。主要應用于穿越河流和水渠、街道、高速公路、鐵路、機場跑道、海灘、島嶼、建筑物擁擠的地方、管線通道和運河等的石油、天然氣、自來水、污水管線及其它流體的管線鋪設和電力與電訊電纜的導管鋪設等。4. 工 藝 原 理1.采用矩形切削刀，提高在砂僵土中的耐磨性能；2.鉆頭整體采用標準螺旋型，具有切削和擴孔雙重功能，到達減小擴孔阻力，提高鉆進效率；3.鉆頭前端設置梅花型噴射水眼，有利于保護砂僵土管道內壁；4.在鉆頭上設置3道凹槽流線

5、，極利于砂僵土形成的泥漿流動以及鉆頭的冷卻，提高擴孔效率。將定向鉆機設在地面上，在不開挖土壤的條件下，采用探測儀導向，在不同地層和深度控制鉆桿鉆頭方向，達到設計軸線的要求，先用導向鉆具鉆進小口徑的導向孔，然后用回擴鉆頭經多次擴孔，拖拉管道回拉就位，完成管道敷設。5.工藝流程及操作要點5.1水平定向鉆軌跡設計與原理導向孔軌跡設計是在管線剖面圖基礎上，設計出鉆孔的最佳曲線。根據開挖的工作坑、接收坑結合設計井位，按照設計管道水力坡度標高來設計鉆進軌跡。不僅需要考慮避開穿越區域的地下管線，還要考慮到水文地質、地面環境、鋪設管道的管徑材質、穿越長度深度、鉆機的性能等因素。管道施工的軌跡要滿足設計要求，必

6、須考慮入土點、出土點的斜直段、曲線段長度，嚴格控制水平穿越段各點標高。一般作業標高控制以每根鉆桿為一個控制點，按設計管道水力坡度計算出鉆進軸線上軌跡標高。入射角度根據已知數據科學計算，8-20°的入、出土角適用于大多數的穿越工程。如果單從施工的順利程度考慮，在產品管線埋設深相同的前提下，造斜距離越長則軌跡曲線越平緩，有利于后續管的順利回拖。5.2施工藝流程水平定向鉆進穿越鋪設施工普遍采用：首先鉆進導向孔，然后擴孔，最后回拉鋪管的施工技術，工藝如下圖：圖2 水平定向鉆進鋪設管線施工工藝5.3操作要點施工準備1施工主要設備及拖拉管材料選擇根據地質和設計管徑大小情況，選擇合適型號的水平定向

7、鉆機；管材的強度及環剛度必須滿足設計和施工階段的荷載要求。2測量監測 布設監測點 量測地面、管線監測點，及時反饋信息，指導鉆進施工技術參數的調整。環境監測。定時監測周邊建筑、道路裂縫、水位等信息變化，及時直接預警、控制沉降量。3 開挖工作坑和鉆屑池根據設計的導向孔軌跡，在距離檢查井經計算好的距離處開挖一個入口工作坑，在距末檢查井經計算好的距離處開挖一個出口工作坑，欲鋪設的管線直徑大，則出口坑必須延長成適合管道平直回拖的長槽。鉆屑池位于入口坑附近，用于收集從入口坑流入的鉆屑泥漿，市區也可用泥漿罐車。對于地表始鉆式鉆機錨固在地表，出入口工作大小坑視管線埋深和管徑適當調整。而坑內始鉆式鉆機的工作坑，

8、因需要利用坑的前、后壁承受鉆進中的給進力和回拉力，則必須對坑壁進行加強和支護。導向孔與鉆進施工常用的孔內控制鉆進方向的機構稱為導向鉆頭，他在鉆頭底唇面采用非平衡結構設計，鉆頭唇面是一個斜面，當鉆頭連續回轉時鉆進直孔；保持鉆頭朝某個方向不回轉加壓時，則使鉆孔發生偏斜，鉆進斜孔。 鉆桿 探頭盒（內裝探頭） 鴨嘴板圖3 導向鉆頭1 工作坑內安放導向鉆具。檢查測量儀器，探頭電池的絕緣性能，以防漏電。2將探頭裝入探頭盒內，打開接收機和同步顯示器，檢查轉動探頭盒。將探頭盒與造斜鉆頭接好并連接在鉆桿上，開機輸送鉆進液，檢查鉆頭噴嘴。3鉆桿放入導向鉆機，就位，使鉆桿在設計軸線上。逐節鉆進，直至將鉆桿鉆入拖管坑

9、。鉆進過程中用無線手持式測量儀跟蹤監測，嚴格控制鉆頭軌跡，沿設計軸線前進，如偏差大于規定要求立即調整。4鉆桿線性與速度控制。鉆桿線性直接關系到鉆進的速度及孔外壓力變化，施工中保持鉆桿線性并控制鉆進速度，控制地面沉降量在較小范圍內。5灌漿壓力控制。在不同土層中穿越做好泥漿的調配，施工中控制灌漿壓力(一般在5Kg內)。即保證施工效果，又減少地表沉降量。成孔與泥漿護壁 (1)鉆井液。水平定向鉆機鉆進中，鉆井液用于穩固孔壁、降低回轉扭矩和拉管阻力、冷卻鉆頭和發射探頭、清除鉆進產生的土屑等，它被視為導向鉆進的“血液”。一般采用優質膨潤土制備。(2)鉆進液循環。鉆進時鉆進液會從另一邊的上口返出，這時要使用

10、兩套泥漿循環系統處理，或運走泥漿，減少環境污染。擴孔施工：導向孔成型后，取下導向鉆頭，接上反擴鉆頭、分動器，即可進行回拖擴孔。在拖管坑一端的鉆桿上，依次裝上不同規格的擴孔器，利用導向鉆機回拉鉆桿進行擴孔，直至將土孔擴大至設計孔徑。 圖4 擴孔鉆頭拖拉管施工 擴孔完成后，即可拉入需鋪設的成品管。管子預先全部連接妥當，以利于一次拉入。當地層情況復雜，如：鉆孔縮徑或孔壁垮塌，可能對分段拉管造成困難。拉管時，將擴孔器接在鉆桿上，然后通過單動接頭連接到管子的拉頭上，單動接頭可防止管線與擴孔器一起回轉，并擰壞管線。為確保鉆孔暢通，回拉時，可向孔內泵入潤滑液。 圖5 拖拉管施工注漿加固地基為了避免地面沉降，

11、提高地基土的承載力（或預防管涌并隔斷水源），拉管完成后需要進行注漿加固。拉管施工前在管線前端連接兩根與PE管同長度的25鋼管,與管線一同拉入土中并一同到達拉管設計終點樁號。到達終點后，解除25鋼管與管線的連接，在兩根鋼管前面各加一根6長同直徑的注漿花管。每拽入6，把鋼管和拉管機的連接取消，換成和高壓注漿泵連接。注入1：1水泥、粉煤灰漿液（0.4Mpa），從而置換觸變泥漿，補充管線周圍的空隙。然后再換再拉，再拉再注，反復進行。直到把鋼管全部拉出，注漿結束。6 施 工 技 術6.1工程設計計算611軌跡測量 一旦選擇確定了施工位置，就應該對鉆孔軌跡作測量并準備詳細的圖紙。鉆孔軌跡和基準線的最后精度

12、取決于測量資料的精度6.1. 2軌跡設計參數：1覆蓋深度 完成巖土勘察，確定了穿越的軌跡，就可確定穿越的覆蓋深度，需要考慮的因素包括鉆孔施工對地面道路、建筑物或河流的影響，以及對該位置已有的管線的影響。推薦穿越的最小覆蓋深度大于鉆孔最終擴孔直徑的6倍以上；在穿越河床時，應在河床斷面最低處之下5m米以上。2鉆孔軌跡控制 鉆進導向孔時，每23m應進行一次測量計算。3鉆孔直徑計算 根據導向孔與適合成品管鋪設孔的直徑大小和地層情況，擴孔可一次或多次進行。最終擴孔直徑按下式計算： K1適合成品管鋪設的鉆孔直徑 成品管外徑K1經驗系數，一般K1=1.21.5，當地層均質完整時，K1取小值，當地層復雜時，K

13、1取大值。4 拉力計算拉力計算: F拉=(G+ G×)×n G-管道總重量在X方向的分量 -摩擦系數 n-安全系數經計算確定所選用拉管機能能否承受承受該拉力。6.2 設備儀器6.2.1水平定向鉆機 可分為兩類：地表始鉆式和坑內始鉆式。地表始鉆式鉆機通常為履帶式，可依靠自己的動力自行走進入工地。鋪設新管時它們不需要發射坑和接受坑，但管線連接時仍需要開挖。地表發射鉆機有幾種樁定方式將鉆機錨固在地上，性能完善的鉆機樁定系統可以是液壓驅動的。 圖6 地表始鉆式鉆機坑內始鉆式在鉆孔的兩端都需要挖坑，但可在空間受限的地方操作。一些設計更緊湊的鉆機的發射坑，可只比接管所需的坑稍大一點就行

14、。坑內發射鉆機固定在發射坑中，利用坑的前、后壁承受給進力和回拉力。一些地表發射鉆機是整裝式的，載有鉆進液用攪拌池和泵，以及動力輔助裝置、閥和控制系統；也有采用攪拌池和泵等設備分離配置的。鉆進液通過鉆桿柱內孔泵送到鉆頭，再從鉆桿與孔壁的環空內返回，并把破碎下來的鉆屑攜帶至過濾系統進行分離和再循環。鉆機，尤其是地表發射鉆機，配置有一個鉆桿自動裝卸系統，定長的鉆桿裝在一個“傳送盤”上，隨鉆進或回擴的過程而自動從鉆桿柱上加、減鉆桿，這種操作與一個自動的螺紋擰緊和卸開裝置配合進行。由于鉆桿自動裝卸系統加快施工速度、提高施工安全和減小勞動強度。6.2.2導向系統導向系統有幾種類型：最常用的“手持式(wal

15、k-over)”系統和有纜式導向系統 “手持式(walk-over)”系統（如下圖4），它以一個裝在鉆頭后部空腔內的探測器或探頭為基礎。探頭發出的無線電信號由地面接收器接收，除了得到地下鉆頭的位置和深度外，傳輸的信號還往往包括鉆頭傾角、斜面面向角、電池電量和探頭溫度。這些信息轉送到鉆機附屬接受器上，以使鉆機操作者可直接掌握孔內信息，從而據此作出任何有必要的軌跡調整。有纜式導向系統用通過鉆桿柱的電纜從發射器向控制臺傳送信號。雖然纜線增加了復雜性，但由于不依靠無線電傳送信號，對鉆孔的導向就可以跨越任何地形，并且可以用于受電磁干擾的地方。圖7 手持式(walk-over)導向系統6.3鉆進液鉆進液通

16、常是鉆進泥漿。鉆進泥漿的功能主要是維持鉆孔的穩定性。另外，泥漿還有攜帶鉆屑、冷卻鉆頭、噴射鉆進等功能。管道與孔壁環狀空間里的鉆進液還有懸浮和潤滑作用，有利于管道的回拖。鉆進泥漿經泥漿泵泵入鉆桿，從鉆頭噴射出來，在經鉆桿與孔壁的環狀間隙還回地面。鉆進液是一種由清水+膨潤土+少量的聚合物+處理劑的混合物。膨潤土是常用的泥漿材料，它是一種無害的泥漿材料。鉆進液應在專用的攪拌池中配制。從鉆孔中返回的泥漿需經泥漿沉淀池或泥漿凈化設備處理后，再送回供漿池，或與新泥漿混合后再使用。8質 量 控 制8.1水平定向鉆進鋪設管線施工施工應執行下列規范及標準城市地下管線探測技術規程 CJJ 61-94水平定向鉆進技

17、術指南 成功中型定向鉆進施工指南 水平鉆進安全操作指南 水平定向鉆進鋪設管線鋪設工程技術規范 8.2施工前通過全站儀沿地面上拉管的中心線每3米設置一樁（有障礙物的除外），并沿拉管的中心線撒好白灰線且測出樁高程，算好樁高程與設計管線流水面的關系，確保流水坡度準確。8.3操作人員遵守制造商推薦的標準化程序，有助于提高深度測量的準確性。8.4管線在孔內拉動的過程中受重力的作用，會發生管道下沉現象，因此導向鉆進的鉆進點選擇在略高于設計管中線的地方，以減低管道自重對高程的影響。8.5為防止泥漿流失造成塌孔，應保持在整個鉆進過程中有“返漿”，并根據地質情況的變化及時調整鉆液配比以產生的不同泥漿。8.6施工

18、場地開闊是，應盡量降低入土和出土角度，以降低拖拉管的摩擦力。8.7拉頭應與管線連接牢固，密封嚴密。8.8拉管機操作人員要根據設備數據均勻平穩的牽引管道，切不可生拉硬拽。8.9用管線封套將管頭密封嚴密，防止泥漿進入管線。9. 安 全 控 制9.1在開始工作前和施工期間，應對所有參加施工的工地工作人員做安全技術交底，特殊工種持證上崗；9.2在工作開始前向當地公用地下管線部門查詢，了解施工區域的地下管線情況：提前防范高壓電纜、燃氣、輸油、光纜、供水等地下危險，9.3嚴格用電管理，現場臨時電線路按規范要求布設，必須由持證的專職電工上崗操作，采用三相五線制供電系統，各類電器設備均安設安全保險裝置，嚴格執

19、行一機一閘一保護。9.4在工地和交通道路上設置警示標志。工地處于交通路段，工人應穿上醒目的安全服或其它的防護衣。9.5最好使用有防電能力的安全帽、護眼罩、絕緣手套、防護面具等防護裝備。不戴首飾和穿寬松的衣服，以免被機器卷入或牽絆。9.6使用鉆桿不要超出生產廠家允許的最大扭矩和拉應力。9.7如果遇到鉆進突然減慢或停止，應確定是否碰到障礙物，然后再進行鉆進作業。9.8穿越道路、橋梁和建筑物等的基礎時，應意識到鉆進液液壓作用的危險，這些建筑物有升或降的可能。10. 環 保 措 施10.1 健立健全環保管理組織機構，編制環境保護措施，對施工存在的污染源進行評估，確定工程施工環節存在的污染源的等級，重大

20、污染源制定防治預案并編制演練計劃。10.2 防揚塵措施1.專人負責現場及道路灑水防塵工作，施工便道定時灑水，保證道路有車輛通行時不揚塵且無水洼、泥漿。2. 進入施工現場車速放慢，防止揚塵；嚴禁超載且車廂遮蓋嚴密，防止水泥、石灰以及其他易飛的材料灑落或細小顆粒材料的飛揚。3. 禁止車輛帶泥上路。4.嚴格執行城市市容、環保部門的規定。 10.3 防止施工噪聲污染措施對施工噪聲進行嚴格控制，減少舊設備的使用，夜間嚴禁使用大功率設備，以便最大限度的減少人為施工噪聲。10.4泥漿處理大量的泥漿通常在工程結束時才進行處理，處理的經濟性依現場具體情況而定。泥漿可做如下處理：1在另一鉆進點再次使用；2撒布到未開發的土地提高水土保持；3用排污車排放到垃圾場。11.效 益 分 析10.1 經濟效益在我公司近期采此工法鋪設的管道工程施工中，因無需拆遷、不阻斷交通縮短了施工工期，避免明挖帶來的大方量土方挖填及基坑防護等費用，有效降低了項目管理總成本。砂礓土專用鉆頭與傳統鉆頭施工相比每200米一次成孔工期縮短4天，極大的降低了人工成本，縮短了工