学文网摘要：水平定向钻敷管技术是种现代非开挖敷设管道的施工新技术， 主用于各种管道穿越河流、公路、铁路等障碍物。
关键词：定向钻施工；钻导向孔；扩孔；管线回托
1.水平定向钻施工
水平定向钻基本原理：按预先设定轨迹钻一个小直径导向孔，在导向孔出口端钻杆头部安装扩孔器回拉扩孔，当扩孔达要求后在扩孔器后端连接旋转接头、拉管头和管道，回拉敷设地下管道。此技术广泛应用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等管线铺设中，适用于沙土、粘土、卵石等地况，我国大部分非硬岩地区都可施工。工作环境温度为-15℃～+45℃。
1.1钻导向孔
要据穿越地质情况，选择合适钻头和导向板或地下泥浆马达，开动泥浆泵对准入土点进行钻进，钻头在钻机推力作用下由钻机驱动旋转（或使用泥浆马达带动钻头旋转）切削地层，不断前进，每钻完一根钻杆要测量一次钻头实际位置，以便及时调整钻进方向，保证导向孔曲线符合设计要求，直到钻头在预定位置出土，完成整个导向孔作业。钻机被安装在入土点一侧，从入土点开始，沿设计的线路钻一条从入土点到出土点的曲线，作预扩孔和回拖管线引导曲线。
1.2预扩孔和回拖管线
一般情况使用小型钻机时，直经大于200毫米时要进行予扩孔，使用大型钻机时，当产品管线直径大于Dn350mm时需进行预扩孔，预扩孔直径和次数，视具体钻机型号和地质情况而定。
回拖管线时先将扩孔工具和管线连接好，再开始回拖，并由钻机转盘带动钻杆旋转后退进行扩孔回拖，产品管线在回拖中不旋转，因扩好孔中充满泥浆，所以产品管线在扩好孔中处于悬浮状态，管壁四周与孔洞间由泥浆，这样即减少回拖阻力，又保护管线防腐层，经钻机多次预扩孔，最终成孔直径一般比管子直径大200mm，所以不会损伤防腐层。
在钻导向孔阶段，钻出的孔常小于回拖管线直径，为使钻孔径达到回拖管线直径1.3～1.5倍，需用扩孔器从出土点开始向入土点将导向孔扩大至要求直径。地下孔经预扩孔达到回拖要求后，将钻杆、扩孔器、回拖活节和被安装管线依次连接好，从出土点开始，一边扩孔一边将管线回拖至入土点为止。
2.水平定向钻施工特点
2.1定向钻穿越施工不会阻碍交通，不会破坏绿地，植被，不会影响商店，医院，学校和居民正常生活。
2.2 现代化穿越设备精度高，易于调整敷设方向和埋深，管线弧形敷设距离长，完全可满足设计要求埋深，并可使管线绕过地下障碍物。
2.3 城市管网埋深一般达到三米以下，穿越河流时，一般埋深在河床下9―18米，所以采用水平定向钻机穿越，对周围环境没有影响，适应环保各项要求。
2.4 采用水平定向钻机穿越施工时，没有水上、水下作业，不影响江河通航，不损坏江河两侧堤坝及河床结构，施工不受季节限制，具有施工周期短人员少、成功率高施工安全可靠等特点。
2.5 与其它施工方法比较，进出场地速度快，施工场地可灵活调整，尤其在城市施工时可充分显示出其优越性，且施工占地少工程造价低，施工速度快。
2.6 大型河流穿越时因管线埋在地层以下9―18mm，地层内部的氧及其他腐蚀性物质很少，起到自然防腐和保温功用，可保证管线运行时间更长。
3.水平定向钻机系统
各种规格水平定向钻机都由钻机系统、动力系统、控向系统、泥浆系统、钻具及附助机具组成，其结构及功能如下：
3.1钻机系统
钻机系统是穿越设备钻进作业及回拖作业主体，由钻机主机、转盘等组成，钻机主机放置在钻机架上，用以完成钻进和回拖。转盘装在钻机主机前端，连接钻杆，通过改变转盘转向和输出转速及扭矩大小，达到不同作业要求。
3.2动力系统
动力系统由液压动力源和发电机组成动力源是为钻机系统提供高压液压油作为钻机动力，发电机为配套电气设备及施工现场照明提供电力。
3.3控向系统
控向系统通过计算机监测和控制钻头在地下的具置和其它参数，引导钻头正确钻进的工具，因有该系统控制，钻头才能按设计曲线钻进，现常采用有手提无线式和有线式两种控向系统。
3.4泥浆系统
泥浆系统由泥浆混合搅拌罐和泥浆泵及泥浆管路组成，为钻机系统提供适合钻进工况的泥浆。
3.5钻具及辅助机具
钻具及辅助机具是钻机钻进中钻孔和扩孔时所使用的各种机具。钻具主要有适合各种地质的钻杆，钻头、泥浆马达、扩孔器，切割刀等机具。辅助机具包括卡环、旋转活接头和各种管径的拖拉头。
4.工程设计
本工程项目为管线定向钻穿越工程，共6处需用穿越。具体敷设管材及长度如下：
共54孔×φ110PE管，分二次拖，每次回拖6根，最长约180米，管材壁厚为6.5mm。
据我方前期勘察人员的勘察结果可知，施工区域内穿越土层土质为粉质粘土。
4.1力学计算
管自重：G=pgv
管在孔内所受浮力：F浮=p泥浆gv泥浆
管所受侧摩阻力：F摩=（F浮-G）Xf
管子回拖时粘着力：F粘=31.4XDXf1
拖管时扩孔阻力：F扩=62.8XD
拉管时管道随最大拉力为：F扩=F摩+F浮
P-管材屈服极限强度（兆帕）
S-管材横截面积（平方米）
D-管材外径（米）
P-管密度（千克/立方米），所用管材密度1.2*1000千克/立方米。
g-重力加速度9.8牛顿/千克
v-管材体积（立方米）
P泥浆-泥浆密度（千克/立方米）
f-管在泥浆中与孔辟摩擦系数一般取0.2――0.3
f1-泥浆粘附在管表面粘着力系数一般取0.002――0.003
据上式可计算8孔φ110PE管×80米在水平导向穿越时接力约为5吨，考虑因平面弯曲而引起拉力增加等因素，选用钻通DDW150（拉力为15吨）型水平导向钻机进行施工绝对安全。
4.2泥浆配置
本工程采用CETCO公司生产的定向钻专用膨润土和泥浆添加剂，以提高造浆率和成孔质量。
A、膨润土：Hydraul EZ（易钻）
作用：作为制浆基本元素；提升泥浆悬浮钻屑能力，使得钻屑能浮在泥浆中，随泥浆循环出钻孔，保持孔内清洁；稳定孔辟，防止塌孔。
B、聚合物：Insta Vis Plus（万用王）
作用：包覆粉砂土颗粒，抑制粉砂土松散坍塌，提高携带性和护辟性能。
7.2地下原有管线勘测
采用英国雷迪公司生产RD4000管线仪器，在所要顶管施工范围内，地下原有管线位置、走向、深度进行探测。
探测方法：经踏勘找出所有可能涉及到的管道井盖，工作人员首先打开井盖，下井观察管线大致情况如走向等，再用管线仪发射器连接在所要探查管线上，在地面用接收机接收信号来确定管线位置、走向及深度同时作好记录并画出管线草***。
7.3测量放线、平整场地及钻机定位
据甲方提供设计***纸测量、放线。如遇到复杂地质状况或要避开地下原有管线需变更的可依照变更进行。测量结束后把钻机定好位，准备下钻。
7.4工作坑开挖及支护
管线查清后参照管线***纸和设计***纸，开挖工作坑。预铺设管段两端的工作坑应先挖好至所需大小，并沿钻进方向留出下钻孔位。工作坑主要作用是囤积泥石钻屑、方便折装钻具及熔接管道等。
7.5先导孔施工阶段
据设计钻进路径***调整好钻杆入土角，逐根钻进。每钻进一根钻杆测量其深度及方向，作好钻进路径统计表记录。在地表测量点做好标记，以方便二次钻进时核对深度及位置。要求每根钻杆尝试误差范围控制在+-0.30米内。记录好钻进过程的扭矩、推力、泥浆流量、泥浆压力、角度改变量。
7.6扩孔阶段
DN1十110PE×6孔×80米回扩孔依次采用φ300mm、φ400mm、φ500mm挤扩器进行扩孔，最终最大孔直径为500mm。
扩孔时应使用据地层实际情况配置的泥浆，确保孔壁稳定，泥浆流动顺畅。当第一级扩孔时减慢扩孔速度，同时减小泵压，增大转速。
7.7管材焊接安装
PE管焊接采用热熔对接技术，管材经相应机具切削、加热，使塑管断面熔化，在一定压力作用下使熔化表面接触、保压、冷却，直到冷却至环境温度，其加热时间与加热温度应符合PE管材生产厂焊接技术规定。
7.8拉管施工阶段
扩孔完成后进行管道回拉。为防止管头拉入孔内的过程有水进入管中，在管材两端焊接管帽。拉管时一边拉管一边向孔内加注优质泥浆充实孔隙及孔壁；当管材慢慢进入成孔后，注意两端工作坑泥浆流动情况，控制好回拖速度，记录下钻机扭矩、回拖速度、回拖拉力，确保顺利回拖。
7.9施工事故及应急措施
因定向钻非开挖施工具有高风险，不可预见因素很多，施工中难免会出现问题或事故，一旦发生事故项目部立即汇集有关人员进行情况分析，必要时汇报建设单位、设计、监理等部门，召开专家讨论会，及时调整方案，采取补救措施。
8.未来展望
水平定向钻进设备，在十几年间获得飞速发展，成为发达国家中新兴产业。目前其发展趋势正朝着大型化和微型化、适应硬岩作业、自备式锚固系统、钻杆自动堆放与提取、钻杆连接自动、防触电系统等自动化作业功能、超深度导向监控、应用范围广等特征发展。水平定向钻进技术是将石油工业定向钻进技术和传统管线施工方法结合在一起的一项新技术，具有施工速度快、精度高、成本低等优点，广泛应用于供水、煤气、电力、电讯、天然气、石油等管线铺设施工中。