燃?xì)夤艿婪情_挖技術(shù)-水平定向鉆技術(shù)課件

燃?xì)夤艿婪情_挖技術(shù)——水平定向鉆技術(shù)120世紀(jì)70年代以前，燃?xì)鈿夤艿来┰胶恿鞯姆绞絻H限于開挖施工或直接在河床上裸置穩(wěn)管鋪設(shè)。對小型的不通航河流，傳統(tǒng)的開挖施工就是筑壩截流／圍堰導(dǎo)流——排水——開溝——埋管——回填穩(wěn)管。而對大、中型河流，由于水文條件的限制和通航的要求，只能采用挖泥船、拉鏟、氣舉、爆破等方法進(jìn)行水下開溝——拖管就位——回填穩(wěn)管。2國內(nèi)外調(diào)查結(jié)果表明：由于水下開溝受水文地質(zhì)條件的限制，成溝的難度大、溝底的平整度不易控制、管道就位的準(zhǔn)確性差、不確定因素多，大約80％左右質(zhì)量不合格或存在安全隱患。主要問題表現(xiàn)為：1）管道埋深達(dá)不到設(shè)計要求、局部懸空多、防腐層破壞嚴(yán)重等，嚴(yán)重影響油氣管道的使用壽命。2）有的穿越管道在竣工投產(chǎn)后不久即因洪水對河床的沖刷而裸露懸空，不得不停運維修；有的穿越管道甚至因洪水的沖擊或在水下產(chǎn)生共振而斷裂。3）由于水下開挖的土方工程量巨大，施工過程中占用航道，污染水體等。3傳統(tǒng)的挖槽埋設(shè)地下管線施工，由于對地面交通影響較大，使本來就擁擠的城市交通如雪上加霜；另外，對于穿越公路、鐵路、建筑物、古跡保護(hù)區(qū)等的地下管線埋設(shè)，往往難以開挖或不允許開挖；因此，非開挖技術(shù)得到了應(yīng)用。4評價指標(biāo)水平定向鉆法頂管法微型隧道法擠土法適用地形Ⅳ級以下的土層Ⅲ級以下的土層土層、巖層粘土層、砂土層適用管徑(mm)50-1420529-1720250-300040-500使用長度(m)40-200060-1000100-700020-100鋪管速度(m/h)1.8-5.50.5-1.5310-60環(huán)境效應(yīng)泥土污染地面隆起或下陷泥土污染擠土、振動56頂管法：7地下燃?xì)夤艿赖匿佋O(shè)，在過河或過路時需要采用非開挖施工技術(shù)，一般采用的施工技術(shù)主要有定向鉆和頂管施工技術(shù)。然而，這兩項技術(shù)均存在一定的不足。1.距離受限：定向鉆與頂管施工技術(shù)目前在燃?xì)夤艿来┰胶拥?、道路施工中?yīng)用已很普遍。但是，當(dāng)施工距離達(dá)到數(shù)公里時，由于定向鉆與頂管施工技術(shù)本身的特性，頂進(jìn)距離受到限制，無法滿足施工需要。82.空間受限：采用定向鉆與頂管施工技術(shù)鋪設(shè)的地下燃?xì)夤艿?，在鋪設(shè)施工及投入使用后，均受到空間的限制，管道檢修困難3.獨立鋪設(shè)：高壓燃?xì)夤艿冷佋O(shè)需要獨立設(shè)置，不允許與其他管道（如電纜、通訊等）共同設(shè)置。這使得燃?xì)夤艿啦豢赡茕佋O(shè)在其他用途的過江隧道內(nèi)，必須獨立施工一條專用通道。9微型盾構(gòu)技術(shù)是指掘進(jìn)機(jī)頭前方切削土體，待機(jī)頭頂進(jìn)一定距離后，在機(jī)頭后方安裝管片，然后再切削頂進(jìn)、安裝管片，如此循環(huán)重復(fù)。其特點是挖掘靈活，可超長距離施工，也可任意曲線半徑施工，且管道安裝后不移動。施工的管道直徑2.4~4m，最小的施工管徑為l.8m。1011沖擊式頂管法1213水平定向鉆法

（HDD－Horizontal

Directional

Drilling）141972年，美國加利福尼亞州的一位名叫謝恩頓的工程師將傳統(tǒng)的管道鋪設(shè)技術(shù)與油田定向鉆井工藝有機(jī)結(jié)合起來，首次采用水平定向鉆的施工方法穿越了圣華金河。目前在鋪設(shè)供水管道、排水管、石油和天然氣管道、電信管道、城市燃?xì)夤艿?、城市集中供暖管道以及電力、有限電視網(wǎng)等鋪設(shè)工程中有了廣泛的應(yīng)用。我國的水平定向鉆鋪管技術(shù)起步較晚，20世紀(jì)90年代初開始引進(jìn)。目前該技術(shù)在國內(nèi)仍具有投資高，風(fēng)險大，回報率高的特點。1516水平導(dǎo)向鉆法的工作原理是：在施工時，按照設(shè)計的鉆孔軌跡(一般為弧形)，采用可從地表鉆進(jìn)的鉆機(jī)先鉆一個近似水平的導(dǎo)向孔，然后，換上大直徑的擴(kuò)孔鉆頭，進(jìn)行反向擴(kuò)孔，同時將待鋪管線回拉入鉆孔內(nèi)，當(dāng)全部鉆桿被拖回時，鋪管工作同時也就完成了。根據(jù)待鋪管直徑大小情況，可以采用多級擴(kuò)孔，再回拖管線的方法，進(jìn)行穿越施工。17水平定向鉆一般都由鉆機(jī)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控向系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、鉆具及附助機(jī)具組成。

18鉆機(jī)系統(tǒng)：是鉆進(jìn)作業(yè)及回拖作業(yè)的主體，它由鉆機(jī)主機(jī)、轉(zhuǎn)盤等組成，鉆機(jī)主機(jī)放置在鉆機(jī)架上，用以完成鉆進(jìn)作業(yè)和回拖作業(yè)。轉(zhuǎn)盤裝在鉆機(jī)主機(jī)前端，連接鉆桿，并通過改變轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)向和輸出轉(zhuǎn)速及扭矩大小，達(dá)到不同作業(yè)狀態(tài)的要求。動力系統(tǒng)：由液壓動力源和發(fā)電機(jī)組成動力源；發(fā)電機(jī)為配套的電氣設(shè)備及施工現(xiàn)場照明提供電力。

19控向系統(tǒng)：控向系統(tǒng)是通過計算機(jī)監(jiān)測和控制鉆頭在地下的具體位置和其它參數(shù)，引導(dǎo)鉆頭按設(shè)計曲線鉆進(jìn)。經(jīng)常采用的有手提無線式和有線式兩種形式的控向系統(tǒng)。

20泥漿系統(tǒng)：泥漿系統(tǒng)由泥漿混合攪拌罐和泥漿泵及泥漿管路組成，為鉆機(jī)系統(tǒng)提供適合鉆進(jìn)工況的泥漿。21鉆具及輔助機(jī)具：主要有適合各種地質(zhì)的鉆桿，鉆頭、泥漿馬達(dá)、擴(kuò)孔器，切割刀等鉆具。輔助機(jī)具包括旋轉(zhuǎn)活接頭、各種管徑的拖拉頭等。2223鉆桿在HDD技術(shù)中是最重要的常規(guī)、高成本配備和消耗器材。鉆桿直接影響工程的施工順利與否。如果在孔內(nèi)發(fā)生鉆桿折落事故，常會造成工程失敗，產(chǎn)生時間與經(jīng)濟(jì)乃至信譽(yù)的損失。傳遞和調(diào)整鉆機(jī)給予鉆頭之軸向壓力。傳遞鉆進(jìn)和擴(kuò)孔時鉆機(jī)對鉆頭施加之扭矩。回擴(kuò)和拖拉鋪設(shè)管線時承受鉆機(jī)施加之拉張力和扭矩。承受經(jīng)常扭卸鉆桿接頭時的扭應(yīng)力，以及鉆進(jìn)時瞬間突然增大的扭矩。承受鉆頭碎巖、鉆具與孔壁摩擦產(chǎn)生的震動和沖擊載荷。承受在彎曲鉆孔內(nèi)推拉與回轉(zhuǎn)時的彎曲疲勞載荷。鉆進(jìn)時壓力介質(zhì)由鉆桿內(nèi)輸向孔底工作面。當(dāng)用有纜傳輸孔底信號時，信號纜線由專門設(shè)計的鉆桿內(nèi)接續(xù)。2425水平定向鉆穿越具有“千穿千變”的特點，沒有哪一種施工方案能夠完全適用于多個水平定向鉆穿越工程的施工。即使是同一條河流的兩次定向鉆穿越，由于所處環(huán)境和穿越地質(zhì)的不同，所采用的方案也會有所不同。施工工藝設(shè)計施工過程控制26穿越選點——地質(zhì)勘察——工藝計算——技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評價基本原則：必須在可行、可靠、適宜、經(jīng)濟(jì)的前提下滿足水平定向鉆穿越自身的工藝要求。1.穿越選點：基本要求：選點合理、地質(zhì)適宜、距離較短。1）線路整體走向與合理穿越位置可能偏離的矛盾；2）交通便利與遠(yuǎn)離干擾的矛盾。解決的方法主要依賴于技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評價。一、施工工藝設(shè)計：272.地質(zhì)勘察分為初步勘察和詳細(xì)勘察兩個階段。1）場地初勘及勘查老舊管線，通過現(xiàn)場勘查及工程勘測，掌握施工現(xiàn)場的管網(wǎng)、水文、地質(zhì)條件及以往施工情況等資料。2）在已確定的穿越斷面上進(jìn)行，查明穿越斷面的地層結(jié)構(gòu)、松散地層的顆粒組成及其工程地質(zhì)特性；對河床和岸坡的穩(wěn)定性作出評價。2829為防止穿越施工中從探孔冒漿，污染地表，詳細(xì)勘察階段的勘察點應(yīng)在穿越中線的兩側(cè)距中線距離l0～15m的位置交錯布置，間距為50～l00m，但不少于3個。鉆探深度應(yīng)超過設(shè)計穿越深度以下2～3m。詳細(xì)勘察的結(jié)果應(yīng)形成詳細(xì)勘察報告，主要內(nèi)容包括：①任務(wù)要求及勘察工作概況；②穿越斷面的河床地質(zhì)構(gòu)成特征；③穿越斷面巖土的物理力學(xué)性質(zhì)(天然容重、天然含水量、相對密度、可塑性等)：④河床和岸坡的穩(wěn)定性評價；⑤勘察點平面布置圖(1：500～1：2000)；⑥工程地質(zhì)剖面圖(1：500～1：2000)，垂直比例尺不宜大于水平比例尺的10倍；303.工藝計算燃?xì)夤艿浪蕉ㄏ蜚@穿越的工藝參數(shù)主要包括(鉆頭)入土角α、(鉆頭)出土角β、造斜段曲率半徑R1、R2、穿越深度H1、H2、穿越段水平長度Lh、水平穿越段長度L0、穿越段實長Lf等。31(鉆頭)入土角α(鉆頭)入土角取決于穿越層面的選擇和鉆機(jī)的設(shè)置。一方面，穿越層面淺，入土角α就??；穿越層面深．入土角α就大。另一方面，生產(chǎn)廠商在制造鉆機(jī)時為鉆架的工作狀態(tài)設(shè)定了3～5個傾角檔位。鉆機(jī)水平就位時，(鉆頭)入土角只能在這幾個傾角檔位中選擇。特殊情況下，可以采用地面的坡度設(shè)置，小范圍地調(diào)整鉆機(jī)的就位傾角。一般地，選擇α=9～12°。32(鉆頭)出土角β因為(鉆頭)出上角越小，管道回拖時進(jìn)孔越順暢，阻力越?。?，從安全性來講，(鉆頭)出土角越小越好。但另一方面，出土角的選擇受到地形條件和穿越距離的限制。出土角越小，穿越的距離越長，工程的投資也越高。因此，(鉆頭)出土角的選擇應(yīng)結(jié)合地形條件和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮。一般地，選擇β=4～8°。33造斜段曲率半徑R1、R2確定造斜段曲率半徑是水平定向鉆穿越工藝設(shè)計的重要工作。因為水平定向鉆穿越的最終成孔曲線是以導(dǎo)向孔為基礎(chǔ)擴(kuò)孔后形成的，所以，造斜段的曲率半徑應(yīng)同時滿足管道和鉆桿在正常工作條件下的彎曲半徑要求。在工程實踐中，為簡便起見，通常取R=1200D（D為穿越管道外徑，m；），同時考慮到鉆桿受力的復(fù)雜性，取R≮2000d（d為穿越所用鉆桿的外徑，m；)34穿越深度Hl、H2一般情況下，水平定向鉆穿越的入土角大于出土角，即α>β。并且，為了避免現(xiàn)場設(shè)備對控向精度的影響，彎曲造斜要待鉆頭入土20～30m之后才能開始。所以，在R=R2=R1的情況下，有H1>H2。為簡化計算，取H1=H2=H，則穿越深度由下式?jīng)Q定：H=(20～30)sinα+R(1一cosα)35穿越段水平長度Lh穿越段水平長度Lh

取決于地面的地形條件和相關(guān)要求，主要包括河面寬度、出入土點距堤壩的安全距離、穿越設(shè)備的進(jìn)出場和作業(yè)條件等。根據(jù)國家有關(guān)部門對不同級別河流防洪防汛的安全要求，結(jié)合水平定向鉆穿越工程實踐，有一個經(jīng)驗公式：Lh≥B+(100～200)

式中：B——穿越軸線上河流的兩岸或被穿障礙物的外緣水平距離，m：36水平穿越段長度L0、穿越段實長Lf當(dāng)定向鉆穿越的(鉆頭)入土角α、(鉆頭)出土角β、造斜段曲率半徑R、穿越深度H和穿越段水平長度Lh確定之后，水平穿越段長度L0和穿越段實長Lf就可阻通過計算確定。L0=Lh-R(sin

α+sinβ)-(H-R+Rcosα)／tgα-(H-R+Rcosβ)/tgβ

Lf=L0+πR(α+β)/180+(H-R+Rcosα)／sinα+(H-R+Rcosβ)／sin

β

取α=9～12

°、β=4～8°、R=1200D、L0≥0，

可以得到兩個重要的估算式：

H≈20DLf≥500D

這兩個估算式用于指導(dǎo)水平定向鉆穿越工程的設(shè)計和施工非常簡單適用。37技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評價評價的順序是：穿越地段的水文、地質(zhì)條件是否適合；穿越方案的可行性、可靠性和對燃?xì)夤艿篱L期安全運行的影響。在可行、可靠的前提下與其它施工方案進(jìn)行比較，以求經(jīng)濟(jì)、合理。38水平定向鉆穿越的優(yōu)勢在于：1、對不同的水文、地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)。采用定向鉆穿越技術(shù)穿越河流不必考慮水流速度，也不受汛期影響：除礫石層和硬巖層外，幾乎可以穿越所有的地層，特別是在粘土類或砂巖類沉積巖中穿越更顯其優(yōu)越性：2、能夠確保埋深。特別是在河床沖刷嚴(yán)重，或水深流急，截流或圍堰難度很大的情況下可以確保燃?xì)夤艿缆裨O(shè)在穩(wěn)定層以下，有利于管道系統(tǒng)的長期安全運行；393、鋪管精度高。水平定向鉆穿越采用隨鉆測量技術(shù)，可以精確控制穿越方向，入土點的誤差為零，出土點的誤差可以控制在縱向1％(穿越長度)，橫向5‰(穿越長度)的范圍內(nèi)。4、施工速度快。一般情況下，采用定向鉆穿越技術(shù)穿越一條中型河流只需要7～10天時間。5、環(huán)境影響小。定向鉆穿越大部分作業(yè)都是在地表以下完成，對地面的擾動很小。泥漿材料無毒，不會污染水體和耕地。穿越施工對航道、水利設(shè)施基本無影響。穿越完成后不需要采取任何水工保護(hù)措施。40水平定向鉆穿越的劣勢在于：1、在碎石土類地層和硬巖地層中施工較困難；2、施工風(fēng)險較大；3、泥漿的處理需要認(rèn)真考慮；當(dāng)采用其它施工方案無法進(jìn)行穿越施工，或進(jìn)行穿越施工的綜合單價高于水平定向鉆穿越價格時，可以認(rèn)為采用水平定向鉆穿越施工的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性是合理的。4142二、施工過程控制

1.水平定向鉆機(jī)；2.電力供應(yīng)設(shè)備；3.鉆桿；4.水泵；5.泥漿攪拌池；6.泥漿凈化設(shè)備；7.泥漿泵；8.泥漿材料倉庫；9.發(fā)電機(jī)；10.倉庫；11.12.現(xiàn)場辦公室；13.入口坑；14.鉆屑處理池431.管道預(yù)制與發(fā)送測量放線——修筑施工便道——運布管——組對焊接——無損檢測——防腐補(bǔ)口——水壓試驗——通球。測量放線與管道預(yù)制應(yīng)滿足管道順利發(fā)送的要求：長度方向應(yīng)不小于穿越實長；在寬度方向，視發(fā)送方法的不同，作業(yè)寬度一般為(12～18)m。如果穿越管道因現(xiàn)場條件所限不能位于穿越軸線上，可采用彈性鋪設(shè)的方法進(jìn)行預(yù)制。這種彈性鋪設(shè)的彎曲半徑應(yīng)嚴(yán)格控制，不得小于1000D，且拐點不宜超過一個。441、架空發(fā)送法：包括軟墊發(fā)送和軸輥發(fā)送。軟墊發(fā)送就是用細(xì)土、鋸末或其它柔性材料裝袋制成一個個軟墊，順著穿越方向每隔40～50D的距離放置一個，將穿越管道放置在軟墊上由鉆機(jī)牽引回拖。軸輥發(fā)送與軟墊發(fā)送類似，只是用軸輥代替軟墊。此時，管道與發(fā)送道之間的磨擦由滑動變?yōu)闈L動。452、管溝發(fā)送法：就是在管道預(yù)制作業(yè)帶上順著穿越方向開挖管溝，在管溝內(nèi)注水，然后將穿越管道放入管溝使其浮起，出鉆機(jī)牽引回拖。架空發(fā)送一般用于中小型管道的穿越施工，且要求待拖管道完全順著穿越方向擺放；管溝發(fā)送一般用于大中型管道的穿越施工，除了可以有效地減少阻力外，管溝對于尾部不得不彎曲擺放的管道回拖也能起到很好的約束作用。46①管道能否順利回拖；②回拖后的管道是否完好無損47一般來說，防腐層應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、韌性和附著力，以滿足管道彎曲和抵抗回拖摩擦力的需要(目前常用的防腐層有3層PE結(jié)構(gòu)、雙組分環(huán)氧粉末涂層等)；補(bǔ)口材料為定向鉆專用收縮套。482.方向控制工程測量——確定磁方位角——控向操作1）工程測量：（l）準(zhǔn)確的鉆頭出、入土點和出、入土點之間的水平距離(穿越水平長度)；（2）管道預(yù)制場地和鉆機(jī)場地的邊界；（3）管道預(yù)制的中心線；（4）確定鉆機(jī)和配套設(shè)備的安裝位置；（5）對定向鉆穿越的中心線進(jìn)行連續(xù)的明顯標(biāo)識；（6）(管溝發(fā)送時)發(fā)送溝的中心線或(架空發(fā)送時)各支點的位置；492）確定磁方位角：控向磁方位角是控制穿越曲線橫向誤差的基本依據(jù)。從直線起點的標(biāo)準(zhǔn)方向（如，磁子午線方向）北端起，順時針方向量至該直線的水平夾角，稱為該直線的方位角。

磁子午線方向是在地球磁場作用下，磁針在某點自由靜止時其軸線所指的方向。磁子午線方向可用羅盤儀測定。50

1、在穿越的出、入土端軸線或軸線的平行線上各隨機(jī)選取2～3個點，每個點測量4～6個磁方位角數(shù)據(jù)；2、對測得的磁方位角數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，舍棄明顯偏離值；3、取每個點的磁方位角平均值：4、得到出、入土端軸線的磁方位角的平均值，作為控向磁方位角。513）控向操作一類是鉆頭底唇面采用非平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計。當(dāng)鉆頭連續(xù)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時形成直孔；當(dāng)鉆頭不回轉(zhuǎn)而鉆機(jī)對鉆桿加壓頂進(jìn)時孔道產(chǎn)生偏斜，從而形成曲線。鉆頭板的選擇不僅考慮其形而且需要考慮其外型尺寸的大小，選擇的原則是：硬土層應(yīng)該選用尺寸和傾斜角度均小的鉆頭板；軟土層應(yīng)該選擇尺寸和傾斜角度均的的鉆頭板。在硬土層和回填土層中，需要使用鑲焊合金刀頭的鉆頭板。發(fā)現(xiàn)鉆頭板磨損嚴(yán)重時，就應(yīng)該進(jìn)行更換，否則會降低工作效率。52另一類是鉆具采用泥漿馬達(dá)加彎接頭的結(jié)構(gòu)。泥漿馬達(dá)靠泥漿做動力，將泥漿液壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)械轉(zhuǎn)動力，驅(qū)動轉(zhuǎn)子帶動牙輪導(dǎo)向鉆頭旋轉(zhuǎn)。在直線鉆進(jìn)時，鉆桿帶動馬達(dá)一起旋轉(zhuǎn)；當(dāng)需要造斜時，鉆桿及馬達(dá)外殼不旋轉(zhuǎn)，只提供給進(jìn)壓力，馬達(dá)轉(zhuǎn)子在泥漿的液力驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)造斜鉆進(jìn)。53泥漿馬達(dá)目前使用的隨鉆測量技術(shù)主要有兩類：有線隨鉆測量和無線隨鉆測量。其區(qū)別僅在于信號的傳遞方式。前者采用多股銅質(zhì)導(dǎo)線傳遞信號；后者采用電磁波傳遞信號。當(dāng)穿越路由上磁干擾比較大時，可借助于人工磁場進(jìn)行隨鉆測量。54由于導(dǎo)向孔的曲線依賴于鉆進(jìn)方向的改變而形成，實際上是不太規(guī)則的折線。因此，造斜段單根鉆桿的角度變化值可以采用初等幾何的計算方法得到，即：?α=57.3L／R式中：△

α——單根鉆桿的角度變化值，°；L——單根鉆桿的長度，m；R——導(dǎo)向孔(穿越管道)造斜段的曲率半徑，m；鉆導(dǎo)向孔的主要工作由控向員與司鉆配合完成?？叵騿T按照擬定的控向曲線發(fā)出控向指令，司鉆根據(jù)控向員的指令調(diào)整定向推進(jìn)或旋轉(zhuǎn)推進(jìn)。兩者之間信息的及時準(zhǔn)確傳遞非常重要。55出土點的橫向誤差和縱向誤差是特別重要的控制指標(biāo)。出土點橫向誤差的原因主要有：穿越中心線的磁方位角測量值不準(zhǔn)確；在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)時，探頭受到不明原因的磁干擾；鉆機(jī)中心線與設(shè)計穿越中心線不重合，而施工時，又忽略這二者之間存在的夾角。56造成出土點縱向誤差的原因主要有：出入土點的標(biāo)高差不準(zhǔn)確；向計算機(jī)輸入的鉆桿長度不準(zhǔn)確：地質(zhì)太硬或太軟。合理的鉆孔軌跡精度應(yīng)是：設(shè)定導(dǎo)向孔出口處左右±1m，上下±1m573.擴(kuò)孔過程擴(kuò)孔時，擴(kuò)孔器對孔壁進(jìn)行切削和擠壓，切削下來的鉆屑分為四個部分：一部分被泥漿攜帶至孔外，一部分地被擴(kuò)孔器擠壓到孔壁周圍的孔隙中，一部分被滲漏的泥漿攜帶到地層深處，還有一部分滯留在孔道中，從而形成了充滿漿-屑混合物的孔道。581）確定最終擴(kuò)孔直徑：最終擴(kuò)孔直徑根據(jù)穿越管道的直徑確定。過大的擴(kuò)孔直徑容易造成地面(堤壩、構(gòu)筑物、建筑物等)塌陷，過小的擴(kuò)孔直徑將增大回拖力量和回拖風(fēng)險。一般情況下，當(dāng)穿越管徑D<24"(600mm)時，最終成孔直徑宜為(1.3～1.5)D；穿越管徑D>24"時，最終成孔直徑宜為D+12"。2）確定擴(kuò)孔級數(shù)：穿越管道的直徑小于Dn350mm，地質(zhì)條件為粘性土類、粉土類、或穿越管道的直徑小于Dn200mm、地質(zhì)條件為砂土類時，可以只進(jìn)行一級擴(kuò)孔，而且這一級擴(kuò)孔可以與管道回拖結(jié)合進(jìn)行。否則，必須進(jìn)行多級擴(kuò)孔。相鄰兩級擴(kuò)孔的直徑之差應(yīng)根據(jù)擴(kuò)孔器的配置控制在4"～8"范圍內(nèi)。594.回拖過程：成孔分析、管道發(fā)送準(zhǔn)備、錨固系統(tǒng)檢查和穿越管道連接。采用支墊方法回拖管道時，管道必須順直，橫穿公路或其它障礙物的地方應(yīng)妥善處理；采用水浮發(fā)送方法回拖管道時，發(fā)送溝內(nèi)不得有石頭、瓦塊、樹根和其它硬物等，溝內(nèi)應(yīng)注水，確保管道在回拖過程中處于漂浮狀態(tài)，以降低鉆機(jī)拖拉力。60錨固系統(tǒng)檢查主要是確認(rèn)錨固系統(tǒng)是否與鉆機(jī)能力適應(yīng)，是否有松動跡象。如果有，在回拖前妥善處理，確?？煽俊Ｓ糜诨赝系臄U(kuò)孔器的直徑應(yīng)比穿越管徑大150～200mm。管道與鉆具連接完畢經(jīng)檢查無異常情況后，先供泥漿，檢查鉆桿，確認(rèn)合格后方可開始回拖。管道回拖應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，回拖速度應(yīng)與泥漿供應(yīng)量相匹配，以防止孔道內(nèi)形成局部真空影響孔壁穩(wěn)定，甚至引發(fā)大面積孔內(nèi)塌方而導(dǎo)致工程失敗。在管道進(jìn)孔后的0～100m范圍內(nèi)，應(yīng)控制回拖速度不得超過1.5～2.0m／min，以保證管道順利進(jìn)入擴(kuò)好的孔道中。615.泥漿配置62在粘性土類、粉土類土層和泥頁巖中進(jìn)行水平定向穿越，突出的問題之一是孔壁的遇水膨脹、縮徑、甚至流散、塌孔。其原因是粘土、泥頁中存在著大量的粘土礦物。這種粘土礦物，尤其是蒙脫石粘土礦物的存在，使井壁粘土接觸到泥漿中的水時即發(fā)生粘土的吸水、膨脹、分散。對這一類地層，一般使用清水+優(yōu)質(zhì)粘土(膨潤土)+處理劑(若需要)配制泥漿，泥漿粘度一般控制在35~50s時(馬氏漏斗法)之間。提高泥漿的抑制性。同時，在高粘土地質(zhì)條件下進(jìn)行回拖作業(yè)時，供應(yīng)的泥漿應(yīng)特別注意加入適量的潤滑劑，以防止管道被粘土吸附。63在砂土類進(jìn)行水平定向穿越，孔壁的穩(wěn)定問題顯得突出。解決這一問題的關(guān)鍵是增加孔壁顆粒之間的膠結(jié)力?；痉椒ㄊ峭ㄟ^增加泥漿中的粘土含量、加入有機(jī)或無機(jī)增粘劑來提高泥漿粘度。在這類地層中，泥漿粘度一般控制在50~70s（馬氏漏斗法）之間。在軟質(zhì)巖石地層中進(jìn)行水平定向鉆穿越，主要是提高鉆速和泥漿懸浮、攜帶鉆屑的能力，一般使用清水+少量聚合物+處理劑(若需要)配制泥漿，泥漿粘度一般控制在70~90s(馬氏漏斗法)之間。64在實際施工中，對泥漿的性能控制主要是控制密度、粘度和固相含量。當(dāng)孔內(nèi)情況有所改變時，應(yīng)及時調(diào)整這些參數(shù)。其中，泥漿的密度和粘度取決于返漿的固相含量。為保證孔道的清潔通暢，同時節(jié)約泥漿用量，返漿的固相含量應(yīng)保持在20～25％是范圍內(nèi)。返漿的固相含量高于25％時，應(yīng)適當(dāng)降低供漿的粘度或提高泵量；返漿的固相含量低于20％時，可適當(dāng)降低泥漿的泵量。6566不同土質(zhì)鉆液配比表定向鉆機(jī)所配置泥漿泵流量是一定的，

鉆進(jìn)時泥漿用量相對較少，可調(diào)整泥漿泵在小流量狀態(tài)；在回擴(kuò)或回拖過程中,由于鉆孔直徑較大，

所需泥漿量相對較多，泥漿泵要調(diào)整為大流量。操作者應(yīng)掌握合適的鉆進(jìn)或回擴(kuò)速度，以保證有足夠的泥漿，形成良好的鉆孔。以上計算為初步估算值，實際應(yīng)用時泥漿用量要稍大些。67回拖力計算回拖過程是燃?xì)夤艿浪蕉ㄏ蜚@穿越施工的重要組成部分，其中回拖力計算更是水平定向鉆鉆機(jī)設(shè)計選型的重要影響因素。在燃?xì)夤艿赖幕赝线^程中，管道受力不僅涉及到工程力學(xué)，流體力學(xué)，彈性力學(xué)，土力學(xué)等多方面因素的影響，而且與地質(zhì)條件，管道規(guī)格，穿越曲線，擴(kuò)孔直徑等實際工程條件息息相關(guān)。68回拖力大小與下列因素有關(guān)：孔道內(nèi)傾斜管段的重力分量；管道與孔道內(nèi)壁之間的摩擦力；未入土管道與地面的摩擦力；鉆頭所受阻力；管道與泥漿的粘滯阻力；管道的彎曲變形阻力（當(dāng)管道在孔道內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形時，管道出口段的拉力大于管道進(jìn)口段的拉力，他們的差值即為管道的彎曲變形阻力。）。69回拖力計算方法

70該公式主要從管道在孔道中所受摩擦力及管道在回拖過程中所受的泥漿阻力兩方面對回拖力進(jìn)行計算，但是該公式?jīng)]有考慮穿越曲線形狀對回拖力的影響，也沒有考慮沒有進(jìn)入入土點的管道的摩擦力。

71該公式主要從管道在回拖過程中受到綜合阻力系數(shù)及鉆頭迎面阻力兩方面對回拖力進(jìn)行計算，沒有考慮回拖過程穿越曲線形狀對回拖力的影響，也沒有考慮進(jìn)入入土點之前的管道摩擦力，而且該計算沒有對回拖過程中的管土摩擦力及泥漿阻力分別進(jìn)行劃分。3.AGA回拖力算法該計算方法是美國科學(xué)家在1996年根據(jù)水平定向鉆鋼管施工提出的。該方法綜合考慮了泥漿的粘滯阻力、管道自身所受重力、管土之間的摩擦阻力和穿越曲線對管道受力的影響等因素，但是該方法沒有考慮管道拖入孔道之前與地表面的摩擦阻力.

該方法認(rèn)為其水平定向鉆回拖過程中逐漸遞增，而最大回拖力出現(xiàn)在回拖最后階段。因此該方法將管道分解為多段直線和曲線，而最大回拖力是每段管段所受拉力之和。724.M-A-P回拖力算法

該算法是2002年加拿大Waterloo大學(xué)MariaAnnaPolak提出的回拖力計算方法。該方法從管道與孔道摩擦力、泥漿粘滯阻力、管道入土前與地表面摩擦力以及管道彎曲應(yīng)力這些因素，一般根據(jù)管道的彎曲情況，將管道分為幾段，然后逐段對管道回拖力進(jìn)行計算。73算例1，西氣東輸管道工程采用水平定向鉆方式穿越江蘇無錫的北興塘河。穿越地質(zhì)為粘土和粉質(zhì)粘土層，穿越管段總長564m（管道附加長度L1=14.4m，下行段水平長度L2=250.48m，中間水平段長度L3=19.39m，上升段水平長度L4=278.23m），外徑D=1016mm，壁厚=26.2mm。最終擴(kuò)孔直徑De=1320mm。管道入土角α=6.1°，出土角β=9.2°。穿越深度H1=H2=21.3m。74算例2，西氣東輸武漢段管道工程采用水平定向鉆方式穿越漢江。穿越地質(zhì)為沖填土、粘土、粗砂和部分砂夾卵石層。穿越管道總長853m，（管道附加長度L1=0，下行段水平長度L2=227.65m，中間水平段長度L3=406.05m，上升段水平長度L4=216.30m），外徑D=711mm，壁厚=11mm。最終擴(kuò)孔直徑De=1067mm。管道入土角α=6.8°，出土角β=10.02°。穿越深度H1=35.2m，H2=35.8m。75算例3，蘇丹3/7區(qū)原油外輸管道工程采用水平定向鉆方式穿越江阿特巴拉河。穿越地質(zhì)為砂性土和部分砂夾礫石層。穿越管道總長483m，（管道附加長度L1=0，下行段水平長度L2=207.34m，中間水平段長度L3=84.92m，上升段水平長度L4=187.96m），外徑D=813mm，壁厚=18.9mm。最終擴(kuò)孔直徑De=1067mm。管道入土角α=6°，出土角β=10.02°。穿越深度H1=H2=16.67m。767778當(dāng)水平定向鉆回拖至上行段工況時，管道最容易出現(xiàn)斷裂失效等風(fēng)險。風(fēng)險控制水平定向鉆穿越施工主要存在以下4個方面的風(fēng)險：1.工程失敗2.堤壩塌陷3.堤壩、地面崩裂4.泥漿污染791.工程失敗主要后果表現(xiàn)為回拖失敗、擴(kuò)孔報廢。其主要原因可能是：鉆機(jī)能力不夠；導(dǎo)向孔不符合要求；擴(kuò)孔偏移量過大；孔內(nèi)鉆屑堆積過多；塌孔；管道進(jìn)孔不順暢；設(shè)備故障等；80在巖層變化較大的地區(qū)由于巖層軟硬變化較大從而引起鉆孔上抬與下沉，從而造成錯臺孔。在燃?xì)夤艿阑赝线^程中，可能損壞燃?xì)夤艿婪栏瘜樱蛴捎诠艿赖臋E圓度過大引起徑向屈曲失穩(wěn)。燃?xì)夤艿阑赝蠒r，管線要承受泥漿或土壤壓力，可能引起管線受外力失穩(wěn)變形。擴(kuò)孔或者燃?xì)夤艿阑赝线^程中，可能由于擴(kuò)孔鉆頭在導(dǎo)向孔中停留時間過長而引起鉆頭下沉。水平定向鉆穿越技術(shù)在復(fù)雜地層的穿越還存在很大困難，在不均勻地層和流沙類地層中穿越風(fēng)險也較大；在碎石類，硬巖類地層中穿越難度較大。812.堤壩、地面塌陷堤壩或地面塌陷在大口徑管道定向鉆穿越中時有發(fā)生。其主要原因可能地形的自穩(wěn)性問題造成的地面塌陷，或是出、入士點距堤壩過近、地質(zhì)較差或預(yù)擴(kuò)孔直徑過大等；3.堤壩、地面崩裂定向鉆穿越引起堤壩、地面崩裂一般只在(鉆機(jī))出、入土點發(fā)生。其主要原因可能是出、入土點距堤壩過近、孔內(nèi)泥屑堆積過多、局部塌孔、回拖速度過快等。4.泥漿污染泥漿污染的主要表現(xiàn)是穿越沿程的冒漿、跑漿和出、入土點的返漿失控，這些冒、跑和返漿失控可能造成耕地和水域的污染。原因是土壤密實度問題或者選配泥漿壓力過高。821）卡鉆：卡鉆為水平定向鉆施工過程中常見的問題，卡鉆的原因主要包括鉆頭受到其他管網(wǎng)阻礙造成卡鉆，受到雜填土中的磚塊、大石塊、混凝土等阻礙而造成卡鉆，大直徑鉆頭在堅硬的土壤中擴(kuò)孔造成的頻繁卡鉆以及鉆頭受到樹根阻礙造成卡鉆。當(dāng)水平定向鉆受到地下管網(wǎng)阻礙時，應(yīng)及時退出鉆頭，將鉆桿回拖，重新調(diào)整鉆機(jī)位置并重做導(dǎo)向孔。當(dāng)水平定向鉆受到磚塊、石塊阻礙卡鉆時，應(yīng)松脫扭矩，轉(zhuǎn)動鉆頭，以較為緩慢的速度進(jìn)行擴(kuò)孔。水平定向鉆技術(shù)施工的難點及解決方法83若鉆頭受到大石塊、混凝土、卵石等阻礙卡鉆時，應(yīng)退出鉆頭，挖開石塊后再繼續(xù)擴(kuò)孔，或者調(diào)整鉆機(jī)位置，重新鉆孔。若鉆機(jī)在硬粘土層頻繁卡鉆，則應(yīng)放慢擴(kuò)孔速度。若鉆頭受到樹根阻礙卡鉆應(yīng)通過松脫扭矩，降低擴(kuò)孔速度的方式將樹根粉碎，以去除管線回拖時的障礙。842）縮徑：當(dāng)水平定向鉆在偏軟軟土層擴(kuò)孔時，土壤容易塌陷、變形，從而引發(fā)縮徑。嚴(yán)重縮徑會導(dǎo)致所鋪管道嚴(yán)重的受壓變形，防腐層磨損等，甚至直接在回拖過程中被卡死。發(fā)生嚴(yán)重縮徑時，應(yīng)采用更大一級的鉆頭，再次進(jìn)行清孔和回拖?；蛘咄ㄟ^選用大比重泥漿護(hù)壁來保證成孔。3）坍孔：當(dāng)在沙質(zhì)粘土層、沙層、松散回填土層進(jìn)行水平定向鉆擴(kuò)孔施工時，可能會產(chǎn)生坍孔現(xiàn)象，從而發(fā)生卡鉆埋鉆及回拖鋪管時被卡死的問題，甚至導(dǎo)致地面坍塌，在以上幾種地質(zhì)條件下施工應(yīng)選擇固相泥漿護(hù)壁，以防止坍孔現(xiàn)象的發(fā)生。如果坍孔發(fā)生在石塊堆積處，應(yīng)先將石塊清除后再繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)孔施工。854）流沙：在流沙層進(jìn)行水平定向鉆擴(kuò)孔施工時，很難形成完整的孔道，由于泥沙的吸附力作用會給鋪進(jìn)的管道帶來極大的阻力，需要通過重膠質(zhì)泥漿對流沙進(jìn)行乳化，同時放緩回拖速度，待充分乳化后流沙帶來的吸附阻力將會大大減小。5）管道變形：當(dāng)在粘性較強(qiáng)的粘土層進(jìn)行擴(kuò)孔施工時，殘留在孔內(nèi)的粘土塊難易被攪拌成泥漿，在回拖過程中就會對管道產(chǎn)生擠壓，從而造成管道變形。在遇到這種情況時，應(yīng)在回拖前多進(jìn)行一次清孔工作，對于變形量較小的管道，通過試通驗收其是否合格，對于變形量較大的管道，應(yīng)拖出管子進(jìn)行修復(fù)，如該管道已不能修復(fù)則應(yīng)做報廢處理。866）管道卡死：以上所說的坍孔、縮徑以及在孔道內(nèi)殘留過多的泥塊都可能造成管道卡死。在管道卡死前會顯著出現(xiàn)回拖力逐步上升現(xiàn)象，此時應(yīng)放緩鉆進(jìn)速度甚至?xí)和；赝?，并且加大泥漿量，通過以上措施可以有效避免管道在回拖過程中被完全卡死。當(dāng)管道卡死后，應(yīng)拖出管道，分析管道卡死原因并采取相應(yīng)措施重新進(jìn)行清孔及鋪管。87導(dǎo)向卡鉆：杭州市蕭山區(qū)過河施工，河面寬140m，底層上部亞粘土，依次是亞沙土，粉沙土。施工設(shè)備21T鉆機(jī)，260/40泥漿泵，￠73MM，長3m鉆桿。事情發(fā)生經(jīng)過：設(shè)備安裝好后，開始打?qū)蚩祝@進(jìn)60多根鉆桿，開始調(diào)向時，發(fā)現(xiàn)頂不動，機(jī)手又向前鉆了20幾根，還是不行，這時已經(jīng)過了河中心，不能向前鉆了，只能回撤鉆桿，以期能按設(shè)計軌跡施工。不料只回卸了5,6根鉆桿，回拖力直線上升，又強(qiáng)行拉了1根后，就出現(xiàn)拉不動，轉(zhuǎn)不動現(xiàn)象。這時孔內(nèi)還有73根鉆桿。當(dāng)時分析：附件有一座新建的大橋，是否有遺棄的鋼絲等雜物，纏繞在鉆桿上?，F(xiàn)場處理：調(diào)一臺T32鉆機(jī)，強(qiáng)行拉回，仍然不行。88實際原因：鉆進(jìn)中沒有使用泥漿，鉆孔坍塌，造成卡鉆。處理方法應(yīng)該是：使用優(yōu)質(zhì)泥漿，平行于原孔內(nèi)鉆桿，進(jìn)行沖孔，解除卡鉆。將沖孔器連接在鉆桿上，用導(dǎo)向環(huán)套住孔內(nèi)鉆桿，使用適量泵量進(jìn)行沖孔的同時，反復(fù)推進(jìn)或拉回，直至阻力不大時，再接一根鉆桿，進(jìn)行相同的操作，直至鉆頭附近，過程中不能旋轉(zhuǎn)鉆桿。泵量大小要保證，入土點有泥漿均勻流出。89回拖管時管道卡死：單管時，使用水壓割管器卸管，取出鉆桿、擴(kuò)管器、拉管頭等；多管時，使用水壓割管器卸去部分管，再繼續(xù)回拖。水壓割管器由外管、活塞、彈簧、割刀等組成。在水泵水壓的作用下，割刀伸出外管割斷管子卸載。操作時，在出土點將管道內(nèi)灌滿泥漿，將割管器下到管內(nèi)至預(yù)定點，開泵送水，旋轉(zhuǎn)鉆具，觀測管內(nèi)水位下降后，視為管道割破，再旋轉(zhuǎn)些時間，管道就斷了。鉆具旋轉(zhuǎn)時鉆桿不能上下活動，以保證割管器在同一位置。而后視具體情況，處理卸載部分。9091施工案例1.西氣東輸錫澄運河定向鉆穿越工程錫澄運河位于江蘇省境內(nèi)，由人工開鑿，北通長江，南接京杭大運河，屬五級航道，河內(nèi)航運繁忙。河道呈“U”形。河水由北向南流，最終匯入京杭大運河。9293錫澄運河定向鉆穿越是西氣東輸管道在江蘇省境內(nèi)的中型穿越工程之一。穿越段位于無錫市前洲鎮(zhèn)HE012～HE0l3號樁之間。西岸為河亭上村，東岸為張謝家村。穿越軸線位于兩村村北。兩岸地勢平坦，河水水面寬約80m，最大水深約6.0m。水面高出堤內(nèi)地面約2.0m左右，為地上河。該段地層自上而下可分為5大層3個亞層。設(shè)計確定，穿越段選用￠1016×26.2X70直縫埋弧焊鋼管，連接段選用中￠1016×21.0X70直縫埋弧焊鋼管。管道全線采用減阻內(nèi)涂層和三層PE加強(qiáng)級外防腐。穿越段補(bǔ)口采用定向鉆專用輻射交聯(lián)聚乙烯纖維加強(qiáng)型熱收縮帶(簡稱“定向鉆補(bǔ)口帶”)，連接段補(bǔ)口采用帶配套底漆的三層輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮套(帶)。熱煨彎頭的外防腐采用加強(qiáng)級雙層環(huán)氧粉末涂層。穿越曲率半徑為1200m，管底設(shè)計標(biāo)高最深為-18.0m，入土角9°1′，出土角7°2′。定向鉆穿越入土點至出士點間水平距離為434.6m，曲線實長435.6m。穿越管道總質(zhì)量接近300噸。941）管道預(yù)制穿越段管的預(yù)制在錫澄運河的西岸穿越軸線的延長線上進(jìn)行，長度450m，占地寬度24m。管口組采用內(nèi)對口器和70t吊管機(jī)配合，焊接完成后才能拆卸、移動對口器。焊口檢測合格后進(jìn)行防腐補(bǔ)口補(bǔ)傷。管道的試壓介質(zhì)為水。952）鉆導(dǎo)向孔鉆導(dǎo)向孔之前，根據(jù)設(shè)計入土點、出土點，認(rèn)真測量并科學(xué)選取穿越軸線的磁方位角，嚴(yán)格按規(guī)定程序進(jìn)行控向系統(tǒng)調(diào)校。本工程程采用8-1/2英寸三牙輪鉆頭鉆進(jìn)。在鉆過程中嚴(yán)密觀測井眼返漿情況，每小時取樣一次，并做好記錄，以便準(zhǔn)確判斷鉆進(jìn)過程中的地質(zhì)情況，為鉆進(jìn)決策提供可靠依據(jù)。導(dǎo)向孔是預(yù)擴(kuò)孔的基礎(chǔ)。鉆導(dǎo)向孔時，除曲線的偏移不能超規(guī)定要求外，每根鉆桿之間的角度變化也應(yīng)到嚴(yán)格控制。對于￠1016×26.2管道，穿越曲率半徑不應(yīng)小于1200m，每根鉆桿間的角度變化不應(yīng)超過0.4°。963）預(yù)擴(kuò)孔預(yù)擴(kuò)孔一共7次，采用的擴(kuò)孔器分別為18"板式、24"板式、30"板式、36"板式+30"桶式、42"板式+36"桶式、48"桶式、52"桶式。由于錫澄運河穿越的地質(zhì)條件極不均勻，預(yù)擴(kuò)孔進(jìn)行得非常困難，最慢時的速度只有1.5～2.0m／h。中間出現(xiàn)兩次卡鉆，均采取反向回拖的方式解卡重擴(kuò)。974）管道回拖穿越管道預(yù)制完畢后，開挖發(fā)送溝(發(fā)送溝上口開挖寬度為4m，深度1.2m，邊坡比l：0.7)。然后向發(fā)送溝內(nèi)注水，確保將管線浮起，以避免管線底部與地層磨擦，損傷防腐層，同時，降低回拖阻力。同時特別注意管道入洞前的70m左右的溝底曲線圓滑過渡，保證管道自然入洞。985）泥漿的回收、處理施工前，用單斗將穿越工地的表層耕植土剝離，堆放在工地邊沿。然后用土工布將可能跑、冒、流淌泥漿的地方覆蓋鋪墊。并開挖導(dǎo)流溝，將可能跑、冒、流淌的泥漿引向泥漿回收池。施工中的泥漿通過中￠165×4.5硅芯管套管回收，用泥漿泵抽至泥漿處理裝置分類處理，泥漿部分循環(huán)利用。廢棄物用廢渣罐運至廢料場。殘余的極少量泥土混合物就地深埋，深度不少于2m。992.武漢市天然氣管道漢江定向鉆穿越武漢天然氣干線管道工程是忠(縣)～武(漢)天然氣管道的下游配套工程。根據(jù)線路總體走向，該干線在武漢市舵落口江漢五橋上游0.5km處穿越漢江。穿越方式設(shè)計確定為水平定向穿越。穿越管道選用中￠711×11L290直縫鋼管，采用三層PE防腐—輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮套補(bǔ)口。強(qiáng)度試驗壓8.07MPa(穩(wěn)壓4小時)；嚴(yán)密性試驗2.5MPa(穩(wěn)壓24小時)。穿越的入土角10.02°，出土角6.8°。100此次穿越施工的地點位于城市與郊區(qū)結(jié)合部，人員密集，經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)，涉及大量的房屋拆遷和賠償工作。鉆機(jī)一側(cè)南面江堤，三面民宅；管道入土點位于民宅房后新填魚塘內(nèi)，除需拆遷民房外，穿越的延長線上魚塘連片，根據(jù)現(xiàn)場情況修筑的管道預(yù)制作業(yè)帶彎曲超過100°，且地形起伏較大，高差接近2m，為發(fā)送溝的開挖帶來極大困難。101入土點為