【作者简介】闫永贵（1981~），男，山西保德人，高级工程师，从事工程
建设施工管理及技术管理研究。
供热管道穿越岩层水平定向钻施工技术
Horizontal Directional Drilling Construction Technology for
Heating Pipeline Crossing Rock Stratum象鼻山
闫永贵
（太原市市政公共设施建设管理中心，太原030027）
YAN Yong-gui
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(Taiyuan Municipal Public Facilities Construction Management Center,Taiyuan 030027,China)
【摘要】随着我国工程建设的发展，管道在敷设的过程中，经常遇到各种障碍物需要用非开挖施工方法进行穿越，其中，水平定向
钻钻进技术是非开挖施工技术中的重要部分，主要用于穿越道路、河流、建筑物及一些不具备明挖的山体等障碍物，相比于顶管、隧道等施工方法，水平定向钻具有施工速度快、成本低等优点。水平定向钻技术已在供热管道敷设工程中广泛应用。
【Abstract 】With the development of engineering construction in China,in the process of laying pipelines,various obstacles are often
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encountered and need to be traverd by trenchless construction methods.Among them,horizontal directional drilling technology is an important part of trenchless construction technology.It is mainly ud for crossing roads,rivers,buildings and some obstacles such as mountains without open cut.Compared with construction methods such as pipe jacking and tunnels,horizontal directional drilling has the advantages of fast construction speed and lowcost.Horizontaldirectionaldrillingtechnologyhasbeen widelyud in heatingpipeline layingprojects.
【关键词】供热管道；水平定向钻；施工技术
【Keywords 】heating pipeline;horizontal directional drilling;construction technology 【中图分类号】TU74；TU990.3
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【文献标志码】A
【文章编号】1007-9467（2022）01-0135-04
【DOI 】10.ki.gcjsysj.2022.01.040
1工程概况
沁县城镇集中供热工程位于山西省长治市武乡至沁县段，为沁县集中供热热源替代工程的输热管线工程，以武乡电厂为热源向沁县敷设DN800mm 的输热干线，替代沁县现状取暖用煤粉锅炉。沁县良庄供热管道敷设需要定向钻穿越砂岩，穿越概况如下：
1）穿越管线规格及防腐方式：管道规格为DN800mm 钢管，加保温层后准960mm 。
五丁香2）穿越长度：定向钻穿越分2次穿越每段出土点、入土点水平长度约700m ，计1400m 。
3）穿越地层：在进行穿越地层的过程中，需要根据相关参数来进行一定的控制，不仅需要对管径的数据进行分析，还需要与其出、入土角具有非常大的联系，同时，需要进行曲率半径的计算，也需要对地质情况进行研究，穿越管线最深深度为-34~-36m 。根据工程地质剖面图上所揭示的地层，穿越管线两侧局部穿越粉质黏土层，山体处穿越风化砂岩层。
2定向钻施工
2.1地锚坑
当钻机准备好之后，需要测量人员进行测量放线工作，同时需要参照设计图纸，确保钻机轴线与穿越曲线的轴线重合。挖地锚坑1个，地锚坑中心线在穿越中心线上，地锚坑尺寸7m ×4m ×3.5m 。调整钻机的钻进角度，使之与入土角吻合。为了能够更好地确保钻机的平稳性，应该对钻机进行一定的加固处理工作，主要是铺1层钢板。钻机锚固装形式如图1所
示。
135
2.2钻导向孔
所有设备安装调试好并在泥浆配制好后可以启动钻机进行试钻，检查钻头水眼是否堵塞。如果没有堵塞则可以继续钻进[1]。
本次穿越采用的钻具主要有：钻杆采用5″(抗拉995MPa，屈服855MPa)API标准S135内部加厚型钻杆、钻头采用8-1/2″牙轮钻头；6-1/2″无磁钻铤1根；165泥浆马达；控向系统采用Tru-Trucker system（有线控线系统）实时跟踪系统和MGS系统进行跟踪定位，可以确保出土位置准确[2]。
相关钻具的使用情况：8-1/2″牙轮钻头+直径165泥浆马达+6-1/2″无磁钻铤+5″S-135钻杆。
在进行穿越施工的过程中，需要特别关注钻导向孔工作。钻导向孔工作应该按照设计曲线来进行施工，需要对管径的大小进行测量，从而能够更好地对每根钻杆的折角进行确定。与此同时，更需要在工作的过程中进行一定的跟踪工作，做好测量和记录作业。还需要在穿越曲线上进行数据控制点的设置，要求控制点之间的间隔约为6m，每钻进1m，就需要对钻头的位置数据进行记录，这样才能够更好地进行控制工作。
除此之外，还需要对钻孔的方向进行控制，要求钻孔曲线与设计穿越曲线相吻合。因此，在导向孔钻进时应对有线控线系统进行测试，测试并调校完后，进行正常钻进。
在钻进过程中，还应注意每根钻杆的折角，折角不宜过大。钻杆折角应符合表1的要求。钻导向孔施工同时采用人工磁场校验法。
2.3预扩孔
钻具连接：钻杆→扩孔器→旋转接头→钻杆。
表1钻杆折角
孔径ϕ/mm每根钻杆最大折角/（°）4根钻杆累加折角/（°）1400不超过0.3≤1
为了能够更好地进行环形空间的增加，同时还能够在很大程度上缩小回拖拉力，需要进行11次预扩孔工作，加2次洗孔，根据现场实际情况，增加清孔次数，确保洗孔满足要求后才能进行回拖。
第一级：12″，采用12″牙轮岩石扩孔器进行扩孔。
第二级：16″，采用16″牙轮岩石扩孔器进行扩孔。
极度痛苦的英文第三级：20″，采用20″牙轮岩石扩孔器进行扩孔。
第四级：24″，采用24″牙轮岩石扩孔器进行扩孔。
第五级：28″，采用28″牙轮岩石扩孔器进行扩孔。
第六级：32″，采用32″牙轮岩石扩孔器进行扩孔。
第七级：36″，采用36″牙轮岩石扩孔器进行扩孔。
第八级：40″，采用40″牙轮岩石扩孔器进行扩孔。
第九级：48″，采用48″牙轮岩石扩孔器进行扩孔。
第十级：52″，采用52″牙轮岩石扩孔器进行扩孔。
第十一级：56″，采用56″牙轮岩石扩孔器进行扩孔。
2.4管线回拖
管线回拖:5″S-168钻杆+52″桶式扩孔器+200t万向节+穿越管线。
回拖力理论估算：
F L=L f[（πD2）/4γm-πδDγS W f]+KπDL（1）式中，F L为计算的拉力，kN；L为穿越管段的长度，m；f为摩擦系数，取0.3；D为钢管的外径，m；γm为泥浆重度，kN/m3，可取10.5~12.0；γS为钢管重度，kN/m3，取78.5；δ为钢管壁厚，0.0156m；W f为回拖管道单位长度配重，kN/m；K为黏滞系数，
锚固箱前挡板
钻机钻架钻机支垫钢板
锚固箱
钻机锚固板图1钻机锚固安装形式
136
kN/m2，取0.18。
1）在回拖工作中，为了能够避免出现停工的问题，需要在工作前来进行连接部位是否牢固的检查。
2）回拖作业之前，还需要将穿越段管线安置在发送架之上，要求起吊点与管道环焊缝之间的记录不大于2m，同时要求起吊高度约为1m，各个起吊点之间的距离要求小于或等于16m，吊管设备用4台20t吊管机或4台20t吊车等其他超重设备。
3）采取滚轮支架或其他措施降低管线回拖时管线的摩擦力。
4）回拖工作需要对表盘的读数进行关注，并且对扩孔的数据进行记录，这样才能更好地为下一次的扩孔工作做准备，有效确保扩孔回拖工作的顺利开展。
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2.5定向钻穿越的泥浆工艺
1）泥浆室内试验主要是为了解决穿越作业中的一些问题，包括河水配浆、孔壁保护、防止卡漏等。那么，需要进行泥浆体系优选工作，实现对成本的控制。泥浆各参数见表2和表3。
表2泥浆性能参数
参数黏度/s
密度
/（g/cm3）切应力/Pa
塑性黏度
P V/（MPa·s）
中压失水量
F L/mL
指标60~80 1.05/1.100~10/5~1510~1512
表3泥浆黏度值参考表
施工阶段
不同地质泥浆黏度/s
黏土亚黏土粉砂细砂中砂粗砂岩石
钻导
向孔30
~4035~4540~4540~4545~5050~5555~60扩孔30~4035~4540~4540~4545~5055~6060~65注：泥浆黏度为马氏漏斗测量。
本次工程穿越段地质主要为岩石，导向孔钻进时，泥岩夹粉砂岩的泥浆黏度为40s；扩孔时泥岩夹粉砂岩的泥浆黏度为45s；洗孔时泥岩夹粉砂岩的泥浆黏度约为60s，并可根据实际情况适当调整。
随时观察洗孔的情况，扭矩波动小或者无波动，拉力稳定时，即可达到回拖要求。
2.6防止导向孔偏移策略
1）首先，确定正确的穿越轴线，根据图纸提供的入土点和出土点坐标利用GPS-RTK进行测量、核实。
2）钻机就位时保证穿越方向和设计穿越轴线吻合、入土点和设计入土点吻合，并按设计入土角入土。
3）所有设备安装调试好并在泥浆配制好后可以启动钻机进行试钻，检查钻头水眼是否堵塞，如果没有堵塞则可以继续钻进。
4）合理搭配钻具，主要有：5″API标准S135内部加厚型钻杆、8-1/2″铣齿三牙轮钻头、6-1/2″无磁钻铤1根。
5）严格施工过程控制。开钻前对整个控向系统进行测试、调校，一切正常后方可钻进；在进行作业时，需要进行一定的测量工作，同时需要进行一定的数据记录，需要保证每6m的穿越曲线就进行一次数据监测，同时需要进行钻头位置数据的记录，记录间隔为1m。
2.7废弃泥浆的处理
简历自我评价怎么写1）泥浆膨润土和添加剂的选择时，要保证其产品不存在污染的情况，符合环保标准。
2）还需要进行泥浆坑的防渗漏施工，可以防止泥浆进入地层。
3）还需要利用回收处理系统来进行泥浆的处理，处理后的材料可以继续使用，而过滤出来的泥沙需要放置在专门场地之中。
4）施工完毕之后，剩余的泥浆以及泥沙需要进行集中晒干处理，从而进行一定的回填工作，并且需要环保部门出具相关证明。
2.8一次性穿越成功方法
1）导向孔工作
首先，要求导向孔具有“平滑圆缓”的特点。在进行导向孔工作中，需要保证信号稳定传输，需要利用专门的检测工具来进行相关信号的检测工作。然后需要凭借信号线连接技术包进行连接质量的保证。
其次，需要根据施工要求来进行钻杆的操作，并且需要满足曲率半径的要求，同时还需要保证所有的钻杆倾角以及方位角在误差范围以内。
2）扩孔
在进行扩孔工作时，需要保证扩孔直径大于或等于穿越管直径的1.5倍，同时需要对扩孔的级差进行合理化。需要
对
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地质情况进行研究，这样能够更好地进行泥浆配比的确定，有效保证孔洞的顺利形成，保证返浆畅通。
3）预制管线准备
在进行连管回拖工作之前，需要确保预制管线与穿越轴线具有一致性。需要利用漂浮的方式来降低管线摩擦力。还可以通过”固体泥浆”的方式进行润滑，从而实现回拖工作。
4）确保钻具完整
为了能够有效保证穿越工作的成功，需要确保钻具完好无缺。因此，需要对钻杆、扩孔器等相关设备进行检测，这样能够保证其完整。同时需要对钻具进行保养，确保其功能保持在正常的状态。
5）构建高效的泥浆体系
在进行岩石穿越工作中，需要采用高黏度和高密度的泥浆配置，这样能够更好地进行支撑，同时也能够起到悬浮和护壁作用，能够在很大程度上防止岩屑床的形成。除此之外，还需要在其中加入一定量的添加剂。在进行回拖工作时，需要进行固体润滑剂的添加。
2.9钻进过程中可能出现问题的应对措施及方案
2.9.1卡钻
回拖作业是管道定向钻施工中的最后一项，其工作是否成功对整个工程的质量具有非常大的影响。因此，需要在进行回拖工作前进行一定的导向孔作业，同时还需要进行一定的扩孔和洗孔作业，这样才能够保证其工作质量。
此工作还会受到地质条件的影响，在进行管道回拖前容易出现孔洞状况不好的问题，比如，孔壁坍塌、卡钻等相关问题。特别是在DN800mm口径管道中，更加容易出现卡钻的问题。因此，需要在回拖工作之前做好相应的应急措施。
在进行管道回拖作业的过程中，如果回拖力增加，那么就能够明确在孔洞中出现了孔壁坍塌的问题。
为了能够更好地对此问题进行解决，需要进行动滑轮组的安装，这样能够更好地将滑轮组与回拖管道末尾部分进行连接，将管道从孔洞中拖出，从而有效防止管道在孔洞中停留时间过长，造成更大的阻力。滑轮组安装使用示意图如图2所示。
穿越主管
解卡方向滑轮组
拉力方向
地锚
图2滑轮组安装使用示意图2.9.2在拖管过程中出现管拖不动的情况
拖管出现拖不动的问题需要进行钻机的转移，与滑轮组配合，最大可产生4000kN（400t）回拖力，缓慢增加回拖力将管道拖出地面。若滑轮组不能将管线拖出，可在管线尾端安装夯管锤，利用夯管锤冲击力辅助滑轮组将管线拖出。需要进行原因总结并进行改善，如采用更大的回扩器，使用组合扩孔器修孔，提高泥浆性能，增大排量，等等，完成穿越。
3结语
水平定向钻技术是环境影响小、工程造价底、施工速度快的一种非开挖施工技术，在工程建设中应用非常广泛，但在施工过程中也容易出现各种问题，风险较大，在施工阶段应该合理编制施工方案，保证技术的应用合理，为工程的顺利进行提
供坚实的技术保障。
【参考文献】
[1]陈洁琼.浅谈水平定向钻非开挖铺管施工技术[J].华东科技：综合, 2020(3):1.
[2]叶文建.水平定向钻穿越施工中的定向控制技术[C]//中国非开挖技术协会.2007非开挖技术会议论文专辑.北京：自然资源部信息中心,2007.
【收稿日期】2021-09-08
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