1、 水平定向鉆穿越施工工藝：

　　使用水平定向鉆機進行管線穿越施工,一般分為二個階段：第一階段是按照設(shè)計曲線盡可能準確的鉆一個導(dǎo)向孔；第二階段是將導(dǎo)向孔進行擴孔,并將產(chǎn)品管線（一般為PE管道,光纜套管,鋼管）沿著擴大了的導(dǎo)向孔回拖到導(dǎo)向孔中,完成管線穿越工作。

　　1.1  鉆導(dǎo)向孔:  

　　要根據(jù)穿越的地質(zhì)情況,選擇合適的鉆頭和導(dǎo)向板或地下泥漿馬達,開動泥漿泵對準入土點進行鉆進,鉆頭在鉆機的推力作用下由鉆機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)（或使用泥漿馬達帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)）切削地層,不斷前進,每鉆完一根鉆桿要測量一次鉆頭的實際位置,以便及時調(diào)整鉆頭的鉆進方向,保證所完成的導(dǎo)向孔曲線符合設(shè)計要求,如此反復(fù),直到鉆頭在預(yù)定位置出土,完成整個導(dǎo)向孔的鉆孔作業(yè)。

　　鉆機被安裝在入土點一側(cè),從入土點開始,沿著設(shè)計好的線路,鉆一條從入土點到出土點的曲線,作為預(yù)擴孔和回拖管線的引導(dǎo)曲線.

　　1.2 預(yù)擴孔和回拖產(chǎn)品管線：

　　一般情況下,使用小型鉆機時,直經(jīng)大于200毫米時,就要進行予擴孔,使用大型鉆機時,當產(chǎn)品管線直徑大于Dn350mm時,就需進行預(yù)擴孔,預(yù)擴孔的直徑和次數(shù),視具體的鉆機型號和地質(zhì)情況而定.

　　回拖產(chǎn)品管線時,先將擴孔工具和管線連接好,然后,開始回拖作業(yè),并由鉆機轉(zhuǎn)盤帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)后退,進行擴孔回拖,產(chǎn)品管線在回拖過程中是不旋轉(zhuǎn)的,由于擴好的孔中充滿泥漿,所以產(chǎn)品管線在擴好的孔中是處于懸浮狀態(tài),管壁四周與孔洞之間由泥漿潤滑,這樣即減少了回拖阻力,又保護了管線防腐層,經(jīng)過鉆機多次預(yù)擴孔,最終成孔直徑一般比管子直徑大200mm,所以不會損傷防腐層。

　　在鉆導(dǎo)向孔階段,鉆出的孔往往小于回拖管線的直徑,為了使鉆出的孔徑達到回拖管線直徑的1.3～1.5倍,需要用擴孔器從出土點開始向入土點將導(dǎo)向孔擴大至要求的直徑.

　　地下孔經(jīng)過預(yù)擴孔,達到了回拖要求之后,將鉆桿、擴孔器、回拖活節(jié)和被安裝管線依次連接好,從出土點開始,一邊擴孔一邊將管線回拖至入土點為止.

　　2、 水平定向鉆施工的特點：

　　2.定向鉆穿越施工具有不會阻礙交通,不會破壞綠地,植被,不會影響商店,醫(yī)院,學(xué)校和居民的正常生活和工作秩序,解決了傳統(tǒng)開挖施工對居民生活的干擾,對交通,環(huán)境,周邊建筑物基礎(chǔ)的破壞和不良影響.

　　2.2現(xiàn)代化的穿越設(shè)備的穿越精度高,易于調(diào)整敷設(shè)方向和埋深,管線弧形敷設(shè)距離長,完全可以滿足設(shè)計要求埋深,并且可以使管線繞過地下的障礙物.

　　2.3城市管網(wǎng)埋深一般達到三米以下,穿越河流時,一般埋深在河床下 9—18米,所以采用水平定向鉆機穿越,對周圍環(huán)境沒有影響,不破壞地貌和環(huán)境,適應(yīng)環(huán)保的各項要求.

　　2.4采用水平定向鉆機穿越施工時,沒有水上、水下作業(yè),不影響江河通航,不損壞江河兩側(cè)堤壩及河床結(jié)構(gòu),施工不受季節(jié)限制,具有施工周期短人員少、成功率高施工安全可靠等特點.

　　2.5與其它施工方法比較,進出場地速度快,施工場地可以靈活調(diào)整,尤其在城市施工時可以充分顯示出其優(yōu)越性,并且施工占地少工程造價低, 施工速度快.

　　2.6大型河流穿越時,由于管線埋在地層以下 9—18mm,地層內(nèi)部的氧及其他腐蝕性物質(zhì)很少,所以起到自然防腐和保溫的功用,可以保證管線運行時間更長.

　　3、 水平定向鉆機系統(tǒng)簡介：

　　各種規(guī)格的水平定向鉆機都是由鉆機系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控向系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、鉆具及附助機具組成,它們的結(jié)構(gòu)及功能介紹如下：

　　3.1鉆機系統(tǒng)：是穿越設(shè)備鉆進作業(yè)及回拖作業(yè)的主體,它由鉆機主機、轉(zhuǎn)盤等組成,鉆機主機放置在鉆機架上,用以完成鉆進作業(yè)和回拖作業(yè).轉(zhuǎn)盤裝在鉆機主機前端,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,達到不同作業(yè)狀態(tài)的要求.

　　3.2動力系統(tǒng)：由液壓動力源和發(fā)電機組成動力源是為鉆機系統(tǒng)提供高壓液壓油作為鉆機的動力,發(fā)電機為配套的電氣設(shè)備及施工現(xiàn)場照明提供電力.

　　3.3控向系統(tǒng)：控向系統(tǒng)是通過計算機監(jiān)測和控制鉆頭在地下的具體位置和其它參數(shù),引導(dǎo)鉆頭正確鉆進的方向性工具,由于有該系統(tǒng)的控制,鉆頭才能按設(shè)計曲線鉆進,現(xiàn)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).

　　3.4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,為鉆機系統(tǒng)提供適合鉆進工況的泥漿。

　　3.5鉆具及輔助機具：是鉆機鉆進中鉆孔和擴孔時所使用的各種機具.鉆具主要有適合各種地質(zhì)的鉆桿,鉆頭、泥漿馬達、擴孔器,切割刀等機具.輔助機具包括卡環(huán)、旋轉(zhuǎn)活接頭和各種管徑的拖拉頭。

　　1． 入土點是定向鉆施工的主要場所,鉆機就布置在該側(cè),所以施工占地比較大,DD330鉆機的最小占地為30×30M,當然也可以根據(jù)現(xiàn)場的實際情況作相應(yīng)調(diào)整,DD60、DD-5的占地相應(yīng)要小得多.  

　　2．出土點一側(cè)主要作為管道焊接場地,在出土點應(yīng)有一塊20×20M的場地作為預(yù)擴孔、回拖時接鉆桿和安裝其他設(shè)備時使用；在出土點之后有一條長度與穿越長度相等的管線焊接作業(yè)帶.

穿越實例

　　大沽沙穿越鉆機場地布置

　　1998年9月到10月之間,在天津塘沽大沽沙海河,我公司僅用45天時間完成了兩條Φ219×8,一條Φ426×9,長度為960米的管道穿越。大沽沙穿越焊接場地（只顯示了兩條管道）

　　水平定向鉆穿越施工工藝流程圖

　　使用水平定向鉆技術(shù)穿越河流和其它障礙物的施工方法在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的運用.水平定向鉆穿越承包商協(xié)會認為：在工程項目招投標過程中,水平定向鉆承包商應(yīng)設(shè)法獲取盡可能多的相關(guān)信息以提出完整并具競爭力的報價,承包商在開工前應(yīng)該獲得以下信息,以保證日后的工作可以順利進行,并在此條件下完成工程項目的施工,同時足夠的施工前的各類信息還可以保證施工過程更安全,減少對周圍環(huán)境的破壞,使工程進行的更順利。

　　一、概 述

　　A、發(fā)展與使用

　　水平定向鉆技術(shù)最早出現(xiàn)在70年代,是傳統(tǒng)的公路打孔和油田定向鉆井技術(shù)的結(jié)合,這已成為目前廣受歡迎的施工方法,可用于輸送石油、天然氣、石化產(chǎn)品、水、污水等物質(zhì)和電力、光纜各類管道的施工.不僅應(yīng)用于河流和水道的穿越,同時還廣泛應(yīng)用于高速公路、鐵路、機場、海岸、島嶼以及密布建筑物、管道密集區(qū)等。

　　B、技術(shù)限制

　　定向鉆施工技術(shù)首先應(yīng)用于美國海岸地區(qū)的沖積層穿越,現(xiàn)在已經(jīng)能夠開始在粗沙、卵石、冰磧和巖石地區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)條件下進行穿越施工.最長的穿越施工已達6000英尺、管道直徑為18英寸.

　　C、優(yōu)勢

　　事實證明：水平定向鉆穿越是對環(huán)境影響最小的施工方法.這項技術(shù)同時還可以為管道提供最的保護層,并相應(yīng)減少了維護費用,同時不會影響河流運輸并縮短施工期,證明是目前效率最高,成本最低的穿越施工方法.

　　D、施工過程和技術(shù)

　　1、導(dǎo)向孔：導(dǎo)向孔是在水平方向按預(yù)定角度并沿預(yù)定截面鉆進的孔,包括一段直斜線和一段大半徑弧線.在鉆導(dǎo)向孔的同時,承包商也許會選擇并使用更大口徑的鉆桿（即沖洗管）來屏蔽導(dǎo)向鉆桿.沖洗管可以起到類似導(dǎo)管的作用,還可以方便導(dǎo)向鉆桿的抽回和更換鉆頭等工作.導(dǎo)向孔的方向控制由位于鉆頭后端的鉆桿內(nèi)的控制器（稱為彎外殼）完成.鉆進過程中鉆桿是不做旋轉(zhuǎn)的,需要變換方向時若將彎外殼向右定位,鉆進路線即向右沿平滑曲線前進.鉆孔曲線由放置在鉆頭后端鉆桿內(nèi)的電子測向儀進行測量并將測量結(jié)果傳導(dǎo)到地面的接收儀,這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和計算后,以數(shù)字的形式顯示在顯示屏上,該電子裝置主要用來監(jiān)測鉆桿與地球磁場的關(guān)系和傾角（鉆頭在地下的三維坐標）,將測量到的數(shù)據(jù)與設(shè)計的數(shù)據(jù)進行對比,以便確定鉆頭的實際位置與設(shè)計位置的偏差,并將偏差值控制在允許的范圍之內(nèi),如此循環(huán)直到鉆頭按照預(yù)定的導(dǎo)向孔曲線在預(yù)定位置出土。

　　2、預(yù)擴孔：

　　導(dǎo)向孔完成后,要將該鉆孔進行擴大到合適的直徑以方便安裝成品管道,此過程稱為預(yù)擴孔,（依最終成孔尺寸決定擴孔次數(shù)）.例如,如需安裝36英寸管線,鉆孔必須擴大到48英寸或更大.通常,在鉆機對岸將擴孔器連接到鉆桿上,然后由鉆機旋轉(zhuǎn)回拖入導(dǎo)向孔,將導(dǎo)向孔擴大,同時要將大量的泥漿泵入鉆孔,以保證鉆孔的完整性和不塌方,并將切削下的巖屑帶回到地面.

　　3、回拖管道：預(yù)擴孔完成以后,成品管道即可拖入鉆孔.管道預(yù)制應(yīng)在鉆機對面的一側(cè)完成.擴孔器一端接上鉆桿另一端通過旋轉(zhuǎn)接頭接到成品管道上.旋轉(zhuǎn)接頭

可以避免成品管道跟著擴孔器旋轉(zhuǎn),以保證將其順利拖入鉆孔.回拖由鉆機完成,這一過程同樣需要大量泥漿配合,回拖過程要連續(xù)進行直到擴孔器和成品管道自鉆機一側(cè)破土而出.

　　二、現(xiàn)場布局和設(shè)計

　　A、道 路

　　施工現(xiàn)場兩側(cè)都需要重型設(shè)備,為縮減成本,通往兩側(cè)施工現(xiàn)場的道路應(yīng)盡可能利用現(xiàn)有道路以減少新修道路距離,或利用管道線路的施工便道,所有相關(guān)道路使用權(quán)的協(xié)議都應(yīng)由業(yè)主提供,在投標階段再來討論這些問題為時已晚.

　　B、工作場地

　　1、鉆機一側(cè)——鉆機施工場地至少需要30M（100FT）寬,長45M（150FT）的面積.該面積從入土點算起,入土點應(yīng)位于規(guī)定的區(qū)域內(nèi)至少3M（10FT）處,同時由于許多鉆機配套的設(shè)備或配件沒有規(guī)定的存放地點,所以鉆機一側(cè)施工現(xiàn)場可由許多不規(guī)則的小塊組成,以便節(jié)省占地面積,現(xiàn)場盡量要平整,堅硬,清潔,以便有利于進行施工.由于穿越施工時需要大量的淡水供攪拌泥漿用,所以施工現(xiàn)場要盡量靠近水源或便于連接自來水管道的地方.

　　2、管道一側(cè)----為便于預(yù)制成品管道,管道一側(cè)要有足夠長度的施工現(xiàn)場,這也是要重點考慮的事情.現(xiàn)場寬度應(yīng)滿足管道施工的需要（一般為12----18米）.同樣在出土點一側(cè)也需要30米（100FT）寬乘以45米（150FT）長的施工現(xiàn)場.總長度以能夠擺放下所預(yù)制的管道為準,（場地的總長度一般為穿越管道長度再加上30米,）在回拖前,要將管道預(yù)制完成,包括焊接,通球,試壓防腐等工序,在回拖過程中,不能再進行管道的連接工作,因為回拖過程是要連續(xù)進行的,若此時進行管道連接將可能造成地下孔洞的塌方,極可能造成整個工程施工的失敗.

　　C、施工現(xiàn)場勘察

　　一旦施工地點確定,應(yīng)對相應(yīng)區(qū)域進行勘測并繪制詳細準確的地質(zhì)地貌圖紙.最終施工的精度取決于這一勘測結(jié)果的精度.

　　D、施工設(shè)計參數(shù)

　　1、覆蓋層厚度----考慮的因素包括所穿越河流的流量特征,季節(jié)性洪水沖刷深度,未來河道的加寬和加深,現(xiàn)有管道和電纜的位置等因素.一旦確定了施工地點并完成地質(zhì)調(diào)查,穿越層的厚度也就確定了,一般來說,覆蓋層應(yīng)至少是6米（20FT）厚.以上僅是針對河流穿越而言的,對于其它障礙物的穿越會有另外的要求.

　　2、鉆進角和曲率半徑----在大多數(shù)穿越施工中,入土角通常選擇在8--12度之間,多數(shù)施工應(yīng)首先鉆一段斜直線,然后再鉆一段大半徑曲線.此曲線的曲率半徑由成品管線的彎曲特性決定,隨直徑增大而增大,鋼管道曲率半徑的拇指法則是100FT/IN（一般取管道直徑的1000—1200倍）.斜直線將導(dǎo)向孔曲線按照預(yù)定的走向引導(dǎo)到設(shè)計的深度,然后是一段在此深度上的長長的水平直線,然后到達向上的彎曲點再到出土點.出土角應(yīng)控制在5-12度之間,以便于成品管道的回拖.

　　E、鉆孔施工

　　所有的測向控向工具都包括地下測量電子設(shè)備和地面接收設(shè)備,可以測得鉆頭所在位置的磁方位角（用于左/右控制）和傾斜角（上/下控制）以及鉆頭的鉆進方向.

　　1、精度：穿越施工精度很大程度上取決于磁場的變化.例如,大型鋼結(jié)構(gòu)（橋梁,樁基,其它管道）和電力線路會影響磁場讀數(shù).而穿越出土點的導(dǎo)向孔目標偏差值應(yīng)控制在左右3米（10FT）,長度——米～10（-10～30FT）的范圍內(nèi).

　　2、完工圖紙：一般來說,導(dǎo)向孔的測量和控制應(yīng)在鉆導(dǎo)向孔時每鉆進一根鉆桿或隔9米（30FT）測量計算一次.以上測量計算完成的導(dǎo)向孔施工圖紙承包商應(yīng)向業(yè)主提供.也有采用替代方法如陀螺儀,穿地雷達和智能清管球用來做定位工作.

　　三、地質(zhì)調(diào)查

　　A、探孔數(shù)量

　　探孔數(shù)量取決于計劃穿越地點的地層情況及穿越長度.如果穿越長度為300米（1000FT）,在兩側(cè)的穿越工地各鉆一個鉆孔就足夠了,如果鉆孔結(jié)果表明該地區(qū)地質(zhì)狀況比較單一,就不必進行進一步的鉆探取樣.如果勘探報告表明該地區(qū)地質(zhì)條件比較復(fù)雜,或者發(fā)現(xiàn)有巖石或有粗沙層存在,這時就需要做進一步的詳細的地質(zhì)調(diào)查.長距離大口徑穿越施工時,如出現(xiàn)粗砂,卵石,風(fēng)化巖或硬巖應(yīng)每隔180米----240米（600--800FT）取樣一次,若有明顯跡象表明地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜,這時就需要打更多的地質(zhì)探孔進行更多的采樣工作.所有采樣探孔都應(yīng)沿穿越斷面方向,采樣深度以計劃的穿越深度為準.如有可能,取樣探孔最好選在穿越中線一側(cè)約8米（25FT）處.勘探任務(wù)完成后,探孔必須封好以防止在施工過程中的泥漿泄漏.

　　B、探孔深度  

　　所有的探孔深度都應(yīng)至少達到穿越點以下12米（40FT）或預(yù)定的穿越深度以下6米（20FT）,兩者之中取其大者.有時將穿越深度定的深一些或?qū)嶋H穿越曲線比設(shè)計的位置深一些,無論對承包商還是對業(yè)主來說都是很有益的,關(guān)鍵是穿越位置要選在地層結(jié)構(gòu)一致的利于成孔的地層中進行,這樣才利于穿越的成功.

　　C、土壤的標準分類

　　一名合格的地質(zhì)技師或地質(zhì)學(xué)者,應(yīng)能依據(jù)統(tǒng)一土壤分類系統(tǒng)或ASTM設(shè)計書D-2487和D2488對材料進行分類.能夠擁有一份由現(xiàn)場技師或鉆探公司提供的現(xiàn)場鉆探記錄,對以后的施工將是非常有益的,此記錄會包括對材料的目測分類以及由鉆探公司根據(jù)取樣結(jié)果對地層結(jié)構(gòu)所做的解釋和評價.

　　D、標準穿刺測試

　　SPT為了更好地確定顆粒材料的密度,地質(zhì)工程師通常會依據(jù)ASTM規(guī)范D1586做標準穿刺測試SPT.這是一種現(xiàn)場測試方法,利用標準重量的重錘將勺形取樣器打入土層中的一定深度,記錄下進入到12寸深時的擊打次數(shù).所獲數(shù)據(jù)即為標準穿刺阻力值并可用于估算試驗地點非聚合土壤的相對密度.也有些鉆探公司會選擇在結(jié)合性土壤或巖石地區(qū)進行小范圍的這項試驗,以此來確認密實土壤的一致性及巖石的硬度.

　　E、取芯取樣法

　　多數(shù)地質(zhì)勘探公司更喜歡使用取芯取樣器來獲取地下巖心的樣本,這些測試一般根據(jù)ASTM規(guī)范D-1587進行.除取樣器為液壓驅(qū)動的有鋒利切割刃的薄壁無逢鋼筒外,此類測試類似上述標準穿刺測試.需要的液壓數(shù)值可在現(xiàn)場記錄中找到,這種方法可取到相對完整的樣本以便對其進行更詳細的試驗室分析.樣本可在現(xiàn)場利用手持式穿刺儀分析,對于定向穿越來說,通常使用上述切割式勺狀取樣器即可滿足施工需要.

　　F、顆粒度分析

將樣品進行顆粒度篩網(wǎng)分析,是對于用切割式勺狀取樣器在施工現(xiàn)場取得的顆粒狀物質(zhì)所進行的一種機械試驗,這些樣品被送到試驗室,在通過一系列的篩網(wǎng)后,根據(jù)其顆粒的大小和重量得出不同粒徑的百分比,這是最重要的試驗之一.

　　G、巖石情況

　　如果在土壤勘測中發(fā)現(xiàn)巖層的存在,必須確定巖層類型,相對硬度和非限定性壓縮強度,要由專業(yè)勘探公司利用金剛石鉆頭取芯桶進行取樣,典型的巖心樣本直徑為50毫米（2英寸）.巖石類型由地質(zhì)專家根據(jù)巖心與總?cè)⌒拈L度關(guān)系對巖石進行質(zhì)量分類,巖石硬度依據(jù)巖石與以知硬度的十種材料相比較得知,壓縮強度通過精確測量巖心然后進行壓縮實驗取得.這些數(shù)據(jù)屬于巖石的物理參數(shù),以便于確定采用什么類型的穿越設(shè)備和鉆頭,并且穿越進尺也可以估計到.