非開挖技術概述

隨著城市高度現代化和人民生活水平的不斷提高，城市和鄉村對基礎設施建設的總體要求越來越高，地下管網是城市基礎設施的重要組成部分，日夜肩負著傳送信息和輸送能量的重要工作，是城市賴以生存和發展的物質基礎，是城市不可缺少的生命線。目前，城市地下管網的發展規模、管線鋪設、維修和更換過程中對城市交通、環境的影響及對人們生活、工作的干擾，已成為衡量一個城市基礎設施完善程度和城市管理水平的重要標志。傳統的挖槽埋管地下管線施工技術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，同時給市民工作、生活帶來許多不便，特別在人口稠密的城市和交通擁擠的地區以及不允許開挖的地段，這個矛盾更加突出。

非開挖技術(Trenchless Technology)是近二十年來國際上新興的一種對環境無公害的地下管線施工技術，是指利用巖土鉆掘手段在地表不挖溝的情況下，鋪設、修復和更換地下管線的施工技術。國際非開挖協會給非開挖技術的定義是：

Trenchless Technology is the science of installing, repairing or renewing underground pipes, ducts and cables using techniques which minimize or eliminate the need for excavation, sometimes also called “No-Dig”.

  -- from “ISTT: Trenchless technology guidelines”

近十年來，英、美、德、日等國的許多高等院校、研究機構、企業也投入了大量的人力、物力研究開發這一新技術，取得了大量研究成果并逐步應用于工程實踐中。由于該技術的綜合成本低、施工周期短、環境影響小、不影響交通、施工安全性好等優勢日益受到人們的青睞，在市政給排水管線、通訊電纜、燃氣管道及電力電纜等地下管線工程施工中得以廣泛應用。目前，非開挖管線工程技術已在西方發達國家成為一項政府支持、社會提倡和企業參與的新技術產業，成為城市現代化進程中的一項關鍵技術。

隨著我國國民經濟的高速發展和政府對環境的日益重視，自90年代中期以來，我國非開挖的工程施工量和投入的設備數量均以每年40%的高速度增長。非開挖技術在我國已形成了一個新興的產業，引起了各級政府和環境部門的高度重視。極有潛力的我國非開挖技術市場也吸引了大批國際非開挖設備制造商。尤其在處于中國管道大發展的21世紀，非開挖技術將具有十分廣闊的應用前景，經濟效益和社會效益也將非常巨大。

據統計，全世界每年有100萬km的地下管線需要新建，總投資超過300億美元；而發達國家現有各類地下管線的總長約2000萬km，為更新、修復這些地下管線，每年還需投資300~350億美元。我國每年需鋪設的管線長度上水管5000km，下水管3000km，電訊管線26000km，此外還有30000km的管道急需更新和修復(尚未計天然氣管道和煤氣管道)。日本每年施工下水管道17000km，其中10%用非開挖技術施工，北美現有水平定向鉆進(HDD)鉆機達1700臺，用于施工各類管線。未來20年美國估算為更換舊管道(主要是污水管道)就要花費1萬億美元，現已有15萬km管道用脹管法修復，可再用100年。我國香港地區計劃在未來20年內每年用5億港元進行修繕和更換管道。其它國家都有類似情況存在。

對如此浩大的地下管線工程，采用的仍然是傳統的開挖施工技術，新老道路總處于挖了填，填了再挖的尷尬局面，不論從經濟角度還是社會角度上看，都應追蹤國外非開挖技術的發展，把地下管線工程施工新技術提到議事日程上來。為此，中國工程院院士劉廣志先生還特意在中國工程院院士建議中撰文“倡議推廣非開挖鋪設地下管線技術”。

非開挖技術的蓬勃發展也是歷史的必然，一是新管線需要大量興建；二是過去的舊管線大量待重建或翻修，管線建設愈多，修理工作量愈大;三是與21世紀聯合議程目標相一致，利于保護環境。

因此，非開挖施工技術對于土木施工、環境保護、城市規劃及建筑管理等領域都是值得研究的重要課題。

非開挖地下管線工程技術的主要研究內容和服務領域包括地下管線探測和檢測技術、地下管道(線)的鋪設技術和地下管道(線)的維護和更新技術。具體技術包括非開挖定向和導向鉆進管道(線)鋪設技術、頂管和微型隧道施工技術、沖擊矛技術、夯管技術、頂推鉆進技術、沖擊鉆進技術、水平鉆進以及管道在線更換技術和各種管道修復技術等

穿越工程投資寶典

使用水平定向鉆技術穿越河流和其它障礙物的施工方法在世界范圍內得到了廣泛的運用。水平定向鉆穿越承包商協會認為：在工程項目招投標過程中，水平定向鉆承包商應設法獲取盡可能多的相關信息以提出完整并具競爭力的報價，承包商在開工前應該獲得以下信息，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，減少對周圍環境的破壞，使工程進行的更順利。

一、概 述

    A、發展與使用

    水平定向鉆技術*早出現在70年代，是傳統的公路打孔和油田定向鉆井技術的結合，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、石化產品、水、污水等物質和電力、光纜各類管道的施工。不僅應用于河流和水道的穿越，同時還廣泛應用于高速公路、鐵路、機場、海岸、島嶼以及密布建筑物、管道密集區等。

    B、技術限制

    定向鉆施工技術首先應用于美國海岸地區的沖積層穿越，現在已經能夠開始在粗沙、卵石、冰磧和巖石地區等復雜地質條件下進行穿越施工。*長的穿越施工已達6000英尺、管道直徑為18英寸。

    C、優勢

    事實證明：水平定向鉆穿越是對環境影響*小的施工方法。這項技術同時還可以為管道提供*的保護層，并相應減少了維護費用，同時不會影響河流運輸并縮短施工期，證明是目前效率*高，成本*低的穿越施工方法。

    D、施工過程和技術

    1、導向孔：導向孔是在水平方向按預定角度并沿預定截面鉆進的孔，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）來屏蔽導向鉆桿。沖洗管可以起到類似導管的作用，還可以方便導向鉆桿的抽回和更換鉆頭等工作。導向孔的方向控制由位于鉆頭后端的鉆桿內的控制器（稱為彎外殼）完成。鉆進過程中鉆桿是不做旋轉的，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的電子測向儀進行測量并將測量結果傳導到地面的接收儀，這些數據經過處理和計算后，以數字的形式顯示在顯示屏上，該電子裝置主要用來監測鉆桿與地球磁場的關系和傾角（鉆頭在地下的三維坐標），將測量到的數據與設計的數據進行對比，以便確定鉆頭的實際位置與設計位置的偏差，并將偏差值控制在允許的范圍之內，如此循環直到鉆頭按照預定的導向孔曲線在預定位置出土。

    2、預擴孔： 導向孔完成后，要將該鉆孔進行擴大到合適的直徑以方便安裝成品管道，此過程稱為預擴孔，（依*終成孔尺寸決定擴孔次數）。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，然后由鉆機旋轉回拖入導向孔，將導向孔擴大，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：預擴孔完成以后，成品管道即可拖入鉆孔。管道預制應在鉆機對面的一側完成。擴孔器一端接上鉆桿另一端通過旋轉接頭接到成品管道上。旋轉接頭可以避免成品管道跟著擴孔器旋轉，以保證將其順利拖入鉆孔?；赝嫌摄@機完成，這一過程同樣需要大量泥漿配合，回拖過程要連續進行直到擴孔器和成品管道自鉆機一側破土而出。

二、現場布局和設計

     A、道 路

    施工現場兩側都需要重型設備，為縮減成本，通往兩側施工現場的道路應盡可能利用現有道路以減少新修道路距離，或利用管道線路的施工便道，所有相關道路使用權的協議都應由業主提供，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——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，入土點應位于規定的區域內至少3M（10FT）處，同時由于許多鉆機配套的設備或配件沒有規定的存放地點，所以鉆機一側施工現場可由許多不規則的小塊組成，以便節省占地面積，現場盡量要平整，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----為便于預制成品管道，管道一側要有足夠長度的施工現場，這也是要重點考慮的事情?，F場寬度應滿足管道施工的需要（一般為12----18米）。同樣在出土點一側也需要30米（100FT）寬乘以45米（150FT）長的施工現場?？傞L度以能夠擺放下所預制的管道為準，（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、施工現場勘察

    一旦施工地點確定，應對相應區域進行勘測并繪制詳細準確的地質地貌圖紙。*終施工的精度取決于這一勘測結果的精度。

    D、施工設計參數

    1、覆蓋層厚度----考慮的因素包括所穿越河流的流量特征，季節性洪水沖刷深度，未來河道的加寬和加深，現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調查，穿越層的厚度也就確定了，一般來說，覆蓋層應至少是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----在大多數穿越施工中，入土角通常選擇在8--12度之間，多數施工應首先鉆一段斜直線，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）。斜直線將導向孔曲線按照預定的走向引導到設計的深度，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備和地面接收設備，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，大型鋼結構（橋梁，樁基，其它管道）和電力線路會影響磁場讀數。而穿越出土點的導向孔目標偏差值應控制在左右3米（10FT），長度——3米～10米（-10～30FT）的范圍內。

    2、完工圖紙：一般來說，導向孔的測量和控制應在鉆導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向孔施工圖紙承包商應向業主提供。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、地質調查

    A、探孔數量 

    探孔數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），在兩側的穿越工地各鉆一個鉆孔就足夠了，如果鉆孔結果表明該地區地質狀況比較單一，就不必進行進一步的鉆探取樣。如果勘探報告表明該地區地質條件比較復雜，或者發現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調查。長距離大口徑穿越施工時，如出現粗砂，卵石，風化巖或硬巖應每隔180米----240米（600--800FT）取樣一次，若有明顯跡象表明地質結構異常復雜，這時就需要打更多的地質探孔進行更多的采樣工作。所有采樣探孔都應沿穿越斷面方向，采樣深度以計劃的穿越深度為準。如有可能，取樣探孔*好選在穿越中線一側約8米（25FT）處?？碧饺蝿胀瓿珊?，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至少達到穿越點以下12米（40FT）或預定的穿越深度以下6米（20FT），兩者之中取其大者。有時將穿越深度定的深一些或實際穿越曲線比設計的位置深一些，無論對承包商還是對業主來說都是很有益的，關鍵是穿越位置要選在地層結構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

    一名合格的地質技師或地質學者，應能依據統一土壤分類系統或ASTM設計書D-2487和D2488對材料進行分類。能夠擁有一份由現場技師或鉆探公司提供的現場鉆探記錄，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取樣結果對地層結構所做的解釋和評價。

    D、標準穿刺測試

    SPT為了更好地確定顆粒材料的密度，地質工程師通常會依據ASTM規范D1586做標準穿刺測試SPT。這是一種現場測試方法，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。所獲數據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合性土壤或巖石地區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

    多數地質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ASTM規范D-1587進行。除取樣器為液壓驅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。需要的液壓數值可在現場記錄中找到，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分析，是對于用切割式勺狀取樣器在施工現場取得的顆粒狀物質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后，根據其顆粒的大小和重量得出不同粒徑的百分比，這是*重要的試驗之一。

    G、巖石情況

    如果在土壤勘測中發現巖層的存在，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）。巖石類型由地質專家根據巖心與總取心長度關系對巖石進行質量分類，巖石硬度依據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。這些數據屬于巖石的物理參數，以便于確定采用什么類型的穿越設備和鉆頭，并且穿越進尺也可以估計到。

水平定向鉆進在復雜環境中的施工

該工程穿越鄭汴路，鄭汴路下鋪設有熱力、自 來水、天然氣、雨水、污水電力、通訊等各種管道，其 中污水管道直徑2500mm，是鄭州市東西方向主要 排污通道，地層中的各種得情況*為復雜的穿越工 程。主要穿越管線為Φ200 ×13mm，MPP 電力電纜 護套管。定向鉆實際穿越長度160m。

1.1 穿越段地質情況

地質狀況：

第1 層：雜填土(Q 4-3 ml )：褐色- 深褐色，稍濕，稍 密，主要為粉土和粉砂，含水泥塊、磚塊和石子等建 筑垃圾，土質不均勻。局部層底為素填土，平均層底 深度2.37 米。

第2 層：粉土(Q 4-3 al )，褐黃- 黃褐色，稍濕，稍密， 干強度低，搖振反應中等，無光澤反應，韌性低，局 部夾有稍密粉砂薄層。層底深度 1.6-3.6米，平均層 底深度2.73 米。

鄭汴路與玉鳳路的圖示位置

第3 層：粉質粘土(Q 4-3 al )，褐黃- 灰褐色，飽和， 可塑，干強度中等，無搖振反應，韌性中等，稍有光 滑，土質不均勻層底深度2.0-4.4米，平均層底深度 3.63 米。

第4 層：粉土(Q 4-3 al ) ，淺灰- 黃褐色，濕，中密， 干強度低，搖震反應中等，無光澤反應，韌性低，層 底深度2.9-7.0米，平均層底深度6.07 米。

第5 層：粉質粘土(Q 4-3 al )，灰褐- 黃褐色，飽和， 可塑，干強度中等，無搖振反應，韌性地，土質不均 勻。層底深度 4.0-8.0米，平均層底深度7.42 米。

1.2 各種管道分布及鉆進規劃圖

各種管線和穿越軌跡圖

2 施工工序

本次工程采用DDW230 水平定向鉆機進行施 工，鉆機性能參數如下：額定扭矩：9000Nm；入土角 調整范圍：10~ 20 毅；*大推拉力：230KN ；鉆機結構形 式：履帶 式；控向方式：無線。

2.1 測量放線

（1）根據施工要求的入土點和出土點坐標放出 管線中心軸線，在入土點端測量并確定鉆機安裝位 置及泥漿池的占地邊界線；在出土點一端，根據管 線中心軸線和占地寬度及長度，放出管線組裝焊接預制場地邊界線及出土點作業場地邊界線。

（2）測量控向參數：按操作規程標定控向參數， 要求細心并盡可能多測取參數比較，以確定*佳參 數，在管道中心線的三個不同位置測取，且每個位 置至少測四次，并做好記錄。

2.2 鉆機就位

道路施工場地完成后，按照施工平面的布置， 進行鉆機就位，罐區擺放，開挖泥漿回收池等。

2.3 泥漿配比方案設計

泥漿配制：根據地質資料情況，確定泥漿配制 方案，實施泥漿開鉆，開鉆前配制好30 方優質泥 漿。泥漿在定向穿越中起關鍵作用，我們將針對不 同的地層采用不同的泥漿，若地質情況復雜，則對 泥漿要求比較高，為了對付不同的情況，我們將采 取以下措施：

（1）按照事先確定好的泥漿配比用一級膨潤土 加上泥漿添加劑 ，配出合乎要求的泥漿。

（2）使用的泥漿添加劑有：聚合物HFEC，濾失 劑DFD-140 ，潤滑劑，根據不同的穿越段地質條件， 確定加入不同的添加劑。

（3）為了確保泥漿的性能，使膨潤土有足夠的 水化時間，在用量不能改變的情況下，將采取增加 泥漿儲存罐的數量。

（4）廢泥漿的處理：在焊接場地挖一個廢漿收 集池，收集廢泥漿，經沉淀之后處理；在鉆機場地也 挖一個泥漿回收池，泥漿經過回收池沉淀后，再經 過泥漿回收系統回收；回收不了的泥漿排送到指定 的地方。

2.4 鉆機試鉆

進行系統連接、試運轉，設備運轉正常后，鉆進 1-2 個單根后, 檢查各部位運轉情況，正常后按次序 鉆進，確保導向鉆進一次成功。

2.5 穿越施工技術措施

本工程的導向軌跡的確定不但應執行設計和 規范要求，還應考慮穿越道路的地下各種管線復 雜，為保證其它管線的安全，在確定鉆孔軌跡設計 時，必須走“S”型軌跡，這就增大技術難度。

2.6 穿越施工工藝流程

鉆機設備就位-----→鉆導向孔-----→預擴孔-----→回拖

2.7 導向孔鉆進

導向孔的鉆進是整個定向鉆的關鍵，我們采用 DDW230 水平定向鉆機進行整個穿越工程的施工。 定向設備采用英國Sharewell 公司生產的MGS 定向 系統 ，確保出土位置達到設計要求。確定控向方案， 泥漿和司鉆要重視每一個環節，認真分析各項參 數，互相配合鉆出符合要求的導向孔，鉆導向孔要 隨時對照地質資料及儀表參數分析成孔情況。

2.8 預擴孔

導向孔完成，根據地質狀況及管徑分級擴孔， *后孔徑D=1.2-1.3Dn（Dn為管線直徑）。 采用 Φ450 擴孔器進行預擴孔；擴孔時按照設計要求適 當調整泥漿排量，控制回拖速度，按照設計擴孔參 數平穩擴孔，操作員密切注意泵壓、扭矩、回拖力的 變化 ，嚴禁憋泵、憋鉆 、強行回擴。

2.9 管線回拖

導向孔經分級預擴、清孔，孔徑達到管線回拖 要求的條件，將檢驗合格的穿越管線吊上滑送架并 檢查無誤后回拖?；赝鲜谴┰降?后一步，也是* 關鍵的一步，在回拖時采用的施工方式是：Φ450 擴 孔器+80T回拖旋轉接頭+ Φ273.1×6.4mm 穿越管 線。在回拖時進行連續作業，避免因停工造成卡鉆。 回拖前仔細檢查旋轉接頭、連接頭、擴孔器的連接， 確定連接牢固方可回拖，回拖時兩岸要加強聯系， 協調配合將管線敷設到預定位置。

3 關鍵工藝控制措施

（1）導向軌跡呈“S ”型的鉆進過程中的技術保 證措施 定向設備采用英國Sharewell 公司生產的MGS 定向系統，在定向鉆進過程中嚴格控制全角變化 率，盡量縮短測量間隔長度，特別是遇到污水管道 時，參數測量間距不得超過2 米。調整方位要及時， 并留有余量，禁止反復大幅度調整角度，防止“S ”型 軌跡鉆進過程中出現卡鉆或塌孔現象。

（2）確保定向鉆出誤差在設計范圍內的措施 鉆機測量就位時，利用全站儀準確放出鉆機就 位中心線；第二準確測量標定控向參數，要求細心 并盡可能多測取參數比較，以確定*佳參數，在管 中心線的三個不同位置測取，且每個位置至少測四 2 UnRegistered 第3 期 次，并做好記錄。

（3）確保擴孔順利的措施 首先要做好導向孔，必須滿足管線曲率半徑的 要求, 特別是”S ”型曲線；二是針對不同地層適時調 整好泥漿 ，本穿越段地層較復雜, 針對不同地層及時 調整泥漿配比方案，適當控制泥漿粘度, 增加濾失 劑、潤滑劑和防塌劑加量，穩固孔壁, 減少縮徑，穩定 泥漿性能 ，防止大幅度調整泥漿，引起孔壁坍塌。

（4）由于管線分兩孔進行回拖，應準確定位，避 免串孔，造成回拖時回擴器打壞已成型管線。

非開挖施工方法分類

非開挖技巧的定義為用*小的地表開挖量來完成各類地下管線的鋪設，改換，修復，檢測和定位的工程施工技巧。

非開挖施辦法大致可分為三類：

1. 管線鋪設：鋪設新的地下管線。

2. 管線改換：在原位改換舊管線。

3. 管線修復：修復現有管線的部分缺陷或改善其功能。

經歷統計，在全部鋪設的各類地下管線中，直徑在250mm以下的大約占84%，直徑在250～900mm之間的約占15%，直徑在900mm以上的僅占1%。重要說明小口徑的地下管線的非開挖的施工辦法。目前，鋪設，改換和修復地下管線的施工辦法重要就是開挖和非開挖兩種。兩者比擬各有其長處。開挖施工法的長處是施工容易，間接本錢低，適用于在開闊的地表，不存在任何妨礙物（河流，街道，建造物等），施工不會影響交通的要求下鋪設地下管線。在郊區，由于以下緣由，開挖施工法越來越遭到來自政治，經濟和環境方面的壓力和束縛：

1. 施工引發的樂音，粉塵，振動和廢氣。

2. 阻礙交通（梗塞，中綴或改線）；

3. 毀壞環境（綠化帶，公園和花園）；

4. 影響市民生活和商店的營業；

5. 平安性差；

6. 綜合施工本錢高。

非開挖施工法和其相比具有不毀壞環境，不影響交通，施工周期短，綜分解本低，社會效益明顯等長處，此外，它還可在少許沒法施工開挖作業的地域（繁華的郊區，古跡維護區，農作物和植被維護區，以及穿越高速公路，鐵路，建造物，河流，湖泊等）實行各類地下管線施工。

我國非開挖技巧的市場前景與古代化建立的進程親密相干，為了加快根底設備和根底工業的建立是*根本的前提，因而對石油，煤氣，電力，電訊，自來水，污水等各類地下管線的需求可望在較長的時刻內有較大幅度的增長，這為我國非開挖技巧的開展提供了有利的要求，市場潛力宏大。

為了避開現有的密集管網零碎，大城市管線埋深有加大的趨向，例如上海，北京等，有些管線的埋深已達10m左右。開挖施工的本錢隨埋深的加大而進步，非開挖施工的杰出性更為明顯。探討標明，當埋管深度超越4m時，開挖施工的本錢開端高于非開挖施工的本錢，此外，隨著設備應用率的進步，施工經歷的豐厚，非開挖的施工的本錢也會逐步降低。

此外，隨著古代文明認識和環抱認識的逐步增強，開挖路面實行地下管線施工招致的社會Issue(問題)，交通Issue(問題)和凈化Issue(問題)已越來越遭到人們的關心。城市束縛開挖施工的法規將持續出臺，其適用面將逐步擴展，這對非開挖工程的推行使用無疑會發生極大的推進作用。例如，為了維護城市路途，增加地下管線施工招致的交通梗塞，國務院于1996年10月1日發布的《城市路途管理條例》規則，新建路途5年內不準開挖；修復路途3年內不準開挖。

總的來說，非開挖地下管線施工技巧由于具有不凈化環境，不影響交通，施工周期短，綜合施工本錢高等長處，無疑會在地下管線施工中取得較普遍的使用

非開挖管道鋪設的質量控制及驗收初探

 始于二十世紀七十年代的水平定向鉆進管道鋪設技術（又稱非開挖管道鋪設技術），普遍用于穿越河流和水渠、街道、高速公路、鐵路、機場跑道、河灘、島嶼、建筑群，來進行石油、天然氣、自來水、污水及其他流體鋪設和電力與電訊電纜的導管鋪設。非開挖導向鉆進鋪設管線是在傳統頂管法和不能定向水平鉆進鋪管法的基礎上引進現代的導向技術而發展起來的鋪管技術。它的施工順序大體為：利用置于地面的鋪管機鉆機，沿待鋪線的設計軌跡先鉆成一個先導孔（導向孔），然后將導孔回擴，擴大至適合生產管道鋪設的直徑（根據經驗，*終回擴直徑按公式D^/=K₁D，式中D^/為適合生產管道鋪設的鉆孔直徑，D為生產管外經，K₁為經驗系數，一般為1.2～1.5），然后將待鋪設的生產管拉入孔內。非開挖鋪設管道技術以其獨特的優越性，已被人們逐漸接受，特別是在大中城市，商業繁華地區，普遍采用此項技術。

具體的說，非開挖管道鋪設技術具有以下優點：

（1）對交通干擾*??；（2）對周圍房屋環境的損壞少；（3）全年可施工，施工安全，效率高；（4）社會效益高，且綜合成本低，工時少；（5）導向管施工時，深度位置可以由導向儀測量，并根據設計軌跡進行校正調整。對安全環保高度重視的今天，尤其適用。由于非開挖水平定向鉆進鋪管技術的獨特性，至今未有相關的質量評定驗收標準，本文以具體的工程監理實踐來談談該技術在施工過程中的質量控制。根據現行各有關給排水管道工程施工及驗收規范，對驗收及控制標準都有不同的規定。目前所執行的幾種標準規程具體內容如下：

1.根據CJJ3—90評定規程中，關于頂管允許偏差應符合以下規定：

2.據根JT J041-2000《公路橋梁施工技術規范》中，關于倒虹吸管施工質量標準見下表：

3.根據GB50268—97《給水排水管道施工及驗收規范》中關于管鋪設的允許偏差見下表：

4.根據中國非開挖技術協會（CSTT）《水平定向鉆進管線鋪設工程技術規范》中的要求，導向孔出口處左右±1m，上下±1m認為是比較合理的鉆孔精度。

由于以上四個規范、規程中所提到的質量標準，可以看出關于軸線偏位有三個不同的控制指標（50mm，30mm，1000mm）。我們認為，CSTT《水平定向鉆進管線鋪設工程技術規范》系施工企業的技術協會制定的規范，對于排水管道、到虹吸管來說，其驗收精度要求過低，未得到質量監督部門、業主和設計單位認可前，不宜作為驗收標準。由于獨特的施工工藝，導向孔內有護壁泥漿，拖拉結束后管道將懸浮于孔內，軸線將產生較大的偏差。

根據以上分析，拖拉管施工、驗收過程中，控制軸線位移及高程是十分重要的。所以現場施工應做好以下幾方面的控制工作：

一、鉆孔、擴孔的質量控制

1. 鉆孔前控制：

地表測量主要根據施工圖紙，利用全站儀，確定兩井之間的具體位置（包括坐標與距離），定出鉆孔中心線和地表走向，測量中心線地面的海拔高度或相對高度，并根據要求的鋪管深度，初步確定導向孔的造斜角度和入口位置。一旦選擇確定了施工位置，就應該對鉆孔軌跡作測量并繪出詳細的圖紙。鉆孔軌跡和基準線的*后精度取決于測量資料的精度。根據設計確定的埋置深度，選擇入土和出土角。

2. 鉆進過程中的測量控制：

在鉆進導向孔時，鉆進工作人員利用手持式跟蹤儀〔基本配置由一個裝在鉆頭后面的測量探頭（發射器）和一個手持式跟蹤接收器組成〕，通過鉆頭內探頭發出的信號，確定鉆具位置，利用導向儀獲取的數據與預先設計的基準線和實際軌跡進行比較，每鉆進2～3m時進行一次測量計算，隨時調整鉆進軌跡，鉆頭出口處露出地面，測量實際出口，是否在誤差范圍之內，如果鉆孔的一部份超出誤差范圍，可能要拉回鉆桿，重新鉆進鉆孔的偏斜部分。

3. 擴孔過程中的測量控制：

經過工作人員認真操作，導向孔的位置偏差能得到較好的控制，但由于拖拉管特殊的施工工藝，在隨后的回擴操作可能改變鉆孔的位置，為了減少偏離，不同地層可采用不同的回擴器。刮刀回擴器用于軟土層，筒形的回擴器用于混和土，鑲嵌合金鋼牙輪回擴器用于巖石層，回擴器的類型和地質條件直接影響回擴速度，采用與地層相匹配的回擴器和適當的鉆進液流量是回擴施工的關鍵，同時也是對維持孔壁穩定預防塌孔的有效手段。

在非開挖定向鉆進管線施工過程中的軸線、高程偏差，主要發生在回擴階段，每擴一次孔的測量控制，跟導向孔鉆進測量方法相同，

擴孔結束相當于開挖溝槽結束，拖拉管采用的管材一般為鋼管和高強度的聚乙烯管，對于接頭都有相關的檢測方法。

二.拖拉管回拖前及鋪管結束后的質量檢測.

1．管材質量控制：

用于拖拉管施工的產品管，大多屬于新型產品，材質應根據設計要求對環剛度及*大拉力等指標進行檢測（送相關檢測單位）。

2．高程、軸線檢查：

由于大多數導向孔需要多次回擴，將孔徑擴至能鋪設管道，（終孔孔徑一般為管線外徑的1.2～1.5倍）。如果采用高強度聚乙烯管，管道施工完畢將懸浮于管道內，高程H偏差在±（D－d）/2之間，在施工管回拖過程中，通過不斷的清運泥漿，盡量減少孔道內泥漿，預防由于泥漿固結所引起的管軸及管底標高與原設計的差距。通過其工程實踐，回拖結束立即對管底標高檢測，及相隔兩月后再次利用探頭及導向跟蹤儀對管底標高進行檢測，變化很小。

另外為控制管底高程還應盡量控制擴孔系數。

3.管道變形控制和檢測：

考慮到排水管應滿足設計排水流量的要求，工程施工完畢，應對管道變形進行檢查。

根據上海市工程建設規范《埋地塑料排水管道工程技術規程》DG/TJ08-308-2002 （J10185-2002）關于管道變形的檢測方法：

（1）人不能進入管內的塑料管可采用圓度測試板管內拖拉進行檢測，圓度板直徑（0.95 ⁺⁰_-0.02）D_i（管內徑）。

（2）人能過進入管內的塑料管當DN≥600mm時可直接進入管內檢測其實際變形值。

根據工程實際施工情況，管子拖拉鋪設結束后，水有可能進入管道內，對采用圓度測試板對管道變形檢查，拖拉法有難度。建議采用類似于通球法的檢查方法，（根據設計核算的*小排水流量制作模型采用內拖法檢查）。

4.管道的閉水試驗檢查

由于CJJ3-90市政工程質量檢驗評定規程中，閉水試驗只有在陶土管，混凝土管，鋼筋混凝土管和石棉水泥管等管材進行，所給定控制指標不適用于塑料管及其他材質的排水管。

根據不同的驗收標準都有不同的取值：

Q=1.25√D  （GB50268-97）                       （1）

Q=0.26√D  〔DG/TJ08-308-2002 （J10185-2002）〕  （2）

Q=0.0046D （ CECS122:2001 ）                   （3）

式（1）（3）中 Q —每1km管道長24h的允許滲水量m³/（24h.km）；

              D —管道內徑（mm）。

式（2）中Q —每10m管道長30min的允許滲水量L/10m.30min；

          D —管道內徑（mm）。

我國目前對塑料排水管道的驗收一直采用中國工程建設標準化協會標準即CECS122:2001，由于本工程管材接頭采用的是電熱融式接頭，所以閉水試驗推薦采用CECS122:2001規程中的24小時管道滲水量要求，即（式3）。

綜合以上所述，通過對導向孔鉆進前，鉆進過程中及回擴過程的軸線，標高監控測量以及管線回拉后的高程軸線復測，管道閉水試驗，變形檢測等工藝指標的控制，通過監理檢驗，基本上達到了預期制定的控制目標。

根據對本工程的監理實踐及專家驗收會議的*終討論的驗收結果認為，非開挖鉆進技術拖拉管施工工藝用于倒虹吸管。建議對以下工作內容進行檢查驗收，基本上就能滿足設計及使用要求了：

1. 管道覆蓋深度，推薦采用非開挖協會的施工技術規范中規定：穿越的*小覆蓋深度，大于鉆*終回擴直徑的6倍以上；在穿越河床時，應在河床斷面*低處之下5m以上。

2. 管道接頭檢查用焊縫檢測儀對管線進行連續檢測。

3. 倒虹吸管進出口的檢查井，根據CJJ3-90《市政工程質量檢驗評定規程》中管道檢查井的檢查內容進行驗收。

4. 進出水口的高程，軸線，滿足設計規定

5. 壓力管道強度與嚴密性試驗， GB50268-97只對鋼管有壓管做了規定，而對塑料管并沒有規定，所以推薦采用有壓管與無壓管臨界值0.2Mpa，作壓力試驗的控制指標。

6. 變形檢測推薦采用上海市工程建設規范《埋地塑料排水管道工程技術規程》進行檢查。

三、拖拉管施工的建議與存在的不足：

1. 拖拉管施工用于市政雨污排水管，無驗收標準。很難依據排水工程驗收規范驗收。所以施工前監理要與業主、質檢站、設計單位擬訂驗收標準、檢測頻率和驗收辦法。承包人必須確認能達到這些要求，才能采用拖拉法施工。

2. 產品管與回擴孔（拖拉施工完畢）的間隙如何處理，不能象開挖施工那樣回填密實對于橫穿道路管線，孔內泥漿固結后，道路邊可能隨之下沉。

3. 當施工現場有干擾時，如無線電發射臺、大型鋼結構、輸電線路、變壓器等將影響手持式跟蹤儀的測量精度。

4. 由于拖拉管施工法鋪設的管道管內底高程誤差較大，所以只適用于對管道高程要求不高的有壓管（如自來水管、油氣管）和電纜護管的鋪設。其高程精度很難達到雨水管、污水管的要求

水平定向鉆鉆進軌跡和控制

非開挖鋪管的關鍵技術在于導向鉆孔軌跡的精確控制，確保避開原有地下管線及障礙物，按設計路線準確、順利地鋪管。它的基本步驟是：采用先進的導向探測儀對地下鉆頭的前后傾角、深度、導向板面向角等進行測量，根據測量結果人為預定其導進方向，并不斷地調整鉆頭面角進行推進或繼續鉆進。其中，“人為預定”是憑操作經驗來進行的，依靠操作者判斷和調整前進方向，這就使導向精度和速度降低。一旦發現當前鉆出的孔段軌跡與理想軌跡有差異時，退回重新校，由于在先期的鉆進過程中，舊孔軌跡周圍環境在高壓泥漿液的強力沖刷下已變得松散，再想靠導向板的推進來改變方向校正出新軌跡孔就較為困難了，往往要退回很大的量才能校正過來，并且回程量也只有靠經驗來控制。因此，在導向鉆進時總是希望能夠預先知道按操作控制所能得到的地下軌跡，*好是在設計好鉆進軌跡時就有一套操作控制程序。對此，進行非開挖導向鉆進軌跡的研究是非常必要的。

一、幾何關系的建立

        在導向鉆進過程中，鉆頭以回轉鉆進和只推進兩種方式運動?；剞D鉆進時，其方向不發生變化，軌跡線為直線；推進時，其方向會按一定的規律變化，軌跡力地下空間曲線。這樣整個鉆孔軌跡由若干段直線和弧線組成。因此，導向鉆進軌跡的基礎是空間解析幾何，必須按照有關線、面、角的數學定義來表達鉆孔軌跡控制的幾個基本參數而建立數學表達式。這里不妨取垂直于地平面的方向為Z軸；南北方向為Y軸；東西方向為X軸。按空間解析幾何，可以建立或推導出以下關系方程式。

1、鉆頭當前軸線——鉆進時鉆頭當前方向線

設m、n、p為軸的方向余弦，a、b、c為鉆頭當前的地下空間位置定標，則有鉆當前軸線方程為
==①
2、鉆進方向面——垂直于地平面且通過鉆頭當前軸線的平面垂直于XY平面的方程可設為：
AX+BY+D=0 ②
且鉆進方向面與鉆頭當前軸線重合，則滿足鉆進方向面定義的平面方程是式①和式②的聯立解。解法向矢量，得走向面方程為：
-X+Y+Z=0 役

3、軌跡面——鉆頭軸線與導向鉆頭導向板面法線所構成的平面也就是以鉆進方向面為起始，繞鉆頭軸線轉一定角度θ所形成的平面。因該面通過點（a，b，c），所以可設其方程為：
A1（x—a）+B1（y—b）+C1（z—c）=0 ④
4.鉆頭面向角——鉆進方向面與軌跡面之間夾角θ
由鉆進方向面方程③和軌跡面方程④可得這兩個平面的夾角，即鉆頭面向角方程為：
ｃｏｓθ＝⑤
因軌跡面通過鉆頭軸線，
則有：
Ａ１ｍ＋Ｂ１ｎ＋Ｃ１ｐ＝０⑥
Ａ１ａ＋Ｂ１ｂ＋ｃ１ｃ＝０⑦
因此，若已知鉆頭面向角θ，則聯立⑤、⑥、⑦三式可解得軌跡面方程中的參數Ａ１、Ｂｌ、Ｃ１。
導向鉆進的幾何學實質是：在鉆頭當前軸線所確定的鉆進方向面基礎上，調整鉆頭面向角后，得到新的鉆進軌跡面，在新軌跡面上鉆頭以一定的造斜強度給出新的弧形軌跡線。用每單位長度鉆進量后鉆頭軸線在軌跡面上的角度變化值表示造斜強度。
上述關系的建立，使我們在原理上能夠計算導向鉆進在任意鉆進量時鉆頭在地下的空間位置、傾斜角度和前進方向。同時注意到計算的復雜性和工作的龐大，因此可以編制軟件借用計算機工具解決運算問題。

二、鉆孔軌跡的控制設計 

        導向鉆進的軌跡設計一般要考慮三方面的要求。
１、鋪設管線的深度和水平距離；
２、避開的地下管線和石塊等障礙物；
３、鉆進角度或出鉆角度的弧度變化控制。
例如說，在橫穿馬路鉆進施工中常見到這樣的情況：鉆機置于馬路邊緣一定距離外，鉆機以一定的鉆進角度開孔，向下偏導向鉆進，希望經過一定長度的弧形軌跡，達到鋪管設計深度時鉆頭的方向恰好調整到水平方向，再保持水平方向旋轉鉆進，保正鉆孔準確地從地下原有兩根管道之間的間隙中穿越。如果不進行鉆孔軌跡模擬預測，沒有精確的控制方向參數，單靠人工的施工經驗操作就很難保證施工成功，甚至造成重大事故。
為了得到一套*佳的控向鉆進操作方案，在實際施工前，我們可在計算機上用導向軌跡模擬對全孔導向鉆進進行模擬演示。根據輸入的鉆進操作參數和勘察到的地質勘探報告參數，經過對土質的力學分析，再進行按某一套方案模擬演示后，其偏差情況一目了然。如果覺得這套方案不理想，可以分析修改原輸入參數，再進行模擬，經過若干次模擬使鉆進軌跡達到滿意，*終得到一套*佳的鉆進操作方案。根據模擬演示確定一套鉆進操作參數，在理論上計算出導向軌跡曲線，再根據導向軌跡曲線確定具體的操作方案，這樣循環若干次的反復互相校正操作方案和設計導向軌跡曲線

定向鉆穿越回拖大口徑管線的發送技術

在定向鉆穿越管線施工中，在管道出土端經常會遇到一些復雜的地形地貌，如河流、沼澤、街道、河堤、公路、鐵路、丘陵山地、建筑物等諸多障礙，給管線回拖造成了很多障礙?？墒窃趯嶋H工作中管道發送技術往往不被重視，在回拖過程中發生諸多風險。隨著長輸管道大量的建設，探索解決長距離定向鉆穿越回拖管線的發送施工技術就顯得尤為重要。定向鉆穿越回拖管線發送方案的選擇應結合施工現場的地形地貌的特點，若因場地限制預制管段不能直線布置，應在出土點保持不少于100m的直管段，方可采取彈性敷設，敷設曲率半徑R≥1500D(D為穿越管道的外徑)。下面結合施工的定向鉆穿越工程實例，談談定向鉆穿越管線在不同地形條件下管道發送的方案選擇與施工方法。

1 一般地形條件下的施工方法

目前，經常采用的定向鉆穿越管線回拖發送方法主要有發送溝發送和發送架發送兩種。

1.1 發送溝發送法

在出土端地形較為平坦，土質為粉土、粉質粘土、砂質粉土等地質條件下，如果地上與地下無障礙物、取水方便的情況下一般采用開挖發送溝的方式。此方法較為方便快捷有效，無需其它措施用料，施工簡單、操作方便、施工成本低，對回拖管徑沒有特別要求，管溝略有水平彎也無影響。但要求施工地形較為平坦，土壤中無石塊、磚塊等雜物。施工的具體做法為：在穿越出土端預定位置預制穿越拖管線，再根據地形、出土角等確定開挖管溝的深度和寬度。一般情況下，發送溝的下底寬應比穿越管徑大500mm。再向發送溝內注入一定量的水，一般管溝內*小注水深度宜超過穿越管徑的1/3。發送溝的水平與縱向曲率半徑應滿足穿越管道彈性敷設的要求，通常情況下，其曲率半徑R≥1500D(D為穿越管道的外徑)。

1.2 發送架發送法

在出土端地形較為復雜（丘陵、成品場地）或者土質較差（碎磚碎石多），不適合采用發送溝的情況下可采用發送架發送管道的方法進行管道發送。具體施工做法為：采用鋼架雙橡膠滾軸發送架做發送道，發送架架體根據發送管道管徑的大小選擇槽鋼制作，滾軸支撐采用Φ50的圓鋼，滾軸采用特制的空心橡膠圈套在圓鋼上?；赝蠒r發送架的布置應根據管道的外徑、管道單位重量和管位標高等因素來布置。該技術的關鍵：（1）輥輪橡膠的硫化技術參數控制是關鍵之一，橡膠強度太硬會磨損管材防腐層，橡膠強度太軟又會造成回拖時輥輪開裂，影響管線回拖。（2）發送架安裝的穩定性控制，避免回拖過程中發生側翻。

該方法的特點是能適用較為復雜的地形條件，能較好的滿足管道縱向曲率和回拖時保護管道防腐層不損傷，同時也減小了管道摩擦，減小了回拖阻力，利于管道回拖。發送架一次投入成本較大，但是可重復多次利用。

2 特殊障礙情況下發送道的施工方法

由于受地形條件的限制，有時采用單一的一種方法不能解決現場實際問題，需組合采用上述兩種方法或者采用別的方法。

2.1 過堤壩發送道施工方法

對于大江、大河的定向鉆穿越，由于各方面的原因，穿越的出入土點經常會處于河道主防汛堤內。如儀長線九江定向鉆穿越、金陵—揚子氫氣管道長江定向鉆穿越等數次大江大河穿越都是這種情況，穿越的預制管段必須經由防汛大堤。如果可能的話，宜采用開挖大堤構筑發送溝的方式進行預制發送管道。在這種大型河流的穿越中，由于防汛防災的需要，該施工方法無法得到河流主管部門的批準而無法實施。在這種情況下，如果取土比較容易的話，可采用墊土造坡的方式，然后在土坡上安裝高度較小的滾軸發送架的方法來完成穿越管回拖發送工作。經過多次施工，土坡易松散發送架易產生位移造成管道防腐層損傷。另外還可采用做鋼支架發送架的方式來實現回拖管線的發送，即在大堤兩側設定區域內打入雙排鋼管樁，再將發送架安裝于鋼管樁上，鋼管樁的高度依照設計的縱向曲率半徑來確定。采用此種施工方法時對鋼管樁的穩定性應特別注意，因為鋼管樁不僅承受管道的重力，還承受水平推力的作用，因此鋼管樁打入的深度、鋼管樁的用材直徑、壁厚都應慎重考慮，必要時可在儀長線九江長江定向鉆穿越、金陵—揚子氫氣管以加大鋼管樁的打入深度、加斜支撐或者將鋼管樁道長江定向鉆穿越等多條穿江工程采用這種回拖都相互連接起來，這樣將大大提高支架的穩定性。方法順利完成管道發送任務。 

2.2 回拖管過高等公路、鐵路時發送道的施工方法

穿越預制管線必須經過高等級公路、鐵路時，可預先頂進水泥套管穿越公路、鐵路，并在套管內安裝固定滾軸支架，套管的直徑宜大于穿越管外徑的1.5倍，套管內的發送道應與兩端發送道平順連接，其它區域可采用發送溝或發送架來發送管道。在川氣東送管道南京支線長江定向鉆穿越工程中經過營太公路時采用此方法順利完成管道發送任務。

2.3 回拖管道經過街道的施工方法

由于地形地貌的特殊原因，穿越預制管線在必須經過街道（醫院、學校、主要交通路口）時，為保證居民的正常出行和保證回拖管道防腐層不被損傷，可采用開挖發送溝后放置發送架。然后在居民出行路口鋪設鋼橋保證交通暢通，待回拖后恢復道路。在魯寧線淮河定向鉆穿越施工中就采用此種施工方法經過淮河大街，順利完成管道發送。

3 結語

定向鉆穿越管線回拖發送技術的選擇必須由施工技術人員根據實際情況，認真研究地形地貌特征，因地制宜制定可行、經濟的施工方案，同時還應做好管道回拖的應急預案和應急準備工作?？傊?，在管道發送時必須保證回拖管線的防腐層不被損傷以及盡量較少回拖管線與地面的摩擦阻力，滿足管線的順利回拖，減少定向鉆施工的風險，進而取得更好的社會效益和經濟效益。

管道定向鉆穿越施工的可行性分析

摘要：簡述了定向鉆穿越的施工特點及可行性分析方法，對于給定的管道穿越工程，特別是針對復雜地質條件下的長距離大口徑管道穿越，給出了可以采用定向鉆穿越的基本范圍條件，可為工程施工方案的選擇提供借鑒 .

1 前言 目前水平定向鉆穿越已經應用于多個行業的施工過程中，如石油、自來水、電力電訊等，成為比較成熟的非開挖穿越技術。近年來，世界范圍內定向鉆穿越技術得到了新的發展，特別是在石油天然氣管道建設中，大直徑的如Ф1220管道、長距離的如2km長管道都已經成功穿越。在我國，采用定向鉆技術完成了長江、黃河等大型河流及海域的管道穿越工程，創造了一系列穿越世界紀錄。

2 定向鉆施工特點和可行性分析水平定向鉆進管道鋪設技術是在不清除地面障礙物的情況下，管道從障礙物的底部地下穿越，與其它管線鋪設方法相比它對環境影響小，障礙物下管線覆蓋深度大，對管線保護的效果好。由于不需要清除地上障礙物，并且施工現場恢復工程量較小，可以減少工程建設投資。但是管線采用定向鉆穿越施工受許多條件的制約，在穿越過程中存在不可預測的因素，一旦穿越失敗將帶來不可挽回的損失。

管道水平定向鉆穿越包含鉆導向孔、擴孔和管線預制、回拖等步驟，鉆導向孔是沿著穿越曲線鉆出一個小直徑的孔，然后采用不同規格的擴孔器對導向孔進行一遍或多遍擴孔，以達到需要的孔徑，*后將預制完的成品管線回拖入孔內，在全部施工過程中泥漿起非常關鍵的作用。

對于給定的管道穿越工程，能否采用定向鉆施工主要應考察兩個方面：即技術和經濟方面。在技術方面，首先要通過工程物探和鉆探等手段對管道擬選路由區的地質狀況進行詳細勘察，其目的是了解地形地貌特征，基巖埋設深度和沉積層（特別是礫石層）結構與厚度特征，各土層的物理力學特征，路由區地基土的穩定性情況，以及區內存在的災害地質特征等。為定向鉆穿越可行性分析提供基本數據：地層結構中各種土質的分類；砂礫質物等各成分的分布曲線；巖芯中巖石的品質、抗壓強度、硬度。在經濟方面，比較定向鉆穿越與其它方法穿越的費用，在達到同一穿越效果情況下，如果定向鉆穿越的費用低則在經濟上就是可行的。下面主要討論如何進行定向鉆穿越技術方面的分析。

3 技術可行性分析定向鉆穿越要在技術方面可行，關鍵是在穿越區域地下形成一個穩定的孔道保證管線能夠順利回拖，或地下土層已經成為流質使管線能夠順著這些流質在外力作用下得以回拖。但整個穿越段都是理想流質的情況比較少見，而且局部可能存在異物引起管線防腐層破壞，因此都要求管線回拖前有一個成形孔道，并向孔道中注入性能合適的泥漿。如果在回拖過程中該孔道能夠保持暢通，回拖時作用在管線、鉆桿上的*大應力和鉆機設備上的載荷都在允許范圍內，采用定向鉆穿越就是可行的。因為穿越工程變化多樣，并不存在明確的標準能說明定向鉆穿越是否可行，而且還決定于施工單位的技術裝備和經驗。為了簡便起見，分析穿越的技術可行性可通過與以往工程中的基本參數進行比較，即地層狀況、穿越長度、直徑，這三個因素作用在一起將很大程度上決定定向鉆穿越的可行性。

首要考慮的因素是地層狀況，其中兩種地層*不利于穿越，即高礫石含量的礫質地層、強度和硬度特別高的巖石。地層中含有礫質成分太多時成孔難度大，因穩定性差不易被鉆削成孔或成孔后局部塌方，并滯留于孔中不易被泥漿帶走，成為鉆頭、擴孔器鉆進和管線回拖時的障礙物。高強度和硬度的巖石同樣是穿越的障礙，鉆孔、擴孔速度特別慢，對鉆桿、鉆具要求高，鉆進方向控制困難；相反，特別容易破碎的巖石象礫質一樣給成孔帶來不穩定的因素。地層狀況與穿越可行性關系見表1。

管線穿越的路由地質情況可能相當復雜，不同區段含有不同的成分，盡管對穿越曲線優化設計，有時也將通過不利于穿越的地層，能否穿越決定于該地層穿越長度、連續性及在整條穿越曲線中位置，如改變幾類地層排列順序將使穿越情況完全發生改變。另外，對地層狀況認識是建立在分析鉆探巖芯性質的基礎之上，由于鉆探調查是非連續地進行，而管線穿越沿設計曲線連續進行，在實際穿越中可能遇到意想不到的地層，施工前需充分考慮各種因素。

穿越長度和管徑主要受鉆機和鉆具的能力限制，因為在鉆導向孔過程中，鉆桿存在彈性使穿越長度不能無限延長，而且隨著穿越長度的增加，對鉆頭的鉆進方向的控制能力逐步減弱，導向孔很難按設計的穿越曲線完成。要實現成品管線的回拖，孔徑需擴至管徑的1.2～1.5倍，這樣對于大口徑管線穿越，對堅硬地層進行擴孔作業時扭矩非常大，鉆桿強度有時不能滿足要求；在表2管道定向鉆穿越長度和直徑*大的工程礫質、砂質地層情況下，徑越大的孔道越難維持穩定狀態而易出現塌方，這些因素限制了大直徑管線的穿越。表2列出了目前已經完成的穿越長度和直徑的*大紀錄，分析定向鉆穿越可行性時可與之比較。

對于復雜地質條件下的長距離大口徑管道穿越工程，必須將地層狀況、穿越長度、管道直徑這三個因素綜合考慮，在目前的技術和裝備條件下分析能否采用定向鉆穿越施工，可參考表3復雜地層狀況下穿越管徑、長度可利于管道的永久保護。但是能否進行定向鉆穿越受行性表。許多因素的限制，需對特定管道工程的穿越可行性進行分析，通過對地層狀況、穿越長度、管道直徑三個主要因素進行分析，從技術角度給出了可以進行油氣管道穿越工程采用定向鉆鉆進技術確為非穿越的基本范圍條件，可為分析定向鉆穿越可行性常好的方案，可以節省工程投資，縮短施工周期，有時提供一定指導

長距離、巖石層輸氣管道長江定向鉆穿越施工技術

摘要:本文結合國家“十一五”重點工程中石化川氣東送管道工程江西支線九江長江定向鉆穿越工程,通過對施工特點及技術難點的分析,并針對施工技術難點采取了相應的措施,保證了穿越一次成功,為在復雜地質區域長距離水平定向鉆穿越巖石層施工提供一些參考。

關鍵詞: 長距離 巖石層 長江 定向鉆 穿越 施工

1 工程簡介

中石化川氣東送管道工程是繼青藏鐵路、西氣東輸、三峽工程和南水北調之后國家的又一重點工程。該工程西起川東北普光首站,東至上海末站,管道全長2203km。

江西支線是從川氣東送管道主干線上分出的一條支線,采用水平定向鉆方式穿越九江長江。由于穿越距離長,穿越地段地質條件復雜,九江長江水平定向鉆穿越為江西支線*大的控制性工程。穿越水平長度21 91m,實長21 99. 1m,穿越入土角16°,出土角7°,曲率半徑l500D,*大穿越深度為地面下47.5m。管線設計采用φ508×11.9L450 LSAW鋼管,管線設計輸送壓力為8.0MPa。

2 穿越地質條件

長江穿越管道主要在中等風化泥質粉砂巖和中等風化礫巖層,巖石硬度1.22～15.1MPa。兩側穿越點附近淺地層主要在粉質粘土、細砂、粉砂、圓礫中穿越,存在較大范圍軟硬不均的地層。九江長江穿越斷面為小池－金雞坡斷面,江面寬約2000m,*大水深21.54m。

3 工程特點、技術難點及應對措施

3 . 1 工程特點

(1)穿越水平長度2191m,508mm管徑是國內同等管徑水平定向鉆穿越長江巖石層距離*長的工程,穿越巖石層距離達1810m。(2)穿越地質條件復雜,存在大量的軟硬不均的地層,包括夾含卵石層、中等風化泥質粉砂巖、中等風化礫巖層和砂土層,對工藝提出了更高的要求。(3)穿越入土角達到了罕見的16度,對長距離鉆桿推、扭力的傳遞,導孔控向的準確性,預擴孔以及主管回拖將造成較大的困難。(4)穿越巖石管徑大、穿越巖石層距離長,對鉆具要求高,施工工藝復雜,施工周期長,且不確定因素多。

3 . 2 技術難點

(1)控向難度大:a)由于地質條件復雜,大范圍出現軟硬不均的地層,且穿越距離長、穿越深度較大,準確控向難度大;b)江面頻繁通航的船只對信號棒測量數據的采集將產生磁干擾,大范圍水域無法布置Trutrack地面信標系統,準確控向難度很大;c)巖石層導向孔穿越必須使用泥漿馬達,鉆頭至信號棒間距離將加長15～16m,進一步加大了準確控向的難度。(2)泥漿工藝要求高:a)穿越出入土點附近軟地層穿越要求泥漿的固壁性能要好,需防止泥漿漏失和塌孔;b)巖石層穿越要求泥漿的懸浮、攜屑性能強,保證鉆屑的順利排出,對泥漿的性能要求很高;c)巖石層穿越施工各階段均需要大排量的泥漿。(3)司鉆及鉆進工藝:a)九江長江穿越存在軟、硬地層的結合,從軟地層到巖石層、從軟巖到硬巖的過渡穿越技術要求高;b)長距離巖石穿越,需要克服鉆機扭矩大的難題;c)穿越地質條件復雜,長距離巖石層穿越在預擴孔階段的修孔能力差,如何保證導向孔曲線的圓滑過渡是關鍵,以預防擴孔和回拖期間卡鉆事故的發生;d)入土側軟地層的承載力較低,對出土側鉆頭“抬頭”時鉆桿推力的傳遞影響較大,勢必會造成“抬頭”難的問題。

3 . 3 應對措施

3. 3. 1 控向施工工藝

a)開鉆前利用信號棒和全站儀找出九江長江穿越中心線準確的大地磁方位角,以此為基準控制導向孔的左右偏差,彌補了因江面大范圍水域無法布置Trutrack地面信標系統而可能產生的控向偏差。b)鉆導向孔使用1.75°進口泥漿馬達,減小造斜角度,有利于導向孔曲線的圓滑過渡,預防擴孔和回拖期間卡鉆事故的發生。c)鉆導向孔階段鉆具連接時采用兩根無磁鉆鋌,以消除泥漿馬達、鉆桿對信號棒產生的磁干擾。d)在入、出土側陸域,從出入土點到長江水邊布置地面信標系統,精確測量地下鉆頭的位置。e)巖石段穿越時,增加信號測量頻率,每鉆進2～5m測量一次,以保證導向孔曲線符合設計曲線的要求。*終,導向孔順利出土,與設計值橫向偏差為0,縱向偏差為-0. 1m。

3. 3. 2 泥漿施工工藝

根據九江長江穿越地層條件的變化,采用復合泥漿配比技術,將使用定向鉆專用膨潤土按8%～10%重量比加淡水配出基漿,再按基漿重量的2‰ ～ 4‰ 比例加入的

各種泥漿添加劑,使用的主要泥漿添加劑有:固壁劑、增粘劑、清屑劑、潤滑劑等,保證泥漿性能符合穿越地層的要求。施工過程泥漿性能調整如下:(1)軟土層穿越段;

(2)巖石穿越段。

3.3.3 司鉆及鉆進工藝技術

a)針對穿越存在軟、硬地層的結合的特點,從軟地層到巖石層、從軟巖到硬巖過渡穿越采用的施工方法為:首先放慢鉆進速度,減小鉆進推力,調低鉆機的旋轉速度,待鉆頭進入硬地層1～ 1.5m后,再加大鉆進推力,調整鉆機的旋轉速度,防止速度過快造成鉆進曲線偏離預定的目標。b)選用低扭矩的對開式巖石擴孔器,并增加牙輪數量,以克服長距離、大口徑預擴孔扭矩大的難題。c)導孔階段,司鉆要時刻掌握方位角、傾角的變化,根據穿越進尺及地質情況,調整泥漿壓力,保證泥漿馬達的正常旋轉切削d)預擴孔階段使用比上一級孔徑小11/2″ -2″ 的中心扶正器,中心定位器主要是為保證擴孔的圓心度,完成擴孔后防止形成橢圓形孔洞。e)擴孔期間對鉆機扭矩、拖力變化的觀察,特別注意擴孔過程中的各種數據變化,控制好擴孔速度和泥漿流量。在擴孔過程中,針對易出現的卡鉆現象,采取的措施是:當扭矩波動較大時,減小推拉力、降低鉆速,減少泥漿壓力和排量,使得鉆頭減輕振動,并通過自行找正以修理接觸面。

3.3.4 針對此次罕見的土角穿越,采取下雙層套管的施工針對此次罕見的16度穿越入土角穿越,在導向孔施工階段,入土側斜孔段軟地層采取下雙層套管的施工方法,一方面防止江灘近水邊淺地層軟土長時間受泥漿浸泡后塌陷堵孔,另一方面有利于長距離穿越鉆桿推、扭力的有效傳遞,解決了出土側“抬頭”難的問題。

3. 3. 5 特殊配套鉆具九江長江穿越需要巖石鉆頭、泥漿馬達、巖石擴孔器等特殊鉆具,根據穿越長度、管徑、地質條件,特從美國購進兩套巖石擴孔器、泥漿馬達和一批65/8″S-135級優質壁厚高強度鉆桿,以滿足此次超長距離巖石層定向鉆穿越對鉆具的特殊要求。

4 結語

施工中,雖然在夾含卵石層、中等風化礫巖層、中等風化泥質粉砂巖、粉細砂等復雜地質條件下進行水平定向鉆穿越風險極大,難度極高,但經過科學施工,九江長江

穿越一舉獲得成功,得到了業主的肯定,同時創下了508mm管徑水平定向鉆穿越長江巖石層距離*長的國內記錄,并打破了2005年儀長原油管道九江長江穿越工程中創造的1780m的巖石層穿越紀錄。

摘要：本文介紹了上海上水自來水特種工程有限公司采用奧格DD-440鉆機在湖南成品油管道二期湘江定向鉆成功穿越地下復雜巖層鋪管的施工情況，重點介紹了施工存在的難題和解決辦法。

非開挖技術之定向鉆進施工及其質量控制

1、工程概況

    某市政工程是深圳市至汕頭市一級公路改造的 配套給水工程。地下給水管道橫向穿過深汕路的機動車道、非機動車道、人行道及綠化帶。常規明開 挖施工需要封路、破路。由于深汕路車流量非常大， 為避免破路鋪設管道施工給繁忙的交通帶來干擾和 阻礙，所以決定使用非開挖技術的定向鉆進施工完成地下給水管線的鋪設。

   本工程導向過路管、水平導向拖拉鋪管的給水 管徑為DN600，長度約97 m。使用HDPE給水管（聚乙烯管道），材質環剛度為10 MPa。

1.1泥漿配制

       泥漿配比是否合理，對成孔起決定性作用。施工前，根據地質情況制定泥漿配制體系，通過控制 壓力、調整泥漿濃度、鉆桿旋轉速度，以完成正常鉆進作業。針對不同地質條件和各鉆進距離，調整 加入的各種聚合物，保證施工過程中孔洞穩定、提 高泥漿的抑制性、形成規則穩定的井壁和降低摩阻 以減少鉆井扭矩及推進阻力，從而達到提高機械鉆速的目的。同時，要保證泥漿具有良好的孔洞凈化 能力。由于此次施工需要使用泥漿馬達，為了滿足 泥漿馬達的工作壓力，泥漿的黏度必須達到60 s以 上，流量為1 000 L/min。

2.2導向孔鉆進

1） 根據設計軌跡和方位，確定鉆機位置、固定 鉆機并連接泥漿系統及輔助系統

2） 通過鉆機上的各種儀器、儀表的讀數來確認 地質層面情況；根據泥漿排出情況，確定調整泥漿參數

3） 導向鉆進時根據設計好的鉆孔軌跡，注入膨 潤土泥漿。嚴格控制導向儀方位、曲線深度，鉆出精確而曲線平滑的導向孔

2.3預擴孔

        導向鉆孔完成后， 卸掉探測棒， 安裝上楔形擠擴器， 分別用150、300、400、600、800、1 000 mm進行逐級擴孔（根據實際情況確定）。經二次擴孔后將卵石擠向周邊形成孔洞， 并根據各段不同土質配制不同濃度的泥漿， 使每次擴孔時回拖力的數值和扭矩值控制在鉆機正常工作參數之內。若回拖力的數值和扭矩等參數過大時， 可用1 000 mm擠擴器再進行一次洗孔， 以保證孔洞的正確形成。

2.4管道回拖

1）導向擴孔完成后，先檢査回拉管線。檢査合格后 根據現場采用發送臺作為回拖管線的發送方式。*簡單的發送臺是以裝滿膨潤土的包裝袋作為基座，在包裝袋上墊上蛇皮袋， 抹上適量的黃油作潤滑材料， 減少主管接觸面的摩擦， 以在進洞前有效地保護主管的防腐層。

2）管道回拖時按以下順序進行鉆具與管道連接：動力頭→動力頭保護短節→鉆桿→擴孔器→旋轉接頭→U型環→拖拉頭→管線。拖頭與回拖管線焊接后進行回拖。施工中根據鉆進時獲取的資料調配不同的泥漿濃度。

3）回拖的同時根據鉆機參數注入適當量的泥漿，減少管道與孔壁的摩擦， 確保管壁防腐層不被破壞，并能使管道與孔壁的縫隙充分填滿。通過膨潤土的膨化作用完成孔壁與原土的完整結合。

4）回拖管道完成后割下拖頭、焊上母板， 進行管口保護 2.5 完工作業

    回拖管線完成后進行回流泥漿處理， 清洗鉆機；撤離現場， 進行現場地貌恢復； 整理竣工資料后上交監理方（或建設方）。

3 施工技術質量控制措施

3.1 防止定向鉆在鉆孔時呈“S”形

    在定向鉆穿越的施工過程中， 導向孔的平滑與否、能否與設計曲線一致以及杜絕導向孔呈“S” 形是順利完成穿越施工的先決條件?？刹扇∫韵麓胧?。

    1）測量放線過程中， 用全站儀對出、入土點進行確認。

    2）采用有線控向系統。開鉆前校驗探頭精度，控向電纜采用加厚耐磨絕緣層的進口電纜， 確保在鉆導向孔過程中的控向信號安全。

    3）在開鉆前， 用探頭在地面上測得設計軸線方向對應的地磁方位角， 并多點反復測量， 保證精度。

    4）施工前進行地質條件分析， 按設計曲線在坐標紙上以每根鉆桿連接的方式畫出穿越曲線圖， 給每根鉆桿標號注明相應的地質情況。在鉆進過程中，根據鉆進位置的地層情況對泥漿黏度進行控制， 隨時根據地質條件調整泥漿壓力、泥漿配比等參數，防止地下塌陷等因素影響鉆進方位角。

   5）鉆機就位后， 需精確測量出夾角的大小， 計算出水平漂移量并記錄下來。鉆孔時每根鉆桿改變的角度應＜ 0.5°， 而且不能是連續的上升和下降， 避免鉆桿在地層中呈“S” 形， 保證鉆孔曲線的光滑，提升導向孔的鉆進質量。

   6）在導向孔的鉆進過程中， 嚴格監控每根鉆桿的傾角、方位角、地球引力向量等數據； 對比預先計算的結果， 如出現穿越偏離設計曲線或水平漂移的現象， 應及時抽回鉆桿， 調整修改角度， 保證穿越曲線在正常范圍之內。

3.2 確保定向鉆出土點偏差控制在設計范圍內     為確保定向鉆出土點偏差控制在（設計軸向的）縱向不大于穿越長度的1%且≤ 10 m、橫向不大于穿越長度的0.2%且≤2 m的范圍內， 采取如下措施。

    1）測量放線過程中， 用全站儀反復測量、計算，確認出土點。

    2）對控向探測裝置進行消磁及校驗， 以保證探頭的準確性。

    3）對定向穿越軸線采用不同位置， 多次復查測量， 取其平均值， 減少人為誤差。

    4）設計與實際相結合， 參照實際的水平長度和地面高程， 根據設計圖紙中穿越直線段和曲線段的長度和曲率半徑、弧度， 采用鉆桿連接方式在坐標紙上做出穿越方案， 標明每根鉆桿的設計折角及深度， 確保穿越過程中實際的曲線與設計曲線相一致。

   5）在穿越前， 對穿越區進行磁場測量。如該地區磁場干擾較強， 應建立磁場布控， 確保穿越過程中計算機顯示數據的準確性。

   6）穿越中， 針對回饋資料的DIP （磁傾角）、Dec（磁場偏角） 和Gtotal （地球引力向量） 進行分析。如出現數據變化較大， 不能穩定保持的情況， 而穿越地段又處于河流中間無法進行磁場布控時， 應按前一根鉆桿的測量結果來進行綜合分析， 以便下達正確的穿越指令。

3.3 確?；赝享樌晒?/span>

   1）施工前對鉆機、鉆具及泥漿配套系統等設備進行全面檢查及維護保養， 確保鉆機及其動力系統性能良好， 運轉正常； 泥漿系統通暢， 壓力能夠滿足回拖要求。對鉆桿、無磁鉆鋌、切割刀和擴孔器等鉆具進行探傷檢查（Y射線或X光檢測等）， 確保鉆具無裂紋， 強度滿足回拖要求。

  2）在鉆進過程中， 導向孔曲線應符合設計圖紙的要求， 且曲線平穩、圓滑。

  3）在*后一次回擴時， 采取擴孔器直徑比穿越管道直徑大1.5倍的方式進行連接后擴孔。擴孔之后采用擴孔器與管道連接的方式進行回拖， 才能保證在回擴過程中鉆機的大部分動力應用在拉力上， 從而避免直接采用切割刀、擴孔器、管道連接而造成的鉆機動力的分散， 確?；赝系某晒?。在回拖時鉆具連接要迅速， 盡量縮短鉆具在導向孔內的停滯時間。

 4）全部連接并檢查無誤后， 用泥漿進行沖洗鉆具， 確認鉆桿內通暢無異物， 泥漿噴嘴暢通無阻后，正式回拖。

 5）管線回拖應連續作業， 回拖速度≤2 m/min。根據地質變化應隨時調整泥漿的黏度和壓力。泥漿應由膨潤土、泥漿添加劑和清潔的淡水攪拌而成，并保證回拖過程中使管線能懸浮在泥漿當中， 以減小回拖阻力， 保護管道的防腐層。

 6）回拖過程中， 工作井與接收井之間要加強聯系， 遇到情況及時處理。

3.4 確?；赝蠒r管道防腐層不被損壞

 1）鉆導向孔時， 要保證導向孔圓滑、平整， 避免出現超限的拐角。在回拖時采取的切割刀擴孔器直徑比穿越管道直徑大1.5倍， 以減少回拖阻力， 同時減少管道與孔壁發生的刮碰現象。

 2）泥漿配比隨地質情況變化， 在回拖時對泥漿進行處理， 加入一定數量的防卡劑、防塌劑， 減少管線和井壁的摩擦阻力， 并起到防塌作用?？變刃纬傻哪囡炓?、堅韌、質密， 失水量要小， 黏度在60 ~ 80 s之間即可。

4 結語

    非開挖技術代替土建施工（挖槽埋管法）， 避免路面開挖， 降低施工費用及解決了傳統開挖不能施工的問題。通過施工單位質量自控， 以及監理單位對導向孔鉆進前、鉆進過程中及回擴過程的軸線、標高監控測量以及管線回拉后的高程軸線復測、管道閉水試驗、變形檢測等工藝指標的控制和檢驗，可達到預期制訂的質量控制目標

西氣東輸管道工程某標段定向鉆穿越施工方案

1 工程概況

1.1 西氣東輸管道工程無*-常*公路定向鉆穿越管段管徑為Φ1016×26.2mm，采用直縫埋弧焊鋼管，等級為X70。設計壓力為10Mpa。鋼管外防腐涂層采用三層PE 加強級防

腐，內涂層采用減阻內涂層。穿越管段補口采用定向鉆穿越專用輻射交聯聚乙烯纖維加強型熱收縮帶（簡稱“定向鉆補口帶” ）補口。連接段補口采用帶配套底漆的三層輻

射交聯聚乙烯熱收縮套（帶）。熱煨彎頭外防腐采用雙層熔結環氧粉末加強級防腐。無*-常*公路穿越段位于無*市查橋鎮西側，北側為周巷村，南側為王岸圩村。管線走向南北向。由于九里河兩支流距離公路較近，切開挖難度較大，所以本穿越段將九里河支流與無*-常*公路一次連穿。

本次穿越曲率半徑為1200m,穿越段管底設計標高*深為-17.00 米，入土角為9°1′，出土角為5°58′。定向鉆穿越總長度為571.2m（水平長度）。

1.2 穿越設備

無*-常*公路定向鉆穿越使用HDR-220 型水平定向鉆機施工，該鉆機推拉力為220噸，扭矩為8 萬牛頓·米，是1998 年從美國引進的大型鉆機，性能優越，完全能勝任穿越任務。

1.3 主要穿越的地層在勘探深度范圍內，地層大致可分為4 大層，①層粘土，②層粘土，③層粉質粘土，④層粘土，地層較穩定，公路穿越段路基以下各土層均可進行定向鉆穿越，九里河穿越段黃海標高-4.61m 以下各土層均可進行定向鉆穿越。管道主要從粘土層和少量粉質粘土層通過。 2 施工方法

2.1 施工準備

2.1.1 組織技術人員及主要工種人員熟悉圖紙和施工場地，詳細了解穿越地質資料。

2.1.2 根據施工現場及周邊道路情況，制定設備進場方案，確保設備安全、順利到達施工場地。

2.1.3 根據穿越地層和施工現場情況，確定施工難點，討論并提出解決的辦法。

2.1.4 根據穿越地質資料，選擇配備合適的鉆具。

2.1.5 對所有參加施工的人員進行上崗前培訓，培訓內容以崗位職責、工程情況和HSE 為主。起重、電工、機械等特殊工種人員必須持證上崗。

2.2 測量放線

2.2.1 根據現場交樁時確定的控制點（HE040、HE041）及線-1833 提供的控制點WC-1、WC1、WC2，計算入土點、出土點的線路里程。同時計算有關控制點相互間的夾角。

2.2.2 由于兩控制點（HE040、HE041）之間不能透視，根據計算的控制點間的夾角，采用經緯儀打出穿越軸線。同時根據出、入土點的線路里程，確定出、入土點的具體位置。

2.2.3 根據穿越軸線、入土點、出土點的具體位置，放出鉆機中心線、錨固件位置及鉆機場地、管線場地、管線焊接場地和泥漿坑的邊界線。

鉆機側場地：100×80 m2

管線側場地：80×60 m2

管線焊接場地：（575+30）×28 m2

2.3 三通一平

2.3.1 由于穿越設備體積大、質量重，為保證設備的安全、順利進場，同時也為保證設備的正常組裝、運轉，入土點側進退場道路和鉆機場地須滿足40T 平板車和25T 吊車的通行。

2.3.1.1 由于入土點側三面環水，一面有村莊，沒有進場道路。根據對入土點側方圓的調查，設備進場有兩個途徑。

2.3.1.1.1 途徑一：沿施工作業帶鋪管排直至鉆機場地。管排制作見附件6 （無*-常*公路定向鉆穿越管排制作示意圖）。管排長度大約3km。

2.3.1.1.2 途徑二：鉆機場地附近有一工廠，僅隔一條16.5m 寬的河流（死水）。在與工廠協商后，可以有償拆除一間平房和8m 寬的圍墻，并加高廠房內的一座涼棚；在河床上并行擺放2 層數排Φ1.50m的涵管，涵管上面鋪20mm 的鋼板。在涵管間隙內、涵管和鋼板之間堆砌裝有土石的草袋，保證鋼板、涵管受力均勻。鋼板用量900×8m2。見附件7（無*-常*公路定向鉆穿越進場道路過河段示意圖）。

2.3.2 根據放線情況，平整鉆機場地、管線組裝場地和管線焊接場地，鉆機場地和管線組裝場地內每相隔4m，挖一條0.2m 寬0.2m 高的排水溝，要求排水溝互相連接，*

后通向泥漿池或周圍河流，然后使用20mm 厚的鋼板和管排鋪墊，滿足施工設備和人員的正常工作。經計算，鉆機場地需管排和鋼板合計4800m2，管線組裝場地需管排和鋼板合計3150m2，管線焊接場地根據現場情況調整用量。

2.3.3 挖好鉆機側和管線側泥漿坑。

2.3.4 工程用電：自帶發電機解決。

2.3.5 工程用水采用兩臺4″潛水泵抽附近河流的水。為保證正常供水，再備用兩臺4″潛水泵。

2.4 鉆機進場、組裝、調試

2.4.1 用單斗挖好錨固件坑（5.2×2×1m3），用25 噸吊車就位錨固件,錨固件四周用單斗壓實。

2.4.2 用兩臺25T 吊車就位主機及配套設備。

2.4.3 全部組裝完畢，并經檢查無誤后，調?？叵蛳到y，進行設備試運轉。

2.5 導向孔作業：根據地質情況，采用9-1/2″鉆頭，5″S-135 加強鉆桿進行導向孔、預擴和回拖作業。

2.5.1 在控向系統調校完畢后，組裝地下儀表單元，連接鉆頭與蒙乃爾管。

2.5.2 試噴泥漿，檢查鉆頭水咀，同時檢查控向信號是否正常。

2.5.3 一切正常后，按設計曲線采用鉆機推進或旋轉鉆進，進行導向孔作業。

2.6 預擴孔作業

2.6.1 導向孔作業完成后，卸下鉆頭與蒙乃爾管。

2.6.2 連接切割刀、擴孔器。

2.6.3 試噴泥漿，檢查切割刀和擴孔器的水咀是否通暢，泥漿壓力是否正常。一切正常后開始預擴孔作業。預擴孔作業時，必須保證兩側工地通訊正常。

2.6.4 根據穿越地層及穿越管徑，進行五次預擴孔作業：

**次 切割刀30″ 擴孔器24″

第二次 切割刀36″ 擴孔器30″

第三次 切割刀42″ 擴孔器36″

第四次 切割刀48″ 擴孔器42″

第五次 切割刀52″ 擴孔器48″

同時，根據導向孔作業反映的推力和扭矩情況，決定是否增加24″切割刀與18″擴孔器組合進行**次預擴孔作業。在預擴到一定孔徑時，需采用中心定位器配合切割刀、擴孔器進行預擴孔作業。

2.7 回拖作業

2.7.1 穿越管段預制完成后，在靠近鉆機側的管端焊上拖拉頭。同時沿管線挖發送溝。

2.7.2 管線下溝，并在溝內注滿水。

2.7.3 連接48″擴孔器、旋轉接頭、U 型環、拖拉頭和管線。

2.7.4 試噴泥漿，檢查擴孔器水咀是否通暢，泥漿壓力是否正常。

2.7.5 一切正常后，開始回拖，直至管線在鉆機側出土。

2.8 設備離場回拖完畢后，設備撤離現場。

2.9 恢復地貌：

定向鉆穿越施工完畢后，將鋪墊場地、進場道路的鋼板、管排，裝車運走；進場道路過河段擺放的涵管和草袋、廢棄的泥漿、油污及施工留下的其他各種廢棄物要裝車運走，場地要干凈，并平整地貌。

3 施工主要技術措施

無*-常*公路定向鉆穿越根據地質資料，在施工中將存在一些難點：⑴多次擴孔；⑵大口徑管線泥漿供給。針對這些難點我們制定了如下措施：

3.1 多次擴孔

由于無*-常*公路定向鉆穿越管徑較大（φ1016×26.2）、質量重（639.54kg/m），在多次預擴孔作業后，形成的環形空間較大，同時，切割刀、擴孔器尺寸也相應增大，

使鉆桿與切割刀連接部分承受的扭矩大幅度增加，容易造成切割刀與鉆桿連接部位因扭矩增大而斷裂。為此，在開工前，對切割刀、擴孔器的連接部位進行的探傷檢查；同時，預擴孔作業到一定尺寸后，采用中心定位器配合切割刀、擴孔器作業。

3.2 大口徑管線穿越工程泥漿供給

無*-常*公路定向鉆管道穿越管徑大，距離長，要經過多次預擴孔作業才能完成。這樣對泥漿的需求量很大，而泥漿的配制需要一定的周期，因此要保證泥漿的供給，必須對泥漿進行回收重復利用。具體做法：在穿越的入出土點之間預先穿越一條Φ160×5mm 鋼管（內部預埋一根4 分鋼絲繩），作為管線側泥漿循環回收利用的臨時管線，穿越完工之后,將作為通信保護管使用。泥漿凈化回收裝置安放在鉆機場地，設備的配備如下：雙層線性高頻振動篩、除砂器、除泥器、回收處理罐等。同時，在管線場地配置一臺注砂泵。泥漿處理流程為：用管線場地的注砂泵先將廢泥漿經臨時管線輸送到鉆機場地入土點附近的泥漿池，用注砂泵把泥漿池中的泥漿注給振動篩，進行一級凈化處理，除去大顆粒鉆屑，然后經除砂器除砂進行二級凈化處理，*后由除泥器除泥進行三級凈化處理，將泥漿進行三級處理加以循環再利用。

泥漿回收利用的優點：

a、保證泥漿的粘度

b、減少環境污染

c、降低泥漿材料消耗

d、保證泥漿供給量

4 風險預測

4.1 經過計算，得出以下數據：

管子表面積=1824.82m2 鋼管自重=365.63T

浮力-管重=97.87T 理論回拖力≈66T

根據國內外施工經驗，并充分考慮回拖時的不確切因素和回拖風險，實際回拖力將達到150 噸左右，而HDR-220 型鉆機的回拖力為220T,基本滿足穿越的需要。

4.2 由于定向鉆穿越前的地質勘探對地層的揭示有一定的局部性，不能夠代表地層的全部情況。定向鉆穿越軸線有可能局部經過地質勘探所沒有揭示出來的地層。由于西氣東輸管道工程管徑大，距離長，本身就已給施工帶來了困難，如果經過不利于定向鉆穿越施工的地層，有可能造成卡鉆等現象，輕則延誤工期，重則會使本期工程失敗。

4.3 由于江蘇毗鄰大海，在夏季，常會受到臺風等海洋自然天氣變化的影響，屆時可能會影響工程的正常進展。同時，無*地處長江下游，緊鄰太湖、水系發達，施工期

間正值汛期，穿越場地附近又都有河流經過，所以，在施工期間要有專人負責收聽天氣預報和臺風、洪水警報，及時同當地的氣象部門聯系，做好防災、抗災的準備工作，保證施工人員、機具的完好無損，在災情緩解之后，早日開工，保證穿越工程的順利完成。

淺談巖石非開挖穿越

　　關鍵詞：非開挖、穿越、巖石

　　采用奧格DD-440非開挖鉆機在湖南成品油管道二期湘江定向鉆穿越鋪管過程中，成功解決地下復雜巖層穿越的困難，2011年8月24日直徑323.9×7.9mm主管線鋼管1180米拖管成功，2011年10月7日直徑121×8mm光纜鋼套管1180米拖管成功，創下我公司鉆機在巖石穿越超長段施工中新的業績，鉆機及各種設備經受了考驗，施工隊伍的經驗及水平有了較大的提高，圓滿完成了任務。

1施工地點及工程概況

　　本次成品油管道穿越橫跨湘江兩岸，分屬湖南省不同地區，入鉆點在湘江東岸，位于衡陽市衡東縣三樟鄉長江村，坐標X:3030477.695，Y:393566.465，入土角10°，出鉆點在湘江西岸，位于相湘潭市湘潭縣茶恩寺鎮龍井村，坐標X:3030331.378，Y:392445.383，出土角8°。

　　穿越主管為Ф323.9×7.9mm三層PE加強級外防腐，設計穿越水平長度為1127.2米，穿越管段實際長度1130.1米；Ф121×8mm光纜鋼套管同孔穿越，施工時根據現場情況，出鉆點多穿越一小池塘，實際穿越長度為1180米。本工程為湖南省成品油輸送管道鋪設二期工程，建設單位是中國石油化工股份有限公司湖南成品油管道項目經理部。工程建設成功將會使中石化湖南長嶺分公司的成品油用管道輸送，貫穿湖南省，為湖南省重點工程。

　　該施工地區為第四紀沉積，丘陵地貌，各類構造形跡在組合形態、平面展布特征上，具有明顯的分區性，沉積厚度不等，下部為砂礫石層，上部為棕紅色、磚紅色網紋狀粘土、粉質粘土，呈現明顯的差異性升降，水文地質條件復雜，而此類地質構造復雜地段往往是巖溶異常發育地帶，巖溶塌陷發育不完全，既有多條斷裂交匯，促使巖層破壞和裂隙發育。

2工程特點

　　湘江定向鉆穿越設計曲線上，需穿越部分粉砂層和卵石層，主要穿越地層為第四紀中風化灰巖層，巖石段長度近1000米，巖石*大硬度30Mpa左右，期間有未發育完全溶洞，且穿越路由巖石軟硬變化大，這些都給施工帶來了一定的困難，由于地質情況復雜，工程地勘報告提供地下信息有限。我們知道非開挖鋪設管道的可行性，主要由3個基本因素所控制，即鉆進長度、鋪管直徑、穿越地層狀況，就本工程來說，由于對穿越地層情況了解有限，將給該穿越鋪管工程帶來較大的風險。建設方又要求盡量加強和提高穿越管道的安全和可靠程度，確保穿越段的施工質量，力爭做到一勞永逸，要求保證管道鋪設在河床穩定地層中。且穿越地域跨度大，協調工作困難。

3穿越主要設備

　?。?/span>1）鉆機：美國奧格DD-440；動力：275kw×2電控環保雙發動機；*大輸出扭矩：72000?！っ?；額定*大推拉力：200噸；結構形式：輪載式；控制標準：推拉2檔，旋轉3檔。

　?。?/span>2）控向系統：美國sharewellMGS地磁導向系統；傾斜角±0.1°；方位角±0.3毅；工具面±0.1°。

　?。?/span>3）泥漿泵：蘭州盛達3HS-250型撬裝泥漿泵；動力：沃爾沃柴油機340kw，TAD1241電噴式；*大排量：2.27升/分鐘；控制系統：遠距離控制系統；泥漿輸出*大壓強：25MPa。

　?。?/span>4）鉆桿：Ф127mmS135鋼級標準石油鉆桿。

　?。?/span>5）全站儀：NTS-352R。

　?。?/span>6）柴油發電機：180kW沃爾沃柴油機。

4導向技巧及體驗

　　現場確定出入土點后，用全鉆儀放線測距，穿越段湘江水面寬近800m，水流急，江面上行船、采砂船、淘金船較多，這些都給測量放線帶來一定難度，我們就采用守候的方法，利用中午、下午江面霧氣較小，視線較好時，抓緊時間測量，并在江兩岸穿越線路上豎起長標桿，同時在江兩岸重復測量，數據相互驗證，以保證測量放線的準確性和精確度。

　　為使鉆機導向時推動、扭矩更好的傳遞，避免因推力過大而使鉆桿發生過度彎曲，從而折斷，導向前在入土點下Ф325鋼套管，具體做法是：在**節套管處焊裝短節，以便與動力頭短節相聯，利用鉆機推力把套管推入入土點中，鉆機推進時注入泥漿，緩慢旋轉，直至把套管推至鉆機前端對接位置，然后再切割套管連接，重復焊接套管，直至把套管下至鉆機推不動，接近巖石層為止，此次穿越下套管長度達100多米。極大的保障了導向的順利進行。

　　由于前面所述的地質原因，施工中導向至*后拖管均不返泥漿，泥漿無法回收處理重復使用，除增大泥漿使用成本外，還給本工程帶來很大的難度和風險，這在非開挖長距離穿越中也不多見。導向孔鉆進是穿越的關鍵，為保證導向的成功，采取了以下措施：

　?。?/span>1）首先選用國內知名品牌的三牙輪鉆頭和泥漿馬達；

　?。?/span>2）導向、司鉆、泥漿三個方面密切配合，以導向人員為中心，做好各個方面工作；

　?。?/span>3）因為不返漿，對孔內情況了解甚少，采用多次回抽鉆桿，提高泥漿濃度等方法，盡量排除孔內鉆屑，將別在土壤與巖石交界面、軟硬巖石交界面、裂縫及溶洞附近，更是細心操作，認真謹慎，多次回抽鉆桿洗孔，盡量消除導向孔內的臺階，同時盡可能多的排除鉆屑。良好的設備在我們精湛的技術操作下，一根泥漿馬達，中途沒更換完成巖石導向工序，導向穿越過湘江后，在接近出鉆點地表鋪設線圈，布置人工磁場引導地磁導向系統工作，提高導向的精確性，*終鉆頭在出鉆點頂樁出土。

5擴孔、洗孔及卡鉆的處理

　　導向工作完成后，為進一步清除孔內的鉆屑，主要是大小不等的巖石碎屑，用自制的Ф250mm洗孔短節洗孔，然后用Ф400mm的掌式巖石擴孔器擴孔，擴進巖石不久，離出鉆點200多米處扭矩逐漸增大，根據現場分析，估計進入巖石破碎帶或卵礫石層，*終卡住，用前場鉆機向后推也退不出。施工隊首先用滑輪組在后場強力回拉，沒有成功，主要是不敢使拉力超越鉆桿的抗拉極限，以免損壞鉆桿。后調用一臺與前場鉆機拉力相當的國產履帶式鉆機到后場，與前場鉆機配合，一臺正轉，一臺反轉，角速度保持一致，*后回拉解卡成功。有了前面卡鉆及解卡的經驗教訓，在后繼的Ф400mm的巖石擴孔過程中，后場鉆機一直予以配合，遇到復雜地層或卡鉆時，配合前場鉆機洗孔和解除卡鉆，一直到Ф400mm擴孔器擴孔成功。實踐證明，當回擴器卡鉆時，利用鉆機在出鉆點與入鉆點主鉆機配合解卡，效果很好，此方法也適用土層、沙層回擴鉆具被卡的解救。

　　從**道巖石擴孔的體驗中，認識到針對這樣的復雜地層，掌式巖石擴孔器工作效率不高，且易卡鉆，在第二道Ф550mm的擴孔時改用國內知名品牌的滾刀式巖石擴孔器，為使鉆機的大扭矩有效傳送，擴孔前把孔內Ф127mm鉆桿置換成Ф140mm鉆桿，此后擴孔速度明顯加快，7月27日Ф550mm擴孔器擴孔結束，緊接著再用Ф550mm巖石擴孔器洗孔，8月11日洗孔順利結束。經過導向、擴孔、洗孔等工序，對穿越地層有了進一步了解，為回避風險，提高效率，現場決定對主管線和通信鋼套管進行分孔回拖鋪設，形成方案后上報上級主管及設計部門，經建設方組織專家論證會論證，同意分孔回拖方案，按此方案Ф550mm孔即行回拖鋪設Ф323mm主管線，然后再打一導向孔回拖鋪設Ф121mm通信鋼套管。至此非開挖鋪管結束，經試壓等檢驗，管道鋪設合格。

6施工中泥漿的應用

　　泥漿在水平定向鉆穿越施工中極為重要，伴隨著導向、擴孔、洗孔、拖管施工的全過程，故人們常把泥漿比喻為定向鉆穿的血液，在巖石穿越施工過程中更是如此，且用量很大。施工中泥漿將鉆孔中巖石置換，這就要求泥漿必須具有足夠的攜帶巖石碎屑的能力和流動性，才能將巖屑懸浮并排至孔外，保證成孔的完好，拖管的順暢。泥漿懸浮鉆屑的能力越強，粘度則越大，這樣流動性也就越差，故一般情況下泥漿的懸浮性與流動性往往是一對矛盾，雖然在施工過程中提高泥漿泵的壓強，可促使泥漿的流動加快，但這對泥漿泵要求較高，且也是有限度的，如在土層施工，往往會使地面隆起，對鉆孔附近土層擾動較大，再說過粘的泥漿，固相成份含量高，攜帶量也會下降，所以掌握好泥漿的粘度至關重要。

　　在導向時，配制約50秒粘度泥漿，回擴、洗孔因為要攜帶比導向時量更多，顆粒更大的巖屑排出鉆孔，這就要求我們所配泥漿粘度更大，流動性也要好，此時我們運用了較先進的正電膠泥漿系統，盡量制出符合上述要求的泥漿，現場用泥漿比重計、馬氏漏斗粘度計、PH試紙等測試工具，按要求及及時檢驗所配泥漿，根據檢驗結果調整泥漿配方，回擴、洗孔時泥漿的粘度均大于60秒。泥漿的正確運用為此工程的順利完成起了較大的作用。

7后記

　　對長距離、復雜巖石地層的非開挖鋪管工程，一定要事先做好地質勘查工作，按要求在穿越路由兩邊布點打好工程鉆，取巖芯，搞清楚不同點地質狀況，如遇疑難點，還需增加工程勘查鉆孔的密度，做出詳實的巖土工程勘查報告，特別是巖石強度，溶洞狀況，卵礫石分布等，施工前要進行風險評估，制定應急預案，準備好應急工具、設備等，一旦施工中出現卡鉆、塌孔等問題，立即啟動應急預案，可大大降低工程風險，提高工程成功率。

世界人口增加、資源短缺、環境形勢險惡，地表及地表以上空間擁擠之極，當前人類懶以生存的地球表面已不堪重負，世界各國都愈發重視地下空間的開發和地下工程的施工。中國人口眾多，當然也不例外，而非開挖管線穿越施工就是充分利用地下空間、保護環境資源、提高工作效率的好方法。隨著近年來該技術的飛速發展，巖石非開挖穿越施工從以前的研究性的逐漸面向管線鋪設領域發展起來，在非開挖施工中所占份額逐年提高，巖石非開挖穿越技術也是衡量一個國家或地區在非開挖穿越領域水準的重要方面，對設備質量、人員素質要求高，極具前瞻性和挑戰性，難度大，有較大的發展空間，這也需要從事非開挖穿越研究、設備制造、施工技術等各方面同仁的不懈努力

定向鉆施工中泥漿在流沙地層的運用

摘要：本文以介紹了定向鉆穿越流沙層如何控制流沙層施工風險。

　　關鍵詞：水平定向鉆、流沙層、泥漿、風險

　　在目前定向鉆施工遇流沙層時，由于缺少有效的成孔手段，往往施工方會加大鉆機噸位、增加膨潤土或添加劑用量，以期能降低風險，即使這樣，仍然沒有把握。

　　筆者參與過流沙層工程的泥漿使用服務，有些實踐和體會，在風險控制、降低成本增加效率、泥漿和添加劑選擇原則與使用方法、泥漿與設備在工程風險控制中的相互關系，愿與大家共同探討。筆者*大的感受是設備和輔助配套滿足條件后，對于工程風險，如何選擇性能符合要求的泥漿品種和合適的泥漿配方，才是解決問題的鑰匙。

　　流沙的“流”是指沙子處于半流體狀態，水減小了沙粒間的摩擦力，沙子變得非常易“流動”。當沙之間的水分達到飽和時，沙子會翻滾起來，流動的地下水向上流動，產生的力克服了重力，使得沙粒更易漂??；地面的振動增加了淺層地下水的壓力，從而使沙子和淤泥沉積發生液化形成流沙。流沙現象主要發生在細砂、粉砂及輕亞砂黏土等土層中。那么在流沙層中，控制沙層的松散、提高成孔強度、增加成孔泥皮層的膠結性、防易滲透等，就是流沙層成孔的關鍵要素。

　　由此可以看出，對流沙層泥漿配方作用的關鍵要點是扣住泥漿的護壁性和攜帶能力。護壁要保證在流沙層和孔道間形成有很好粘附力、強度、韌性的泥皮，以阻止流動泥漿對它們的相互影響，防止沙層吸取泥漿中的水分，造成塌孔和膨脹縮孔。攜帶能力是指泥漿對砂屑所表現的懸浮輸送能力，如果泥漿沒有良好的懸浮性能，停鉆時流沙很容易沉淀堆積在孔底，當泥漿泵重新啟動時，鉆孔壓力猛增，孔壁或周邊地層存在被擠壓裂開的可能，引起漏漿或滲漏；輸送能力通常用漿屑比表示，即泥漿對鉆屑的攜帶比例。筆者對市場現用的數十種膨潤土，做了攜沙性能的漿屑比對照，其中Mi-swaco膨潤土在美國制造，它對細沙、粉砂漿屑比值為1:1，即用1立方米泥漿攜帶1立方米沙；其它膨潤土泥漿的漿屑比值均為：3～6:1，即用3-6立方米的膨潤土泥漿，有可能攜帶出1立方米流沙；尚不考慮這類泥漿形成的泥皮對孔道的保護效果。

　　膨潤土作為泥漿基材，它的性能是影響成孔效果和攜帶性能的重中之重,筆者對同一品種、不同批次的膨潤土、不同來源的膨潤土十幾種樣品測試得到一批結果：

　　實驗條件：膨潤土:25g，清水:500ml（pH值7.5）低速攪拌10min，高速攪拌20min。實驗儀器：馬氏漏斗、API標準篩、范氏低溫壓濾機。

表1各膨潤土泥漿測試參數

序號 膨潤土名稱 漏斗粘度 S 與Mi高效土

比值 含砂量 與Mi高效土

比值 濾失量

ml/30min 與Mi高效土

比值

1 Mi- 高效膨潤土 151 1 3‰ 1 5 1

2 合資土 71 2.13 5% 16.7 12 2.6

3 華東土 A 61 2.48 5% 16.7 14 2.8

4 西南土 52 2.9 8% 26.67 106 21.2

5 湖北土 52 2.9 8% 26.67 46 9.2

6 華北土 50 3.02 5% 16.7 22 4.4

7 新疆土B 48 3.15 9% 30 29 5.8

8 廣東土 46 3.28 8% 26.67 23 4.6

9 華東土B 44 3.43 6% 20 20 4

10 安徽土 43 3.51 11% 36.7 33 6.6

11 新疆土 A 41 3.68 8% 26.67 25 5

12 河南土 37 4.08 9% 30 37 7.4

13 東北土 36 4.19 8% 26.67 25 5

　　實驗目的：檢測各膨潤土相關參數用膨潤土配泥漿，形成概念上解決流沙層的泥漿配方不難；但要能切實保證在鉆進時取得持續、穩定的攜沙效果、不塌孔，沒有性能好的膨潤土和有針對性的添加劑那就會是困難的問題了。從表一可以看出，泥漿粘度越高對穿越工程而言，膨潤土需求量就越少；含砂量高會致使泥漿密度升高,攜帶力弱，形成的泥皮無韌性和粘附力，易沉淀失水,降低機械鉆速,誘發沉砂卡鉆；泥漿濾失量指泥漿在孔徑內受壓差的作用后,部分水滲入地層,這種現象稱泥漿的失水性能或濾失特性，濾失量越大說明泥漿護壁性能差、攜帶能力弱。易引起地層坍塌、泥漿沉淀、漏漿、冒漿等風險。

　　筆者在市場看到泥漿產品資料中，對造漿率、漏斗粘度、旋轉粘度計粘度等參數的表述都未說明基本測試條件—膨潤土和水用量，這極有可能出現資料表述的參數都符合使用要求，而實際使用時攜沙能力弱，孔道易坍塌，因此讓用戶遇流沙工程時，因為對風險控制沒有把握，盡量放棄這類工程，放棄不掉時，被迫用提高設備規格、過分加大膨潤土和添加劑的用量等治表不治本的辦法規避。有效的辦法是選擇性能符合的膨潤土和添加劑；性能好的膨潤土的基本特點：天然納基土。*純的蒙脫石（膨潤土主要粘土成分）產生于初期的沉淀，美國懷俄明的膨潤土蒙脫石含量不低于85%，基本取代鈉、鈣和鎂離子。雖然在全世界范圍內已發現不同純度含量的蒙脫石土，但是在純度上還是和俄懷明膨潤土差異很大。很多價格低廉的膨潤土蒙脫石含量很低，或者采用其他粘土礦物如：高嶺石、伊利石、海泡石、綠泥石等作為膨潤土原料，這些雖屬于粘土礦物，但在陽離子交換能力、水化膨脹、分散、流變性及濾失特性效果和天然鈉基蒙脫石性能沒有可比性，針對流沙層施工所需要的性能顯然不適合。

　　比如：膨潤土吸附陽離子的總量，對膨潤土的造漿率起很重要的影響：以100g膨潤土交換的陽離子當量表示基本交換容量（BEC），各種粘土礦物的交換能力如圖1所示。

圖1粘土礦物的基本置換容量（mg當量/100g干膨潤土）

　　還必須說及鈉化膨潤土，這是現在市場使用*廣泛的膨潤土，很多風險的產生也是由它而起。鈉化膨潤土是通過鈣基膨潤土（非蒙脫石粘土礦物）只是簡單的添加了一些堿（燒堿-氫氧化鈉(NaOH)、純堿-碳酸鈉（Na2CO3），能看到的效果是只提高了泥漿表面粘度；而對攜砂力、凝膠粘度、護壁性這三個流沙層風險控制非常重要的性能毫無幫助，還易發生分離沉淀,也許會帶來更大的風險和施工難度，對鉆機和泥漿泵及配套設備的壽命影響也很大。

　　我們看看國內主要使用的膨潤土和來自懷俄明州Mi-swaco高效膨潤土之間的區別和對比。

　　取Mi-swaco高效膨潤土14g，華北土37g，華東土A46g分別加清水（PH7.5）500ml，低速攪拌3min高速攪拌10min，配制出粘度均為60s的泥漿，之后添加細沙200g，低速攪拌3min后的情況，下面相對應的是靜止一小時后的變化情況。

圖2不同泥漿性能對比分析

　　我們可以發現膨潤土性能的差別明顯A：未發生任何沉淀，砂屑均勻B：泥水分離，砂屑大部分沉淀。C，泥水嚴重分離，砂屑嚴重沉淀。實驗證明：衡量一種泥漿的適用性不僅能僅僅看泥漿粘度，尤為不能忽略的是包裹攜帶能力和護壁性，這是確保成功的必要元素。易沉淀說明泥漿護壁能力低，濾失量大，攜帶能力差。泥漿中的水分易和地層發生水化作用，加速地層膨脹和坍塌，增加多余鉆屑量。

　　泥漿另一個重要性能就是流變性，這個詞語被很多人提及，但是真正了解的并不多，所謂流變性是指外力影響較大時泥漿粘度會下降，流動性變大，以增加鉆進效率、降低泥漿泵的負荷。在外作用減少時粘度會增加，不影響攜帶能力，不易造成停泵和停鉆時鉆屑沉淀孔徑底部。筆者對表1的膨潤土做了塑性粘度及相對、絕對粘度測試；

　　實驗目的：檢測不同膨潤土泥漿各轉速值，計算塑性粘度、動切力、靜切力、絕對粘度。實驗器材：ZNN-D6六速旋轉粘度計、高速攪拌器、量杯、天枰。

　　實驗步驟：各膨潤土20g加清水500ml，高速攪拌30min。

表2不同轉速值下泥漿的粘度

實驗參數\膨潤土名稱 MI-高效膨潤土 合資土A 華東土A

600r/min 53 Pa.s 34 Pa.s 22 Pa.s

300r/min 42 Pa.s 24 Pa.s 16 Pa.s

200r/min 36 Pa.s 20 Pa.s 14 Pa.s

100r/min 30 Pa.s 15 Pa.s 11 Pa.s

6r/min 18 Pa.s 7 Pa.s 6 Pa.s

3r/min 16 Pa.s 5 Pa.s 5 Pa.s

　　所有鉆進變量都是相互聯系的，改變其中任何一個變量都會影響其它變量。膨潤土不能僅僅只保證工程完成，還要保證抵御所有施工風險，縮短施工周期和設備損耗。

　　再者添加劑的使用。筆者與很多客戶做過現場溝通，得到的印象是對添加劑性能和效果了解不夠，轉而關注添加劑的價格，而沒有感覺到適合的添加劑，對一個風險難以控制的工程而言，能起到“救心丸”的效果；在流沙層加了合適的添加劑，不僅可以提高施工的進度，還可以降低不同的施工風險，這里主要指降低泥漿濾失量、提高成孔穩定性和泥皮強度與韌性，保持管徑暢通，無漏漿冒漿現象，返漿一致。還可以減少膨潤土消耗及資源的浪費，縮小施工成本。目前市場添加劑功效的說法比較混亂，滿足以上功能的主要有羧甲基纖維素（CMC），聚丙烯酰胺（PAM），正電膠等，這些都是在石油鉆井中所經常使用的，在定向鉆施工中雖有一定的作用，但不是*理想的，不具有專業的針對性，石油鉆井面對的以巖石為主，而非開挖定向鉆則以土、砂居多，定向鉆施工中還要更多的考慮泥漿的潤滑性和流變性。流沙層如果選擇了不適合的添加劑，將會造成孔徑坍塌和縮徑等現象致使出入土點返漿不一致，甚至不返漿和地表冒漿等危害性。值得注意的是選用添加劑要充分了解所使用的膨潤土參數及成分，不是所有添加劑都可以在任何膨潤土泥漿中發揮作用。

　　下面是一個流沙層合理使用泥漿的實際案例。工程位于南京市鼓樓區中山北路與大橋南路交叉口，距離長江僅兩公里，工程分為五擴一洗兩托。根據現場地層調查，發現層位主要以流沙（細沙、粉砂）為主，根據現場采樣測試：地層含砂量78%，含水率16%，土質4%，其他雜質2%（小顆粒卵石）。

　　泥漿方案：用PH>7.5的清水，1m3水加25-30kgMi-swaco高效膨潤土,0.3kg，Mi-swaco的添加劑：白金派克（泥漿粘度為＞60S）。穿越長度80m，回擴至Φ1100mm，鉆屑量：約75m3，管徑距離地僅約2～4m。

圖3入土點返漿情況

圖4出土點返漿情況

　　從圖可以看到，返出的砂屑和泥漿形成的攜帶環，砂屑均勻的被泥漿所包裹，清理和攜帶能力充分；兩邊返漿一致，管徑非常暢通，未發生任何塌孔及漏失情況，也就是常說的形成了“活孔”，工程總共用時不足16小時。

　　無數成功和失敗的定向鉆施工經歷反復的說明了以下條律：

　?。?/span>1）“好泥漿”并不僅僅是粘度；

　?。?/span>2）流沙工程中采用“大排量”、“高泵壓”、“多加”膨潤土等手段比較盲目，不能有效降低風險；

　?。?/span>3）不論是流沙層還是其它地層，一定要有“活孔”的概念，保持孔徑暢通、穩定，鉆屑和泥漿可以自由流動環形空間，還可以發揮鉆機的*大性能，拉管會變的無風險和容易，完成更多的工作量，可以獲得更大利潤。

　?。?/span>4）沒有相同的地層，就沒有相同的泥漿配方。任何泥漿配方都應根據地層、施工要求，結合設備、工具等一系列因素考慮到合適，不能簡單的依葫蘆畫瓢。

　?。?/span>5）科學使用膨潤土及添加劑，不可以濫用和混用及不用，對工程來說是增加風險、增加成本。

　?。?/span>6）使用質量好的膨潤土和添加劑不是成本增長、而是成本的下降。對工程而言可以說是事半功倍。

　　以上是筆者在實際工作中的拙見，愿與行業內的同仁們進行交流，幫助定向鉆業在規避工程風險、提高效益出綿薄之力

頂管機的組成部分和工作原理

根據機型不同，頂管機至少由兩部分組成，一是切削工具管(頂管機前面部分)，二是盾尾。這兩部分通常都為圓柱形的管道，并通過鉸鏈相互連接在一起。在這種情況下，切削工具管通過導向油缸支撐于盾尾，其作用是控制頂進方向并提供容納破碎工具(切削刀盤和挖掘機等)的空間，同時也作為巖土的破碎空間。頂管機有時也由三部分組成，第二部分稱為中部工具管(頂管機中部)，第三部分稱為盾尾，作為頂管機和頂進管道之間的過渡部分。 

對于較大直徑的頂管機，為了安放所需的施工機械，也可以將緊接著頂管機的管道作為頂管機的后續部分來使用。

按照工作面的掘進和壓力平衡方式劃分的頂管機(盾構機)類型 

水平定向鉆進（HDD）用鉆桿探討

一、水平定向鉆進技術應用領域
非開挖鋪設地下管線技術（“TT”）已有百余年歷史，但其迅速發展始于20世紀50年代。非開挖技術不僅能施工許多高難度地下管線工程，而且是一項有利于環境保護的技術，與21世紀聯合國議程目標相一致，從而獲得許多國家政府和公用事業的支持。*明顯的是于1986年9月在英國倫敦成立了國際非開挖技術協會（ISTT）。迄今已有包括中國（含香港和臺灣地區）共28個國家和地區參加，并成立了各自的非開挖技術協會，擁有千余家公司會員和近兩千名個人會員。每年都有國際性技術交流會和展覽活動。出版有專門國際性刊物——《NO DIG INTERNATIONAL》。
非開挖技術已被視為一項新興的、包括設備制造與工程施工的產業，亦是很多基礎設施地下管線工程不可缺少的技術。不僅有廣闊持久的發展前景，而且其技術本身也發展特別快，應用領域日益拓寬。據估計，目前全世界從事非開挖技術的制造商已超過400家；從事非開挖技術施工的承包商已超過4000家。隊伍還在繼續擴大。
在非開挖鋪設管線技術中除氣動矛、夯管錘和微型隧道外，水平定向鉆進技術（HDD－Horizontal Directional Drilling）一直是主要增長發展快的領域。正因為其有以下主要優點和應用領域：
1.HDD的主要優點：
（1）可以按照工程需要設計的鉆孔軌跡，在非固結地層和巖層中準確施工水平孔或弧形孔和彎曲孔；
（2）可以先施工較小直徑先導孔，然后經一次或兩次以上擴孔施工較大直徑的鉆孔，鋪設大直徑管線；
（3）可以一次鉆孔并鋪設管線，超長管線亦可以分段接力施工；。
（4）可以穿越江河、沼澤、公路、鐵路、機場、城市建筑物和禁止破壞地面區帶以及繞障施工各類管線；
（5）技術較易掌握，作業安全迅速，可比成本較低；
（6）有利于保護環境，不影響交通，噪音低。
2.HDD的主要應用領域：
（1）管道
l 給水管道：用于生活、工業、農業、牧業、養殖、綠化、消防等。
l 排水管道：用于生活與工業污水、自然降水等。
l 降水管道：用于降低湖泊與地下水水位。
l 集水管道：用于大口徑集水井和坑內集水。
l 油氣管道：用于石油、天然氣、煤氣、燃油、液化天然氣等。
l 熱力管道：用于熱水和蒸汽。
l 工業管道：用于工業漿液、煤漿、粉（顆粒）狀物質輸送。
l 環境監測管道：用于地下水、土壤污染監測與處理。
l 特種用途管道：如塌坑救險等。
（2）纜線：含量大、面廣的電力、照明、通訊、廣播、電視、光纖網絡纜線等。
二、水平定向鉆進技術發展與新成就
伴隨著社會發展需求的促進、相關技術的進步、HDD應用領域的拓寬，加上本項技術行業界的努力創新，推動HDD技術不斷向前發展，日新月異，呈現一派繁榮景象。新的成就主要有：
1.設計制造了從超小型到超大型一系列HDD用配套裝備。包括能滿足不同孔徑、鋪管直徑、不同距離和不同工況管線鋪設施工要求。表1列出了國外用于水平定向鉆進鉆機的若干性能參數（摘錄自15家主要HDD鉆機制造商提供的134種鉆機數據）

2.研究制造出一系列高分辨率地下管線探測儀和探地雷達（Interrogator, Ground Penetration Radar）。目前探測有效深度從5m發展到20m左右?？梢栽谑┕で疤矫髟泄芫€及障礙物，防止HDD施工時發生破壞性事故。一種新開發的被稱作真空抽吸挖掘法（Vacuum Excavation）已被用來在土層中成孔（Potholing），以揭露地下原有管線，特別是用在如具危險性的電力纜線、光纜、煤氣管道等。這種真空抽吸挖掘法不會破壞原有管線，通過反循環吸出被破碎之土屑而形成孔穴，可以直接觀察到地下有無管線的真實情況。地下管線探測技術已發展成為TT技術分支，并已在國外成立了專業技術協會。
3.開發了完善的HDD導向“前視”系統。含發射器、接收器、鉆頭定位視屏、遠程顯示器、數據實時記錄視圖系統等。在深度較大或地表不能有效跟蹤鉆孔軌跡或難以保證精度時，則采用了有纜導向系統，信號通過專門設計的鉆桿向地表實時傳輸（MWD）。
4.HDD施工實現高度機械化、自動化。發展了一系列現場機械化和自動化操作控制系統，包括鉆機移動就位，搬移和擰卸鉆桿，涂螺紋潤滑脂、給進與回拉擴孔、鋪設管線等。
5.研究開發了適應不同地層條件 HDD用循環介質。由于HDD大多在非固結地層施工，要求鉆進循環介質有良好防塌、護孔、防滲漏、潤滑減阻、減少泥包、降低回轉扭矩和回拖力等作用。與比同時，推出了一系列高效泥漿制備與處理系統。
6.開發了多種鉆進工藝。除軟地層采用水力噴射回轉鉆進外，在硬巖和漂礫層成功采用了液動和氣動潛孔沖擊器。在長距離鉆孔施工時為減少摩擦阻力發展了雙管套洗（跟套管）鉆進工藝。當推拉力偏小時則因地制宜采用分段施工法、回拉加頂推或輔以絞車作業法。
7.不斷研究改進HDD用孔內鉆具。包括鉆桿、鉆頭、擴孔鉆頭、旋轉接頭、多管回拉頭等。特別是鉆桿及其連接的研究與改進（本文擬就此進行重點探討）。
8.開發了HDD鉆孔設計跟蹤與管理、培訓軟件。如美國Vermeer公司的“Atlas Boreplanner”鉆孔設計軟件。在匯集了已有地下信息和工程要求數據后可以給出理想的鉆孔軌跡設計和采用相關的鉆進參數，如鉆桿直徑和長度、鉆孔直徑和深度、擴孔直徑、拉入管子直徑和允許曲率半徑等；還可按照施工中獲得的信息及時修改。相關的管理特別是人員上崗培訓軟件正不斷被開發完善。
9.如今在TT領域里已成立了“定向穿越承包商協會（DCCA）”，并由該協會制定了一系列標準、規范和指南等。
三、水平定向鉆進用鉆桿
鉆桿在所有鉆探工程施工中都是*重要的常規、高成本配備和消耗器材。由于HDD技術應用日廣，工況不一，施工條件（如鋪管直徑、長度、曲率半徑、鉆遇地層及障礙物、地面交通環境氣候等）復雜多變，差異甚大。因此，施工對鉆機能力以及與之相匹配的鉆桿規格、結構、性能及其使用壽命要求甚嚴。在HDD施工中，鉆桿直接影響工程的施工順利與否。如果在孔內發生鉆桿折落事故，常會造成工程失敗，產生時間與經濟乃至信譽的損失。
1.HDD鉆桿之功用與載荷
HDD的應用領域如上述，主要施工水平和弧形乃至多彎曲鉆孔，并進行鋪設管線。施工中鉆桿的功用和常規礦產鉆探不完全相似。其主要功用如下：
（1）傳遞和調整鉆機給予鉆頭之軸向壓力。
（2）傳遞鉆進和擴孔時鉆機對鉆頭施加之扭矩。
（3）回擴和拖拉鋪設管線時承受鉆機施加之拉張力和扭矩。
（4）承受經常扭卸鉆桿接頭時的扭應力，以及鉆進時瞬間突然增大的扭矩（Peak torque）。
（5）承受鉆頭碎巖、鉆具與孔壁摩擦產生的震動和沖擊載荷。
（6）承受在彎曲鉆孔內推拉與回轉時的彎曲疲勞載荷。
（7）鉆進時壓力介質（液體或氣體）由鉆桿內輸向孔底工作面。
（8）當用有纜傳輸孔底信號時，信號纜線由專門設計的鉆桿內接續。 

上圖說明了HDD施工中鉆桿作業工況與受力狀態，亦說明HDD用鉆桿的材質性能必須嚴格要求。圖1只是側面投影，實際還有水平投影，鉆孔軌跡應是三維的。當鉆孔愈長、彎曲幅度愈大、鉆桿與鉆孔環隙愈大以及鉆孔有超徑現象時，鉆桿受力狀態愈惡劣

2.HDD鉆桿常見損壞原因
地質巖心鉆探用鉆桿正常消耗有物化勞動消耗定額和生產積累的數據可尋。例如國外優質金剛石繩索取心鉆進用鉆桿使用壽命按鉆進工作量計達到15000～21000m。但HDD用鉆桿消耗數據具體報導甚少。分析其損壞報廢原因主要為：
（1）鉆桿疲勞折斷。HDD鉆孔除水平孔工況較簡單外，都在三維空間承受復雜交變的壓、拉、扭、彎曲、震動等載荷，加上磨損、腐蝕等作用在經過一定時效后即在應力集中或薄弱環節部位（很多發生在靠近公、母螺紋根部二、三扣）折斷。主要表現為疲勞折斷，而且彎曲與扭轉應力起重要作用（圖2）。國外有公司進行實驗表明鉆桿在施加不同彎曲應力下所得老化時效亦即疲勞強度明顯不同，實驗用持續回轉的轉數進行表示（圖3）。 

（2）鉆桿超負荷作業。如表1所列HDD鉆機性能參數范圍甚大，顯然要求與其相匹配的鉆桿。并有一定安全系數。但對不同規格鉆桿在不同曲率半徑彎曲孔段如何采用相對許可的扭矩和軸向載荷，這一點至關重要。舉美國HACKER公司生產的HDD鉆桿提供的資料，就推薦工作扭矩為3000ft/lbs、上扣扭矩為2500～3000ft/lbs的φ60.3mm鉆桿而言，當鉆桿回轉和不回轉作業時所能適應的曲率半徑和軸向載荷分別示于 

（3）鉆桿過度磨損。包括鉆桿和接頭徑向磨損和螺紋磨損。徑向磨損多發生在有彎曲變形部位，并多呈偏磨損現象。有資料表明，當用φ88.9mm( 3.5”)鉆桿其外徑磨損0.8mm時，其強度即開始下降，當磨損3.175mm時，鉆桿就面臨報廢。螺紋和臺肩部位過度磨損結果會造成泄漏和沖蝕乃至連接不牢現象。
（4）非正常操作維護。包括超負荷作業，夾持與擰卸工具不合式，沒有采用優質螺紋潤滑脂和經常合理潤滑螺紋，搬運儲存不當而變形銹蝕等。
（5）發生孔內折落事故。如泥漿護孔失效、鉆具卡埋、折斷、落扣后無法處理。
3.提高HDD鉆桿使用效果的途徑
對如何提高HDD鉆桿使用效果若干年來經過多家制造商和工程承包商共同努力，其主要經驗不外乎規格尺寸系列優化設計，高強度鋼材，端部連接結構、螺紋類型與加工和現場合理使用維護等。
（1）采用合理規格尺寸。一是鉆桿直徑與鉆孔直徑和軸向載荷相適應。有資料介紹鉆桿外徑與鉆孔直徑比宜為1：1.5～2.0。施工大直徑鉆孔顯然從強度和通水載面考慮，宜用大直徑鉆桿，并用擴孔方法。例如見諸HDD采用鉆桿*大直徑已達273mm。外徑從小到大品類繁多，如25.4、38、42、48.3、52.4、60.3、73、76、82、88.9、102、114.3、127、139.7、168.2、175、203、273mm等。其中*多用的是38～127mm。第二是鉆桿壁厚。主要考慮強度與操作輕便。一種直徑鉆桿可以有2～3種壁厚供用戶選擇，如φ60.3mm鉆桿采用壁厚可以為4.85mm和6.65mm；兩者的載面積分別為8.41cm2和11.89cm2；抗拉強度和抗扭斷面系數（Wp）顯然不同。第三是鉆桿單根長度。常隨機配備并任客戶挑選。鉆桿長度與作業空間、鉆機規格與施工鉆孔長度相關而靈活采用。單根較長鉆桿自然減少接頭數量；降低接頭加工成本；降低擰卸作業時間消耗（特別當采用信號纜時）；減低泥漿在接頭處的泵壓損失，相對提高泵送流量。見諸報導的鉆桿單根長度有1.0、1.8、2.0、3.0、4.5、5.0、6.0、8.0、10.0m等。
（2）采用優質高強度鋼材。鉆桿強度習慣用屈服強度標志其鋼級，并采用石油鉆井和礦產巖心鉆探所用鋼級標準（圖6）。歷史上曾長期使用E級鋼鉆桿，嗣后逐漸發展到X95、G105、S135、U170等，途徑是用優質合金鋼同時進行調質（淬火十回火）處理。如今不少HDD鉆桿制造商如意大利ColliDrill、英國 Drillgear、美國 Drilltube日本 Y.S.M.公司等生產S135鋼級鉆桿，所用鋼種如AISI4140，屬于40鉻鉬調質鋼

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 圖7表明用不同鋼級制造的φ60.3×4.85mm m和φ60.3×6.65m兩種壁厚鉆桿的抗拉屈服強度和抗扭屈服強度。
HDD鉆桿由于使用工況決定要求有良好的綜合性能，既要高強度、又要良好彈性，不少制造商還提出其產品的良好堅韌性或柔韌性（Flexibility）。S135鋼級和AISI4140合金調質鋼符合上述技術要求

（3）采用鉆桿端部內加厚或焊接接頭。為增加接頭螺紋部位的有效斷面積，達到與鉆桿體等強度或超過鉆桿強度目的。石油鉆井曾有提出接頭的扭轉強度應比鉆桿大13～20％作為安全系數。鉆桿接頭的厚度為了加工螺紋必須遠大于鉆桿體厚度，并且可以采取不同加厚和焊接方法：
①一體式鍛造法：在鉆桿兩端分別加熱鍛造加厚，而后整體經過調質熱處理再加工公母螺紋，成為一（整）體式鍛造鉆桿（Forged one piece drill pipe）。這樣保證管體和連接部位強度一致，并有良好的強度與堅韌性（彈性）不易永久變形（圖8A）。英國著名的HDD鉆桿制造商－Drillgear公司即用S135鋼級制作42.16、48.26、52.4、60.3、70.0、88.9mm等規格的一體式鉆桿并供給美國的Vermeer公司配套應用。美國一家擁有專利的HDD鉆桿制造商－HACKER工業公司制造的稱作高扭矩彈性鋼鉆桿（High Torgue Flex Steel Drill Pipe）。聲稱能承受較大的弧形鉆孔的彎曲應力。其特點同樣是采用一體式鍛造和熱處理調質鋼管制造（One Single Piece of Forged Heat Treated Steel）。其加厚部分外徑可以是外平的，如今采用的多數是略大于鉆桿體，實際是內外加厚（例如φ 的鉆桿加厚部為φ ）；其加厚部分長度可以滿足重復修理二次加工螺紋。鉆桿長度從10至34英尺不等。
②整體式冷拔法：是日本Sanwo公司專利權的采用冷作加厚法（Cold drawn upset）加厚鉆桿端部的“SSDR”鉆桿。能保持接頭部分與鉆桿體等強度，并且可任選加厚長度、厚度、內壁光滑而且平緩過渡，減低泥漿流動阻力，利于重復修理加工螺紋（圖8C）。其產量每月800～1200t，暢銷美、加、澳、南非、印度、等十多個國家。美長年公司繩索取心鉆桿亦用之。這種φ70mm的鉆桿在南非鉆孔深度超過5000m。*近日本有資料稱其生產的S135鋼級鉆桿其管體與接頭屈服強度均能達到940N／mm2。應該說這種冷拔一體式鉆桿對HDD使用是有獨特優點的

③閃光和亞弧焊接法：曾是油氣井和水井鉆桿的常規制造方法，閃光焊接(Flash Welding)或亞弧焊接（Sub-Arc Welding）可用已調質熱處理的成品接頭將其與管體焊接成一體，但其焊縫部位強度會有所減弱，現今已少用之。
④等離子弧焊接法：這種等離子弧焊接法（PLASMA Arc Welding）是一種無焊料的焊接法。同樣用經調質熱處理（亦可在表面高頻淬火和鍍硬鉻）的成品接頭與管體焊接，其焊縫處用700°～800°F火焰加熱消除應力，使焊縫處之強度降低不超過10～15％。美國長年公司用φ55.6mm等離子弧焊接鉆桿繩索取心鉆進孔深超過3000m。
⑤摩擦焊接法：這種目今石油鉆井*多采用的摩擦焊接法（Inertia Welding）已移植用于HDD鉆桿制造。其特點是設備工藝簡單而且可以精密程控。焊接時金屬軟化但未熔化。焊接時要杜絕雜質進入焊縫，并在修磨時不受損傷。焊縫用電磁感應熱處理消除應力。當接頭已過度磨損可以由焊縫切斷重新焊接新接頭。意大利Colli Drill公司用此法制造的稱作“PCC”（Progressive controlled Collapse）的HDD鉆桿廣泛用于歐洲市場；占市場25％份額的美國Drilltube公司亦主要采用摩擦焊（亦用鍛造法）制造φ60.3～φ273mmHDD鉆桿（圖8B）。
(4)采用合理螺紋類型與加工。主要包括螺紋類型、螺旋角、錐度、密封臺肩、應力消減槽和加工檢測等。螺紋部分是鉆桿*重要的應力集中和經受磨損的部位。除前述要增加其壁厚外，螺紋本身設計加工將直接影響鉆桿使用效果。
礦產鉆探金剛石鉆進長期以來用平螺紋，并用每英寸3扣、齒高1.5～1.75mm的矩形螺紋或斜角為5°的梯形扣。繩索取心鉆桿則用1：16乃至1：30錐度梯形螺紋。上述平螺紋對抗彎和疲勞強度要求較高的HDD鉆桿少用之。對鉆桿螺紋有幾點共識被引入HDD鉆桿設計選型。如軸向載荷和扭矩是選擇螺紋角和螺距及齒形重要依據，降低錐度和旋旋角能增大抗扭強度；任何齒形加工時切忌齒底出現銳角現象（Sharp root Corner）；宜采用雙臺肩密封面（Tow Shoulder Seals）；在公扣臺肩處應力集中區有應力消減槽（Relif groove）等。
圖9是常見的幾種錐形螺紋扣形。其錐度變化各家制造商尚無統一標準。常見的有：
1：4、1：6、1：12.5、1：16、1：20、1：30等，并視扣形而異。圖10表明應力消減槽的作用 

圖11 是美國Hacker公司用高強度合金鋼制造的端部加厚后經熱處理而后進行螺紋加工的鉆桿（High Torgue Flex Steel Drill Pipe）。其鍛造加厚部位外徑略大于管體外徑。例如φ 鉆桿其加厚處外徑為 。螺紋采用API60°“V”形螺紋，公母螺紋雙臺肩密封（Metal to meatl sealed），利于承受較大扭矩和彎曲應力。螺紋用數控機床加工，表面磷化處理，防止粘扣。產品采取全面質量管理并提供質保證書。 

圖12則為φ60.3mmHDD鉆桿的實際剖面，并特別重視公、母螺紋應力集中區抗彎強度值的合理比值

為提高螺紋表面耐磨性能，意大利Colli-Drill公司采取表面滲氮處理，能起到耐磨、防粘扣和防腐蝕作用。另外在鉆桿使用前給予相當螺紋屈服強度60％的預扭矩。此外，有資料介紹為提高螺紋耐磨性曾對鉆桿接頭公母螺紋采用了表面高頻淬火，使其表面硬度達到HRC50以上。美國長年公司繩索取心鉆桿接頭和螺紋外表亦采用了高頻表面淬火。
（5）合理操作與維護。做到合理操作與維護可以大幅度延長鉆桿使用壽命，杜絕事故。
①選購獲得ISO9001/9002或API質量認證的優質品牌HDD鉆桿（如美國Drillgear、Drilltube）。鉆機制造商隨機提供的鉆桿首先要是優質產品。
②所用鉆桿規格性能（鉆桿直徑、壁厚及鋼級）要能勝任工程施工的各項載荷。
③鉆孔直徑與軌跡設計和施工中改變軌跡要慎重考慮鉆桿載荷能力，盡量采用較小出入土角、較大曲率半徑、較少彎曲變化的鉆孔軌跡設計；埋深不大的管線因地制宜采用工作坑設計有利于減少彎曲孔段施工。這都有利于減輕鉆桿所受綜合應力和磨損，特別是所受扭應力要在安全范圍以內，以防止鉆桿斷裂，提高鉆桿使用壽命。
④鉆桿連接時扭矩恰到好處。防止過載粘扣或未擰滿的現象。嚴防卡盤和管鉗傷害鉆桿。
⑤先進的鉆機都有自動給進、提拉、搬移、對中、擰卸與涂螺紋脂機構。有直視參數儀表包括扭矩、轉速和軸向載荷等，并有預警裝置防止超負荷作業，利于保護鉆桿。
⑥宜采用優質含軟金屬粉料的有固體潤滑性質的螺紋潤滑脂（Thread Compound）。如公認為含50％鋅粉（按重量比）的螺紋潤滑脂，其作用有潤滑，抗震及極壓，防粘扣，防滲漏，防摩擦生熱和磨損，延長螺紋使用壽命，防止在高溫、高壓和腐蝕等惡劣條件下對螺紋的腐蝕，有良好上扣系數（Coeffieient of make up），并且容易將接頭擰開等。切忌用只有一層油膜的絲扣油（Slick）。圖13是三種不同螺紋潤滑脂使用時鉆桿接頭上扣扭矩與應力之關系，其中含鋅50％之螺紋脂上扣扭矩與應力均較低。圖14則是采用七種不同螺紋脂時對鉆桿螺紋卸扣扭矩相當于上扣扭矩的百分比對比。同樣明顯看出含鋅50％之螺紋脂卸扣扭矩*小，相當于上扣扭矩的80～82％。以上資料均是美國休斯公司提供的，值得重視

⑦經常檢查鉆桿完好和磨損程度。決不采用有缺陷和過度磨損的鉆桿，建立鉆桿使用記錄。彎曲變形的鉆桿可用鉆桿校直機（Straightener）校直。重新修理接頭螺紋時嚴格按原產品要求進行，特別是螺紋尺寸形狀和光潔度等，并有標準量規檢測。
⑧暫時不用的鉆桿嚴格清洗其外表、內壁和螺紋部分，并涂專用防銹油，要有螺紋保護塞、箍，妥善存放。
⑨現場操作人員要經過培訓持證上崗。
四、結論和問題探討
1.包含HDD在內的TT技術應用日廣，技術不斷進步，市場廣闊，在世界范圍內仍稱得起朝陽行業。中國起步雖晚，但發展迅速。目前正處于

2．HDD在TT技術內涵中應用尤廣，發展*快。HDD技術包括機械裝備、鉆具、泥漿系統、測控系統、鉆孔與擴孔鋪設管線工藝等。對比國際先進水平，存在明顯差距，中國TT界要針對差距，大力研發，要著眼國內外兩個市場，大有可為。亦可走技術引進與國外企業合作道路。
3.鉆桿是HDD重要機具與消耗器材。首先要有完善的與國際多數國家采用的系列標準相接軌，其次要研發具有國際**的S135鋼級的鉆桿是當務之急。我國曾用鋼種其性能如下表所列，以資參考。調質熱處理與校直被認為關鍵

* 相當于AISI4140，美國、日本及歐洲國家多用之，性能達S135鋼級。
4.為增強鉆桿連接強度，端部鍛造加厚、冷拔加厚、摩擦焊接都可異途同歸。關鍵在于掌握其加工工藝，實現等強度。
5.連接螺紋包括齒形、錐度、螺紋長度、臺肩密封、應力消減槽等，現無公認標準。例如有“V”形扣和特殊梯形扣共存，其中每英寸4牙梯形扣采用漸廣。臺肩密封面有雙平面者（圖12），亦有公扣端呈平面、母扣端有斜角者。從發展看HDD鉆桿包括直徑、壁厚、長度、螺紋連接等應有標準系列可尋。其中大直徑鉆桿可借鑒石油鉆桿。
6.改變國產HDD鉆桿生產面貌之關鍵要有設備精良、人員精干、經營管理精明的鉆桿制造廠。吸取國外先進技術，利用國內成功經驗，爭取較短時期內生產供應國產優質品牌的HDD鉆桿。全國HDD界拭目以待，看誰家操此勝券。參考國外資料介紹優質品牌HDD鉆桿的標志是：①優質鋼材；②良好熱處理；③精密螺紋設計與加工；④全面質量控制；⑤具有高強度與柔韌（彈）性；⑥適應復雜工況；⑦有較長壽命；⑧價格合宜

水平定向鉆穿越中鉆桿的選擇使用和維護

在水平定向鉆穿越中，鉆桿的性能好壞直接影響到施工進度和工程質量，尤其是在施工過程中，鉆桿的性能直接影響到整個施工的成功率，因此選擇正確材料和型號的鉆桿至關重要，本文就針對鉆桿的使用選擇、正確使用和維護進行闡述。
鉆桿從毛坯制造到成品鉆桿的產生需經過接頭加工和摩擦焊接兩大重要工藝，共分為毛坯鍛造、內坡度切削、外坡度切削、管鉗夾緊段加工、熱處理、加焊耐磨帶、螺紋加工、螺紋檢查打鋼印、螺紋鍍銅、桿體端部加工、摩擦焊接、壓接部退火、去內外毛刺、壓接部淬火、壓接部回火、目視檢測和磁粉超聲波探傷等十七個工序。因此鉆桿的具體制造工藝對成品鉆桿的性能好壞非常關鍵，同時鉆桿材質的機加工性能、焊接性能和熱處理性能以及自身的抗拉伸極限、抗扭屈服強度和抗彎曲強度等力學性能對*終的成品鉆桿的品質都有不同程度的影響。
目前國內外的鉆機常用鉆桿的材質鋼有E75、X95、G105、S135等幾種，根據API美國石油協會標準，衡量鉆桿材質力學性能的幾個指標分別為：抗扭、抗拉、抗擠和抗內壓屈服強度，以下的表格為各鋼級材質的力學性能對比：

從上表可以看出，各級鋼材質的鉆桿表現出來的力學性能區別很大，其中尤以S135級鋼的力學性能表現突出，在一般的城市燃氣和光纜管網穿越中，穿越長度為幾十米至二百米之間，管徑為二十至四十厘米之間，選用3-1/2”和4-1/2” E75級鋼以上的鉆桿就能滿足此類穿越的力學要求，而在中大型河流穿越工程中，穿越長度在幾百米以上乃至兩千多米時，穿越地層可能含粘土、粉砂、卵礫石、風化砂巖甚至硬巖石如花崗巖、石灰巖等不同地質情況，鉆桿長距離的地層穿越過程中會隨著鉆桿長度的增大而受到更大的阻力和阻力矩，這樣就對鉆桿提出了很高的力學性能要求，因此適宜選用性能良好的5”和6-5/8” G105鋼或S135鋼的鉆桿。
在水平定向穿越施工中，鉆桿不僅承受軸向的拉、壓力，還承受扭轉力矩，使得鉆桿的絲扣包括公扣和母扣受到外力的擠壓，鉆桿組合在施工過程中會因外力過大使絲扣表層擠潰和剝落，另外上扣和卸扣過程也會對絲扣造成摩擦損耗，下圖中所示的碎塊就是鉆桿在使用后經卸扣剝落下來的。因此鉆桿在使用過程中還需注意維護保養，在上扣之前必須做好絲扣的清潔工作，清除絲扣上的雜質并涂抹上絲扣油，并在鉆桿使用完畢后，還應清潔鉆桿的桿體和絲扣，在絲扣涂抹防銹的油脂并安裝防止護帽。 

在穿越施工過程中，從導向孔鉆進階段到管線回拖完畢，鉆桿一直處于工作狀態，因此每根鉆桿的具體狀況都對工程的順利完工與否至關重要，非常必要對每期工程服役完畢的鉆桿進行評估，對于絲扣磨損超標的鉆桿應及時進行修扣，并且每根鉆桿還需進行探傷，主要是對桿體和絲扣的內在微裂紋等缺陷進行檢測，消除以后工程的故障隱患。
目前鉆桿的常用的探傷檢測有磁粉超聲波檢測、X射線檢測和水基超聲波檢測幾種，其中磁粉超聲波檢測法適用于新鉆桿出廠前階段，X射線檢測可用于整體鉆桿的檢測，只不過此法多少對人體有所影響，水基超聲波檢測法則可用于新舊鉆桿，在超聲波發射探頭與鉆桿表層之間填充流動水，利用水作為良好的傳播介質，并且水還可以很好地覆蓋鉆桿表層的凹坑、麻點等由于外力導致的缺陷，將超聲反射波經過數字智能化處理后即可分析辨別出缺陷之處。對檢測出的缺陷鉆桿應做降級處理或停止使用。
總而言之，鉆桿的選擇和使用保養對水平定向鉆穿越的成功與否非常關鍵，在做好鉆桿的平時保養的同時，還應及時對鉆桿的缺陷進行檢測，以便剔除問題鉆桿，避免鉆桿斷裂等重大事故的發生，保證每個定向鉆工程的安全施工。

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 非開挖施工中的泥漿問題分析及對策

1 非開挖施工的特點

非開挖技術是指在不開挖地表的條件下探測、檢查、修復、更換和鋪設各種地下設施（主要包括各種管線）¹。它的主要施工技術有：水平定向鉆進技術（Horizontal Directional Drilling）即HDD技術²、頂管和夯管技術、微型隧道技術、以及爆管法和裂管法等管線修復技術。

非開挖施工技術大多應用于各種管線穿越河流、鐵路、公路、建筑物、構筑物等場合。因為其施工地點的緣故，所穿越地層大多為粘土、粉土、沙土、以及淤泥和砂層等軟弱地層，因此對泥漿有著許多特殊的要求，而且非開挖施工經常在城市和河流附近進行，又有一些特別要求，如：不影響交通、綠地，不污染水域和土壤，噪音小、施工迅速等。

2  對泥漿的特殊要求

非開挖技術因為其施工地點的緣故，所穿越地層大多為粘土、粉土、沙土、以及淤泥和砂層等軟弱地層，因此對泥漿有著許多特殊的要求：

a) 良好的流變性，保證有較強的攜帶鉆屑的能力；

b) 泥漿有較低的摩擦系數，良好的潤滑性能；

c) 有較強的護壁作用，在孔壁形成一定力學強度的泥皮，維護孔壁穩定，防止泥漿漏失。

3 泥漿的攜鉆屑能力

在非開挖施工中，泥漿*主要的作用就是攜帶鉆進過程中的鉆屑，因為非開挖施工中多為水平孔，因此要求泥漿有較強的攜帶鉆屑的能力，防止鉆孔過程中鉆屑沉積在鉆孔中形成鉆屑床，造成卡鉆及擴孔回拖困難等孔內事故³。

目前，非開挖施工中泥漿體系主要有兩種，一種是在粘土地層中，清水鉆進，地層粘土自造漿；另一種是在粉土、沙土地層中使用水基泥漿，其基本配方為：清水加3%～6%的鈉基膨潤土。前一種做法是不合理的，因為清水鉆進，泥漿性能不易控制，在開始鉆進時，地層自然造漿，泥漿粘度小，井壁周圍的粘土很容易進入泥漿中，引起井壁侵蝕，造成井壁不穩定；當鉆進一段時間后，泥漿粘度又會變的很大，增大了鉆具與井壁的摩擦力，加大了能量損耗，而且容易形成較厚的泥餅，容易引起粘附卡鉆。

因此，非開挖施工中，一定要根據地層選用一種合適的泥漿體系，泥漿要有良好的流變性能，如：在粘土、粉土地層時，泥漿馬氏漏斗粘度控制在60～65s，在沙土、砂層時，粘度可適當大一些，因為沙礫顆粒較大，密度較重，需要更強的懸浮泥漿體系。而且，在不同階段，泥漿體系也要及時調整，如：在預擴孔和回拖階段泥漿粘度要提高5～10s⁴。

主要使用的處理劑：

（1）鈉基膨潤土

鈉基膨潤土我們可以直接使用石油系統和地礦系統的鉆井用膨潤土，只是要注意在使用前，應該先做實驗，確定在特定地層的*優加量。不同的膨潤土，因為結構、成分和加工工藝不同，有不同的造漿率和泥漿性能，因此要特別注意。另外，在使用前，膨潤土泥漿要老化一段時間，因為膨潤土在水中水化和分散需要一定的時間。這個時間，在石油鉆井標準中要求24小時，在非開挖實際工作中可以適當減少。

（2）Na-CMC —鈉羧甲基纖維素

鈉羧甲基纖維素是一種常用的泥漿有機處理劑，它有高粘、中粘、低粘和速溶四種。在泥漿中，主要起增加粘度和降低失水的作用。通常，中粘CMC加量小于0.2%，根據實際情況，可以適當增加。

（3）HEC—羥乙基纖維素

HEC在泥漿中主要起增加粘度的作用，同時也有一定的護壁作用，加少量的HEC可以大幅度的提高泥漿的粘度，根據HEC型號的不同，加量小于0.1%。用HEC增粘的泥漿容易被酸、酶或氧化劑降解為碳氫化合物，沒有明顯毒性，不污染環境。

4 泥漿的潤滑能力

非開挖施工中泥漿的潤滑性能至關重要，比如頂管中，提高泥漿的潤滑性能，可以成倍的增加頂管長度、提高施工效率、縮短施工時間；在定向鉆施工中，可以降低回拖力，增加回拖距離，降低成本。目前，非開挖施工中，潤滑劑使用的還比較少，我們應該借鑒石油鉆井中打大位移井和水平井的做法，在泥漿中加入合適的潤滑劑，可以大幅度的降低泥漿的摩擦系數。根據筆者的實驗，不同泥漿的摩擦系數見表1。

表1 不同泥漿的摩擦系數

由上表可見，加入一定量的潤滑劑，可以大幅度的降低摩擦系數，在實際施工中，則可以大大提高工作效率，降低施工成本。

在此，我們可以從石油鉆井中借鑒以下潤滑劑作為非開挖泥漿中的潤滑劑：

（1）植物油基潤滑劑、植物油衍生物⁵

這類產品的名稱很多代號很亂，各個廠家都用自己的名稱代號，如：潤滑劑RF、MY-1、RT441、磺化油腳DS848、FK10、T862。其實這類產品的主要成分為各種表面活性劑和植物油以及一些油脂的下腳料。其加量一般為0.5%~2%，摩擦系數降低率為40%~60%。因為這類產品的主要成分為植物油，可以在自然環境中分解，所以比較環保，推薦使用。

（2）以柴油為基礎油與表面活性劑、有機物的混合物

這類產品的種類和名稱也比較多，如乳化渣油RH9051、RH-525、RH-3、FRH、改性柴油、6401、RT931。其主要成分為柴油、表面活性劑、礦物油等，加量一般為0.3%~2%，摩擦系數降低率為40%~70%。這類產品存在一定的污染問題，需要根據實際情況選擇使用。

（3）固體潤滑劑（含塑料小球、玻璃小球、石墨等）

固體潤滑劑的粒徑一般為10～50目，根據需要有一定的粒徑分布，加量一般為3%～6%。固體潤滑劑的特點是：a它粘附在井壁上能將鉆具與孔壁之間的面接觸轉化為點接觸，減少接觸面，降低摩擦系數；b固體潤滑劑能有效地降低泥餅的粘附系數；且固體潤滑劑的粒徑較大時，降摩阻的效果較好；隨著加量增大，降摩阻的效果亦愈好；c塑料小球，玻璃小球在一定條件下可以回收，重復使用，不污染環境。

5 泥漿的護壁能力

非開挖施工中，泥漿的另一重要作用就是，在孔壁形成一定力學強度的泥皮，維護孔壁穩定，防止泥漿漏失，尤其在一些松散地層和易坍塌地層，這個問題更為重要。根據非開挖施工的特點，目前使用的護壁堵漏材料主要有⁶：

（1）化學漿液堵漏材料，如：脲醛樹脂、丙烯酰胺、水玻璃、硅酸鹽和各種合成乳膠。這類化學材料注入不穩定地層，形成凝膠，可以封堵漏失通道，提高孔壁的力學穩定性。

這類漿液的特點是：凝結時間可以自由調整，可以實現瞬時固化，滲透性和流動性好，漿液可以固化，價格較貴。

（2）無機凝膠物質堵漏材料，如：各種水泥漿及水泥混合漿液。在非開挖施工中，當遇到流沙層或比較嚴重的漏失地層時，可以采用這種方法堵漏。

6 結論

本文分析了非開挖施工的特點和一些常見的泥漿問題，并根據具體情況給出了具體的處理對策，在非開挖施工中，關于泥漿問題，我們要注意：

(1) 用鈉基膨潤土造漿，保持泥漿有合適的流變性，有較強的攜帶鉆屑的能力，必要時加入適量的CMC和HEC；

(2) 在泥漿中加入合適的潤滑劑，使泥漿有良好的潤滑性能，這樣可以大幅度提高施工效率，降低施工成本；

(3) 遇到復雜地層和易漏失地層時，要用一些護壁材料和堵漏材料，使泥漿在孔壁形成一定力學強度的泥皮，維護孔壁穩定，防止泥漿漏失

幾種典型的非開挖擴孔鉆頭的適應性分析和效果評價

1  引言

導向鉆進非開挖鋪管方法是目前非開挖鋪管技術方法中的主流方法。在該工藝方法中一般要經歷三個階段：導航方法完成先導孔；一級或多級擴孔鉆頭擴孔；頂或拉法鋪管?？梢哉f，先導孔完成后，擴孔是非常關鍵而且工作量較大的一道工序。此過程花費的時間越短，鉆孔越安全，鋪管效率越高，經濟效益亦越好。而擴孔工作的關鍵則是根據實際條件，選擇高效擴孔作頭。另外，擴孔過程對先導孔還具有修正作用。如果先導孔只具有小的彎曲，經過選用適當的擴孔鉆頭，經過擴孔工序后能達到較理想的“直”孔。否則會造成“曲上加曲”的局面。例如在軟硬不均的地層，擴孔鉆頭易偏向軟地層，即偏向阻力*小方向，多次的擴孔使這種現象趨于嚴重化，甚至形成大的階梯。因此遇到此類情況應合理選擇擴孔鉆頭類型。在實踐中應根據土層情況、設備功率配備、擴孔直徑、長度以及孔內沖洗液狀況來進行靈活選擇。

非開挖用擴孔鉆頭種類繁多，形式多種多樣，因此，在工程實踐中，如何針對地層情況、設備條件，因地制宜地選擇擴孔鉆頭是工程技術人員必須考慮的重點問題之一。擴孔鉆頭的選用直接關系到擴孔效率以及護壁效果。選用不當，擴孔工作效率低，甚至造成垮孔、鉆桿折斷、鉆孔報廢等安全事故。反之，擴孔設備運轉負荷小，孔型規則、鋪管阻力小、施工效率高。

文章主要介紹幾種典型的擴孔鉆頭的結構特點。圖1為幾種非開挖專用的擴孔鉆頭的外貌圖。從結構上來說，主要為翼片狀鉆頭、桿狀鉆頭、封閉葫蘆形鉆頭、帶爪或牙輪的擴孔鉆頭以及它們的組合形狀等。

2  幾種典型鉆頭的結構特點和適應性分析

2．1  翼狀擴孔鉆頭

該類鉆頭，如圖2所示，以翼板上的刺狀切削刃為切削工具，翼板上的切削刃呈點狀分布，并在空間上相互錯開，設計時應能基本保證每個切削環面上存在切削點。由于翼板切削刃為階梯分層切削，切削刃刀口短而點狀分布，所以極大地降低了阻力和旋轉所需的能量。此種鉆頭要求翼板有高的強度，與土層作用時不易變形，擴孔作用時，鉆頭類似于刮刀，屬于非擠土形鉆頭類。鉆頭過障礙能力強，即使遇到大的建筑垃圾，如石塊也能順利通過。但鉆頭擴孔后一般要求有專門的清孔工序。該鉆頭的*大缺點是在較軟的土層擴孔時，易向右下方爬行，使鉆孔彎曲，鉆頭越重，這種現象越明顯。一般適用于較硬土層的擴孔。另外，此種鉆頭加大直徑方便，只需在原有翼板上布置一些安裝孔，把附加翼板連接上即可實現鉆頭直徑的改變。我們在實踐中曾經進行過改進，只用一套鉆頭心體就實現了多級的擴孔，如圖3所示為長沙五一路某鋪管工程中的實際擴孔效果圖，在該工程中，土層干硬，夾雜硬的礦物結核，而擴孔效果極好，用國產GBS-10鉆機擴孔直徑達到了Φ800mm。 

2．2  帶腰籠的翼狀擴孔鉆頭：

如圖4所示，該類鉆頭以翼板上的刺狀切削刃為主要切削工具，腰籠作為翼板加強筋的同時，起到扶正器的作用。翼板和腰籠上的切削刃呈點狀分布，設計原理與翼狀擴孔鉆頭類似。此類鉆頭由于翼板切削刃為階梯分層切削，切削刃刀口短而呈點狀分布，所以旋轉阻力降低。開放式的結構使鉆井液和鉆屑能輕易越過擴孔鉆頭，擴孔速度快，保直能力較好，不耐用，但修補方便。另外，它的切削原理為非擠土式，不會造成對地下土層的大的擠壓形變，施工相對安全。對于不良地層，      

如砂層擴孔時不宜采用此類鉆頭。它的翼板可能是二片、三片或四片，根據直徑大小和鉆頭強度的高低需求靈活設計。

2．3  螺旋形擴孔鉆頭

如圖5所示，螺旋形擴孔鉆頭形狀為狹長的錐體，外加工有螺旋形的切削刃，類似于錐形螺紋體。此類鉆頭屬于擠土式原理，很容易吃入巖土，所需扭矩大，在十分干硬的粘土或緊密砂土中擴孔時，阻力問題尤其突出。但該鉆頭切削、擠壓樹根、碎石類障礙時，優勢明顯，通過障礙能力強。在中、軟土層中擴孔后，孔成型好，清孔工作量小，鋪管阻力小。

2．4  凹槽狀擴孔鉆頭

       如圖6所示，凹槽狀擴孔器是一種表面有螺旋形凹形水槽的錐體，具有點或線狀分布的切削刃。雖然它具有螺旋形擴孔鉆頭的特征，但不象螺扣一樣易吃入地層，擴孔阻力相對較小。此類鉆頭特別適合于在砂層和含有石塊的緊密砂層中應用。它具有擠壓和切削的雙重功能，擴孔后成型好，壽命長，而且實踐也證明，此類擴孔鉆頭在許多不良地層中應用效果良好。凹槽的流線形設計使泥漿易于流動、冷卻和鉆頭體自潔。但是它在高粘性的土層中使用時易產生泥包現象，鉆頭成泥包球體，擴孔效率極低，另外鉆頭加工成本相對較高。

2．5 牙輪式擴孔鉆頭

       如圖7所示，此鉆頭由心軸、牙輪托架和牙輪掌等組成。牙輪工作時，既圍繞心軸公轉，又自轉，牙輪體內設計有專門的水道用以冷卻鉆頭，該類型鉆頭設計用來克取硬、脆、碎巖石或強風化～半風化的巖層。鉆頭結構復雜，成本高。擴孔時，一般要求采取強規程參數，即大軸載、大泵量和適當轉速。

2．6 桿狀擴孔鉆頭

       如圖8所示，桿狀擴孔鉆頭由心軸和在空間交錯的桿狀切割體組成。此類鉆頭在硬土層、粘土中特別適用，它具有良好的切割和混合能力，所需擴孔阻力小，具有攪松土層的作用，擴孔后需要專門的清孔工作。鉆頭體制作容易，成本低，但強度相對較低。 

2．7 雙向紡錘形擴孔鉆頭                          

如圖9所示，鉆頭為紡錘流線形結構，外形象一個大型打蛋器，重量小，具有極佳的漿土混合能力，泥漿在鉆頭體外流動自如，鉆頭自潔能力強，適合于在粘土等軟地層中使用。但壽命低，在巖石或磨蝕地層中也不太適用。 

2．8  粗徑鉆具形擴孔鉆頭

如圖10所示，該擴孔鉆頭外形象鉆探工具中的帶異徑接頭的巖心管，但底部封閉，這是我們在實踐中設計并已經大量成功應用的擴孔鉆頭。該鉆頭適用于在較小口徑的粉質土或粉質粘土層中應用，鉆具的前部分布有切削刃和向前噴射的水眼，在反向擴孔過程中，此鉆具的沖洗液反向水平射流而不是周向射流，有利于保護孔壁，并且后續的粗徑鉆具在回轉拖動過程中擠壓、搪平孔壁，使孔壁光滑密實，有利于鋪管，在較小口徑的鋪管工藝中，可采取一次性的擴孔并鋪管，簡化了工藝，鉆孔成型好，鋪管阻力小。                                                                     

2．9 環刀型擴孔鉆頭

如圖11所示，環刀型擴孔鉆頭由心軸、環刀以及加筋板三部分組成。擴孔時，薄片形的環刀在軸向拉力的作用下把土體切割下來，形成鉆孔。環刀長度200mm－450mm，根據孔徑大小、設備拉力來確定。加筋板主要用來傳遞切力和保證鉆頭的力學強度，數量3－5個。該鉆頭制作簡單，在軟土地層中切割效果好，一般不旋轉，在鉆機動力頭或卷揚機的拉力下形成孔的直度好，具有很好的修孔能力。切割土體速度快，鉆頭內部加入阻礙物可以直接用來清孔。另外在事先經過水浸泡、軟化的硬土層也可應用，鉆頭過障礙能力強，能通過鉆頭自身的變形來越過障礙，不至于卡鉆。 

3  結論

    在保障擴孔質量的前提下，如何快速、有效地擴孔已成為非開挖工程師關注的問題?？梢哉f如何合理地選擇和設計擴孔鉆頭是問題的關鍵。如果擴孔工序不順，鋪管難度則大大增加，甚至造成路面垮塌等事故。

以上幾種典型結構的擴孔鉆頭都有不同的地層適應性，我們在選擇擴孔鉆頭時，應根據土層情況、設備功率配備、擴孔直徑、長度以及孔內沖洗液狀況來進行靈活選擇。因地制宜地選擇結構合理的鉆頭不僅能快速高質量擴孔，而且能修正、清潔鉆孔，達到減小鋪管阻力目的

定向鉆孔牽引高密度聚乙烯管材在市政管道工程中的應用

引言

近年來，隨著城市化戰略的實施，城市規模的擴大，城市建設標準不斷提高，越來越多的市政管線需要埋入城市各級道路下。如果采用傳統的全面開挖方法，不僅耗資巨大，且對城市交通及環境帶來不良影響，這就使得許多城市老的管線無法改造，新的管線無法實施，極大影響了市政配套設施建設的進度。而高密度聚乙烯管材定向鉆孔拉管技術很好解決了這一問題。高密度聚乙烯管內壁光滑、耐腐蝕、柔韌性好、材質延伸率大，并且可以焊接成長管，非常適合做定向鉆孔拉管工程。采用高密度聚乙烯管定向鉆孔拉管正成為解決老城區及不允許開挖地區市政管道建設的*佳方案之一。

1        PE管的發展歷程

聚乙烯管是一種具有平滑內壁的新型塑料管材，于20世紀80年代初在德國首先研制成功，經過近二十年的發展和完善，已經由單一的品種發展到完整的產品系列，目前在生產工藝和使用技術上已經十分成熟。由于其優異的性能和相對經濟的造價，在歐美等發達國家已經得到了極大的推廣和應用。

聚乙烯管按其制作材質密度的不同分為高密度聚乙烯管（HDPE)）、中密度聚乙烯管（MDPE）和低密度聚乙烯管（LDPE）；根據管壁結構的不同可分為實壁管、結構壁管（雙壁波紋管和纏繞增強管）三種類型。HDPE管具有較高的強度和剛度；MDPE管除了有HDPE管的耐壓強度外，還具有良好的柔性和抗蠕變性能；LDPE管的柔性、伸長率、耐沖擊性能較好，尤其是耐化學穩定性和抗高頻絕緣性能良好。在國外HDPE和MDPE管被廣泛作為城市燃氣管道、城市供水管道。目前，國內的HDPE管和MDPE管主要用作城市燃氣管道，少量用作城市供水管道，LDPE管大量作為農用排灌管道。

考慮到定向鉆孔拉管對管道強度的特殊要求，目前國內牽引管主要采用高密度聚乙烯實壁管，個別非壓力管道也可考慮采用高密度纏繞增強管。

2        定向鉆孔拉管簡介

定向鉆進是一種無需挖掘工作井，就能夠快速鋪裝地下管線的鉆進方法。它的主要特點是，可根據預先設計的鋪管路，驅動裝有楔形鉆頭的鉆桿從地面鉆入，再按照預定的方向繞過地下障礙，直至抵達目的地；然后，卸下鉆頭換裝適當尺寸和特殊類型的回程擴孔器，使之能夠在拉回鉆桿的同時將鉆孔擴大至所需直徑，并將需要鋪裝的管線同時返程牽回鉆孔入口處以保證新的鋪裝管線不會由于空間不足或鉆屑的磨擦而受到損壞。

定向鉆進法的優點：

（1）不必挖掘工作井，可鋪裝直徑為100mm～1000mm的各種材質管線。
（2）具有*大扭矩和獨特設計的鉆進系統可對付絕大多數地質。
（3）特殊設計的楔形鉆頭可隨時調整鉆進方向的，繞避障礙。
（4）導向定位系統可測至30.5m深度，確保施工路線準確無誤。
（5）施工快速，一次鉆進*長可達600米的距離。
（6）適予鋪裝各種不同材質的非開挖工程管線，尤其是HDPE實壁管。

定向鉆孔與頂管工藝的比較如下：

定向鉆孔牽引HDPE管在我國的應用起步較晚，但推廣應用較為迅速，已經在許多市政給、排水工程中得到了應用。由于定向鉆孔牽引HDPE管是新型技術，雖然中國非開挖技術協會編制的《水平定向鉆進管線鋪設工程技術規范》（CSTT）對施工技術質量標準提出了基本要求，但各地在使用過程中仍出現過一些問題，因而有必要結合具體工程對定向鉆孔牽引HDPE管的有關問題做一些探討。

3        工程實例

余姚市城區污水收集系統一期（中段）工程是余姚市重點工程，其中東6#泵站位于姚江南側，設計規模為9.0萬噸/日。城區南片污水匯集至該泵站提升后，采用2×DN800管道以壓力倒虹管形式向北穿越姚江至東連接線d1500污水重力流管，其中穿越姚江段長度為250m左右。穿越姚江段無法圍堰大開挖施工，需采用非開挖方式。經以下幾方面因素比較后，設計選用了SDR21 PE80 HDPE實壁管定向鉆孔牽引施工穿越姚江。

（1）從施工方式來說，若采用泥水平衡法頂管施工，由于姚江較深，兩岸土質為含水率很高的淤泥質土，地基承載力不到4t。為滿足頂管頂進時后備力要求，沉井平面尺寸較大。經計算至少需設置鋼筋混凝土6×6×9m工作井， 4×4×9米接收井各一座，施工周期較長，投資也較高。

（2）從管道防腐來說，由于污水水質情況復雜，即使鋼管內外防腐做的再好，使用壽命也不樂觀。由于頂管時外摩擦會破壞防腐，無法單獨采用鋼管頂進，需事先頂進鋼筋混凝土管作為外套管，相應增加了工程投資。

（3）從給排水工藝角度來說，采用HDPE管道后管道摩阻變小，相同管徑、相同流量時沿途阻力變小，節省污水泵站電費。

（4）從工程投資來說，相同管徑時HDPE管道施工單價*高，但考慮施工費用、運行費用及工程壽命后，反而具有一定優勢。

整個管道施工過程較為順利，到目前為止二根管道已經順利完成。

4        設計、施工時需注意問題

（1） HDPE管材選擇

HDPE實壁管按材質分為PE80、PE100管；按壁厚分為6個等級，為SDR33～SDR11，每級的壁厚（T）為管道外徑（D）/壁厚等級；相應的壓力等級為0.4～1.25Mpa（PE80）,0.5～1.6Mpa（PE100）?！端蕉ㄏ蜚@進管線鋪設工程技術規范》推薦HDPE管牽引時D/T值≤11，即至少且只能采用SDR11等級HDPE實壁管，而根據設計院設計經驗，一般地質條件下，埋設深度不超過7m，按照給水壓力管道設計內壓等級選擇HDPE管后（SDR21級以上），一般都能順利牽引施工完成，無需采用*高等級壁厚管材。

HDPE纏繞結構壁管材不承內壓，根據壁厚強度分為SN4、SN8、SN12三個等級，一般用于重力流排水管開挖施工。由于其外壁較為光滑，也可可用于污水重力管定向鉆牽引施工。由于該種管材雙重壁構造，管壁為“工”字型構造，牽引施工時管壁抗拉強度需進行仔細計算，且牽引施工時管節熱融處結構需進行加強。這種管材一般用于小管徑、短距離的重力流管道牽引或作為電力、電信等管線外部套管。

（2）施工機械選用

定向鉆孔鉆機可大致分為兩類：地表發射的和坑內發射的。地表發射鉆機通常為履帶式，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。如果要求在地下相同深度連接其它管線，則可能會造成新管的開頭幾米廢棄?？觾劝l射鉆機在鉆孔的兩端都需要挖坑，但可在空間受限的地方操作。

定向鉆孔鉆機的施工能力主要以實際回拖力及鉆桿長度來確定，以美國威猛公司生產的產品為例，型號從D300×500～D7×11a，*大回拖力從135t～3.5t，鉆桿長度從9.1m～1.8m。不同回拖力及鉆桿材質的鉆機價格差異非常大，相應施工能力、施工質量差異也較大。此外，控向系統、地下管線探測儀等附屬設備的好壞也對工程質量影響很大。建設單位需根據具體工程地質、管道材質、管徑、一次拖拉長度及施工精度要求對施工單位機械進行仔細評估。

（3）施工工藝方法

牽引施工的一般工藝流程圖如下：

鉆孔曲線設計－測量定位－鉆機就位－試鉆－導向孔施工－管道焊接－導向孔回擴－（導向孔二次回擴）－回拖管道－（檢查井制作、管道試壓）－清理退場。

鉆孔曲線設計無詳細設計規范，一般根據鉆機附帶軟件設計，主要是管道入、出土角及導向孔曲線設計，入、出土角一般為8～20°，該角度受牽引管道管徑、管壁強度控制?？赏ㄟ^挖掘工作坑降低導向孔曲線相對標高來降低入、出土角。

測量定位目的是盡量避開現有地下管道及構筑物，若與地下障礙物無法避免交錯，該處必須進行大開挖施工。

導向孔施工時需控制鉆孔精度，尤其是對污水重力流管這種對標高很敏感的管道。一般來說均質粘土地層*容易鉆進；砂土層要難一些，尤其是其位于地下水位之下或沒有自穩能力時；礫石層中鉆進會加速鉆頭的磨損；對于鉆進巖石或堅硬夾層，需采用帶沖擊作用或泥漿馬達的鉆頭。

擴孔器大多為子彈頭形狀，上面安裝有碳化鎢合金齒和噴嘴。擴孔器的后部有一個旋轉接頭與工作管的拉頭相連。在復雜地層條件下、或孔徑需增加很大時，可采用多級擴孔的方法將孔徑逐步擴大，以降低施工難度。由于回擴孔徑為設計管徑的1.2～1.5倍，對重力流污水管來說縱向誤差較大，因此一般情況下要求盡可能減小回擴孔徑。有經驗的施工隊伍可根據施工地質、泥漿配比情況事先對管道施工標高進行適當調整，以滿足設計標高要求。

用于HDPE管的管道回拖拉頭包括壓力密封式拉頭和專用于定向鉆進的改進型拉頭。定向鉆進拉頭的一個作用是防止鉆進液或碎屑進入工作管道，這對必須無毒的飲用水管特別重要。

  HDPE管熱融連接時冷卻時間較長，管徑DN300～DN1000之間時*小熱融通電時間為700s～1000s。為防止回擴好的孔變形，無法像頂管施工那樣一邊頂進、一邊連接。需事先連接好后，一次拖進，一般*多分為2～3段。這就對施工場地及施工安排提出較高要求，尤其是在城區繁華路段施工時。

（4）其它注意事項

目前大多數定向鉆孔施工單位有較強的專業性，只在定向鉆孔牽引管道方面具有技術優勢，而管道牽引施工中經常會遇到路面開挖，污水檢查井、閥門井等管道附屬構筑物建設等問題。當開挖面較深、地質較差時，由于需要專門的支護設備及施工經驗，許多定向鉆施工企業往往力不從心。若工程實施中可能會遇到此類問題，需事先做好相應的技術方案。

5        結束語

總之，定向鉆孔牽引HDPE管作為一種新型的非開挖施工方式，有其獨特的優越性，代表了未來市政管道非開挖施工技術的發展方向。當然，新事物的出現也需要一個逐步認識的過程，相信這一過程不會太久。

鉆進、掘進泥漿及泥漿處理設備

       問題可能出在它的名字上——“泥漿”，聽起來既不吸引人，也不科學，而且讓人覺得很臟。只有那些十九世紀七十年代英國流行樂隊的追隨者對它充滿熱情。泥漿不但是灰姑娘，而且為了防止它弄臟地毯，也從來不允許它參加舞會。

        鉆進液”聽起來更加高深。盡管查米王子對它可能沒什么印象，但這個名字更吸引鉆進承包商。這是一個非常好的主意，因為很多可以避免的問題是由不適當的鉆進、潤滑、孔壁穩固和循環液產生的，而且即使是很好的鉆進機械也可能產生這樣的問題。

鉆進液作為一種工程產品，具有多種作用。它可以冷卻鉆頭或者切削頭、探測器以及其它孔底導向裝置，防止它們過熱。它也可以將處于懸浮狀態的巖屑排出，并循環利用。很多情況下，鉆進液可以在安裝套管之前穩定孔壁。在采用微型隧道施工方法時，鉆進液可以平衡地下水壓力，為掘進機創造*優的鉆進條件。在定向鉆進中，鉆進液可以在鉆導向孔和回拖時穩定鉆孔，并且有助于減少土層隆起、收縮以及在管線拉入時的阻力。

在頂管、微型隧道和定向鉆進施工中，要克服的主要阻力是管道和周圍土體之間的摩擦力。較高的頂進和回拖力會降低工作效率，同時可能造成管道的破壞。而鉆進液的一個基本作用就是潤滑作用。在簡單的導向孔施工中，用水就足夠了，但是對于其它情況，經常使用膨潤土、天然或者合成的復合鉆進液。每項具體工作中，使鉆進液適應地層條件和設備條件是非常重要的。

循環使用鉆進液排出巖屑，不但可以減小鉆進液自身的用量和成本，而且可以盡量減少添加劑的用量。特別是在世界不同地區，隨著垃圾場垃圾傾倒環境費用逐漸增加時，這一點變得更為重要。

很多鉆進和掘進機械制造商也提供鉆進液和鉆進液處理設備，并且在這個領域里有一些專業公司。下面是對當前使用的鉆進液材料和系統做一個簡單的回顧。

1  美國奧格公司

美國奧格公司首推具有世界級標準的鉆進液混合、凈化、泵送和循環的MCM-9000和P-600系統。

MCM-9000型鉆進液凈化系統有3個用于清理和混合鉆進液，總容量為9000加侖的大水箱。這個高載荷的設備可以凈化、處理多達1200 gal/min（4540 l/min）的鉆進液，并且可以適用于流速高達600 gal/min（2271 l/min）的泥漿泵。MCM-9000帶有兩個的振動過濾器進行**次過濾，同時附帶兩個27 ft³的除砂器和沉淀池。設備的所有控制器都易于操作，并且夜間操作燈是標準設備。該系統同時包括一個1500 lb/in²的沖洗系統可以在工作結束后清洗系統。

P-600系統自備一個LEWCO—446泵，可以產生600 gal/min（2271 l/min）的泵量?？刂破鞑僮骱唵?，如果需要可以安裝在鉆機控制臺上。

來自美國奧格公司的MCM-9000和P-600系統能夠很好的獨立工作或者作為整體一起工作，它能提供所有你所需要的泥漿，甚至大型鉆進工程的泥漿。

2  BAROID公司

Baroid 公司提供一系列用于潤滑和破碎的鉆進液。鉆進液通過外水口射入鉆孔。水口數量取決于設備長度，直徑和土體條件。用于破碎土體的循環液也可以調節土體性能。具有這種性質的鉆進液與用于水平和垂直孔施工中的其它鉆進液比較相似。

一般來說有用于鉆掘工程三種類型的鉆進液。首先，是根據具體土體條件為了提高鉆進液特定性質而配有多種添加劑的膨潤土鉆進液。Bariod IDP 提供了這類膨潤土鉆進液，包括Bore-Gel、Quik-Gel、Tunnel-Gel和Aquagel。鉆進液添加劑可以添加到膨潤土鉆進液中以提高鉆進液的特定性質。這些添加劑包括Qui-TrolLV和Filter-Chek（漏失控制劑），N-Seal（隔水材料），Dinomul（漏失減少劑）和例如Con Del、Penetrol這樣的潤濕劑。

第二種類型是聚合物泥漿，由天然或人造聚合物組成。Baroid IDP同樣提供例如EZ-Mud（液態PHPA乳狀液）、Poly-Bore（固態PHPA）、Quik-Trol（多陰離子纖維素）的聚合物。

第三種類型是由多種表面活性劑混合而成的泡沫材料。Bariod IDP 提供例如為鉆進工程使用的Quik-Foam和Barafoam泡沫鉆進液材料

3  溝神公司

FM50型系統是由溝神公司生產的*大標準鉆進液處理系統。該設備由20kW的發電機提供動力，發動機則由一個50 hp（37kW）的Kubota柴油機驅動，可以根據客戶的需要產生50或60Hz的電流。為減少噪音，發動機帶有消音外殼使噪音在一般工作時為79分貝，在全速工作時為100分貝。

輔助電源插座可以用來為電池充電，驅動加熱器，提供照明和運行其它電器而不需要分開使用發電機。改進后的電機結構使系統維持較低的燃料消耗量，從而使系統高速運行持續8小時，低速運行持續14小時。

該系統配有兩個1000加侖（3786L）的攪拌水箱。獨立驅動的攪拌/轉換泵可以同時進行攪拌，轉換和輸送鉆進液到定向鉆機。這種電力轉換泵消除了液壓油泄漏的隱患從而使它在環境上更加安全。雙水箱系統可在30秒內添加一袋50lb（23kg）的固體添加劑。在工作同時，每個水箱可以在6到8分鐘之內攪拌1000加侖（3786L）粘度為42的鉆進液。

該系統配有兩個攪拌站，每個攪拌站都帶有一個漏斗用來倒入固體鉆進液添加劑和其它鉆進液添加劑及加強劑。方便的清洗部件可以很容易的清洗漏斗，并且可以很快的抽取鉆進液樣本進行檢測。

可以改變水箱、電機和漏斗的結構以便安裝在拖車和卡車上。為了減小噪音，動力站可以安裝在距離攪拌站較遠的地方，同時可以減少外部原料進入發電機中。

4  KEM-TRON公司

Kem-Tron技術有限公司是一家具有ISO9001認證的公司，其主要設計并制造所有非開挖技術領域內的泥漿循環系統。Kem-Tron循環設備利用hi-G型直線運動振動器和水力旋流器可以清除*小10微米的砂土，也可以利用沉降式離心機清除2微米的膠態粘土，并且利用脫水設備可以清除100%的固體。該公司的泵量從62到2000 gal/min（245到7570 l/min）所有系統都非常簡單、容易操作。

Kem-Tron公司的1000 gal/min型循環系統有三種類型。這三種類型都在獲專利的直線運動泥漿振動器/泥漿凈化器內裝有162 ft² (15m²)的過濾部分，都有兩個直徑12ft的泥漿除砂水利旋流器，12個直徑5ft的沉淀水力旋流器和至少3個離心泵。為使泵不斷運轉防止不必要的磨損，它們也具有特殊的設計。

Tango 1000S系統是一個25/30 ft的臺架式循環系統，帶有一個分離式20 ft的攪拌架和一個可選擇的帶有三缸泵的臺架。循環系統配有一個3000加侖的水箱，攪拌水箱可以攪拌5000加侖鉆進液。

Tango 1000T系統由循環、攪拌和泥漿泵組成一個長56 ft的三輪軸拖車。該系統同時具有泥漿測試實驗室和高壓低容量的過濾器清洗器。系統總容量為5500加侖。

Tango 1000TD系統也是一個拖車型系統。與三缸泵不同的是，該系統包括一個脫水系統或為完全清除固體而利用化學方法改善的離心沉降機。這種緊湊的循環系統達到了零液體排放要求，從而消除了昂貴鉆進液浪費的現象。在鉆進中，當要求稀釋泥漿或是在工程結束后將泥漿轉化為有固體時，可以對鉆進液進行凈化。在非開挖技術領域脫水技術正吸引更多的目光。

除了大型系統，Kem-Tron公司也為小型工程提供了一系列的小型循環設備。Simon Mini每分鐘可以凈化65或130加侖鉆進液，而其臺架大小只有5.5×6 ft（1.68×1.85m）。

5  PARCHEM/M-I HDD 公司

Parchem/M-I HDD公司在北美大陸幫助客戶克服*不利于鉆進的鉆進條件，并有了很長距離鉆進記錄。

一般情況下，這些工程都是在具有重巖屑的沙層、砂礫層、卵礫石層和巖層條件下進行。同時在作為鉆進液的基本作用里，對于任何膨潤土泥漿都存在著一個主要問題，即泥漿對巖屑的懸浮作用。而泥漿對巖屑的懸浮作用又是清孔的首要作用。

來自Parchem/M-I HDD公司的Drill-Plex HDD系統在流變學上作了修改，從而提高了膨潤土泥漿的懸浮作用，成功的清除了較重的巖屑。

應用Drill-Plex HDD系統的工程有：在紐約布法羅Niagra河的兩個大型穿越工程。合同商正在經歷沉淀物問題，導致施工停止時間高達12 h/day。隨后引進了Parchem/M-I HDD公司的 Drill-Plex HDD。停機后的第二天，重新開泵，懸浮的砂礫立即流進了泥漿處理系統。與不斷循環不同，鉆孔只在每天早上（幾個小時）進行清除沉淀物的工作，然后繼續進行鉆進。這為整個工程節省了時間。

另一個工程是密蘇里州路易斯的Merrimac河。當Parchem/M-I HDD到達時合同商已經處于困境之中。沒有泥漿上返，又沒有導向孔。MI因此引進Drill-Plex HDD方法，泥漿上返/循環得到了重新建立，10天之后，合同商可以進行回拖管線施工。因此Drill-Plex HDD取得了成功。

6  PIGOTT SHAFT DRILLING（PSD）公司

Pigoot Shaft Drilling Limited（PSD）是英國固體分離方面的專業公司，近來在香港九龍為一個直徑5.15 m的隧道攪拌并凈化泥漿。這項合同的承包商是China Harbour Transfield Joint Venture（CHTJV）。PSD的設備于2002年6月在香港組裝，包括一個4級分離站，可以為Herrenknecht隧道掘進機（TBM）提供高達750 m³/hr的泥漿。

在具有PSD工作經驗的專家推薦下， 2001年4月CHTJV與PSD進行了洽談，比較了幾家國際公司后CHTJV選中了PSD。

掘進穿越了多種地層，包括不同風化程度的花崗巖層、沖積層和填土層。在工程的不同階段，巖屑粒徑比較單一，這樣全部巖屑可以只用一級設備分離。如果TBM產生較大粒徑的巖屑，則可由初級振動器處理。當巖屑主要是粗砂時，由二級設備進行分離，三級設備做輔助。中細砂可由三級設備進行處理，細顆粒則由離心分離機和絮凝物清除。

PSD的設備都是標準件，可以根據工程要求進行不同的機械組裝。對于九龍工程而言，泥漿處理設備主要由PSD現有的設備提供，包括一個清除巖塊的DD800雙板一級振動器，一個Solidmaster800設備，在4.8 m×1.8 m脫水篩上裝有兩個直徑660 mm的水力旋流器，兩個Solidmaster400設備，每個都在4.8m×1.8m脫水篩上裝有16個高性能5 in的水力旋流器。

此外PSD還有一個絮凝劑攪拌、定量給料裝置，配有振動攪拌器、儲水箱、兩個PP65 蠕動泵。裝有兩臺大容量的S4DP離心機，每臺配兩臺PP100蠕動給料泵、一個膨潤土處理及攪拌系統、料斗和 Supraton 高速剪切攪拌器。配有三個循環水箱以儲存鉆進液，每個容量為125 m³。輔助設備包括固體清除運輸機、樓梯和一個空調控制箱。

PSD將在現場呆12-15個月，這期間將由當地經過專業訓練的工人操作設備，PSD監督人員進行監督。

在香港，這不是**項PSD工程。在1998-2000年間，PSD為中部、西部和Wan Chai西干線污水管道工程提供了Gammon Kvaerner和泥漿凈化設備。PSD公司剛為Complant and Fine 工程有限公司完成一項工程，使用的是 Herrenknecht 1800 噸隧道掘進機。開挖了兩條直徑1.8 m的隧道，每條長420 m，穿越硬巖，以便鋪設132 kV的電纜。PSD還在英國和愛爾蘭承擔掘進、定向鉆進和地下連續墻工程。

7  托爾薩鉆進設備公司

自30年前首次引進水平導向鉆進以來，托爾薩鉆進設備公司一直進行泥漿處理設備的研制，制造了一系列泥漿處理系統：泥漿攪拌、循環、攪拌循環和泵送生產。

托爾薩鉆進設備的泥漿處理系統的凈化容量*小為MCS100的50 gal/min，*大為MCS750的1500 gal/min。水箱容量為500-8000加侖。根據客戶要求，可在拖車或臺架上選擇安裝這些系統。除了泥漿控制設備，托爾薩鉆進設備也生產雙板和三板線性振動器，可安裝到公司生產的設備上。實踐證明它是泥漿凈化工程中*有效的部件。

托爾薩鉆進設備公司還生產真空挖掘系統，包括容量為950加侖的TV-950系統。TV-950系統的工作效率為850 ft³/min，它還包括一個單獨的濕式噴嘴以便于維護。鉆孔時，該系統在3500 lb/in² 上具有4 gal/min的能力，并且包括一個225加侖水箱和直徑3/8 50 ft的壓力水管。

托爾薩鉆進設備公司的一個子公司Tulsa Triplex生產五種不同模式的三軸泥漿泵，*大容量為100-762 gal/min。液體末端壓力達10000 lb/in²。三軸泵可以接在托爾薩鉆進設備的泥漿控制系統上，并且也適用于其他公司生產的設備。

另一個子公司Cross Tech Inc提供了一系列鉆進泥漿和添加劑，包括高屈服膨潤土泥漿、發泡劑、漏失循環材料和用于形成粘性的特殊聚合物

8  威猛公司

威猛制造公司生產了R300回收系統，以滿足水平定向鉆進（HDD）在需要回收鉆進液的鉆孔施工上對凈化鉆進液的要求。隨著中型水平定向鉆進硬巖工程和要求大直徑回拖擴孔工程的增加，通過減小泵耗、減少運輸費及在需要大量鉆進液工程中減小對環境的影響，R300可以提供更經濟的服務。

臺架式威猛 R300回收系統是唯一未申請專利的單箱鉆進液處理系統，固體清除*佳，對鉆進液零污染，可實現300 gal/min（1135 l/min）上返流速的水平定向鉆進。對水平定向鉆進，R300系統2300加侖（8706 l）單箱設計使水箱容量利用率達到100%。鉆進中可調（AWD）的卡片角狀混合器和可調重力使R300系統將鉆進液以300 gal/min（1135 l/min）流速上返到20微米的切削點，切削點使用三個水力旋流器，每個旋流器流速為100 gal/min（378 l/min）。

R300系統由電力驅動，使用三臺用于攪拌的大功率離心泵、水力旋流進料裝置和大泵量進料。使用*小為70 kW的小型發電機組驅動R300系統。R300系統可以在頻率為50 Hz或60Hz的電流下工作。攪拌料斗可容納4袋料，它將料送進同軸攪拌系統中，5個同軸噴嘴攪動2000加侖（7570 l）圓形箱內的原料?？蛇x用電動液壓泵將液體從折回點傳送到R300中。

9  WYO-BEN

Wyo-Ben公司開發了鉆進液產品和系統設備，以充分利用在定向鉆進和微型隧道技術中的投資。公司開發了一種簡單的三步工藝，可幫助鉆孔施工者在困難條件下完成鉆孔。**步是了解你的鉆進液；第二步是產生并保持粘性；第三步是控制鉆孔。利用這兩個產品以及良好的新補給液，Wyo-Ben公司可以在粘土到砂土之間的多種地層鉆進。

Tru-Bore是一種超濃縮膨潤土鉆進液，專為垂直和水平鉆孔工程中較難的鉆進施工設計。Tru-Bore可以迅速水化，只需一袋攪拌料，針對液體性質和不同地層而設計。這種材料能形成一層薄而硬的泥皮，減小對周圍地層的漏失，保持地層穩定性，這對順利完成施工極為重要。

使鉆進效率*大是成功的關鍵，而且鉆進液大量漏失到地層會引發一些鉆孔問題。鉆進液漏失越多，地層變得越脆弱，泥皮越厚。鉆進液中加入Wyo-Ben公司的Uni-Drill后可在粘土層形成泥皮以減小漏失、提高潤滑作用、增大屈服點并提高鉆孔穩定性。

傳統的膨潤土產品在海水和漏失性較差的綠坡縷石粘土中不起作用。這種情況下，Wyo-Ben提供了一種可以和海水混合的膨潤土材料SW101，它可在海水泥漿中充當粘度劑，液體漏失控制劑和普通鉆孔的調節劑

目前頂管所常見的幾種土質

1、淤泥質黏土：此種軟土的形成是在較弱的海浪岸流及潮汐的水動力作用下逐漸形成的。土的顏色多呈灰色或黑灰色，光潤油滑且有腐爛植物的氣味，多呈軟塑或半流塑狀態。其天然含水量很大，一般都大于30%，飽和度一般大于90%，液限一般在35-60%之間，軟土的天然重度較小，約在15-19KN/m3之間?？紫侗榷即笥?/span>1，因其天然含水量高、孔隙比大，就帶來了軟土地基變形大，強度低的特點。 
2、砂性土：由于曾受到海水的沖擊，部分地區沉積層含有海水所搬運的大量沉積物，其中主要為細砂及粉砂。由于含黏土的成分較少，我們可稱之為砂性土。砂性土的土顆粒較一般的黏土大，一般在20μ以上，土顆粒之間的凝聚力較小，呈單粒結構?？紫侗容^大，很容易在水動力的作用下產生流沙現象。 
3、黃土：凡以風力搬運沉積又沒有經過次生擾動的、無層理的黃色粉質、含碳酸鹽類并具有肉眼可見的、大孔的土狀沉積物成為黃土（也稱原生黃土），其它成因的、黃色的、又常具有層理和夾有砂、礫石層的土狀沉積物稱之為黃土狀土（也稱次生黃土）。 
4、強風化巖：強風化巖是指風化很強的巖石，此種土質的****結構已大部分破壞，礦物成分已顯著變化，含有大量黏土質黏土礦物。風化裂隙很發育，巖體被切割成碎塊，干時可用手折斷或捏碎，浸水或干濕交替時可較迅速地軟化或崩解。用鎬或鍬可挖掘，干鉆可鉆進。 
5、微風化及中風化巖：微風化巖是指巖質新鮮，表面稍有風化跡象的巖石，強度大于50Mpa，硬度很高的巖石。在此地層中頂進較困難，而且一般頂進距離超過100米時需要更換刀頭。中風化巖較軟，其****結構部分破壞。礦物成分發生變化，用鎬難挖掘。 
以上介紹了常見的幾種土質，從N值為3-40的土質都有。這就需要針對不同的土質情況選用不同類型的頂管掘進機。 
對于淤泥質黏土，由于其土質較軟，切削容易，因此我們可以選用以下所介紹的各種掘進機，對此我們先介紹多刀盤土壓平衡式頂管機。多刀盤土壓平衡頂管掘進機把通常的全斷面切削刀盤改成四個獨立的切削攪拌刀盤，所以它尤其適用于軟粘土層的頂管。如果在泥土倉中注入些粘土，它也能用于砂層的頂管。另外，由于此機采用了先進的土壓平衡原理，因此，采用此機進行頂管施工后，對地面及地下的建筑物、構造物、埋設物的影響較小。用它可以安全地穿越公路、鐵路、河川、房屋以及各種地下公用管線。其*小復土深度可以相當于一倍管外徑左右。從無數的施工實例證明，用此機進行頂管施工作業，不僅安全、可靠，而且施工進度快、效率高。與單刀盤土壓平衡掘進機相比，此機具有價格低廉、結構緊湊、操作容易、維修方便和質量輕等特點。另外，它排出的土可以是含水量很少的干土或含水量較多的泥漿。它與泥水式頂管施工相比，*大的特點是排出的土或泥漿一般都不需要再進行泥水分離等二次處理。施工占地小，對周圍環境污染也很少。它與手掘式及其他形式的頂管施工相比較，又具有適應土質范圍廣和不需要采用任何其他輔助施工手段的優點。如采用輸土泵的方式出土，頂進效率也很高，平均24小時可頂進15-20米。但是它的缺點也很明顯，由于不是全斷面切削，切削不到的部分只能通過擠壓進入機頭，因此迎面頂力較大，只適合于軟土地質情況下施工，如需穿越建筑物、構造物、埋設物等對地面沉降要求很小的情況可采用刀盤可伸縮式泥水平衡掘進機，此種機頭的刀盤是一個直徑比掘進機前殼體略小的具有一定剛度的圓盤。圓盤中還嵌有切削刀和刀架。刀盤和切削刀架之間可以同步伸縮，也可以單獨伸縮。而且，不論刀盤停在哪一個位置上，切削刀架都可以把刀盤的進泥口關閉。刀盤加壓裝置是安裝在主軸中的油缸，刀架伸縮油缸則安裝在刀盤加壓裝置的上方。刀盤可伸縮式掘進機的工作原理如下：刀盤前土壓力過小時，它就往前伸；刀盤前土壓力過大時，它就往后退。刀盤前伸時，應減小進泥口開度并加快推進速度；刀盤后退時，應加大進泥口開度并降低頂速。這樣，就可使刀盤前的土壓力控制在設定的范圍內。使用此種掘進機地面隆沉極小，優秀的操作人員可使地面隆沉控制在10mm以內。由于采用了泥水作為運輸介質，在頂進的過程中無需停頓出泥，因此它的頂速也很快，24小時可頂進20-30米。缺點也很明顯：由于進泥口開度限制，在含有直徑大于6cm礫石的土層中無法施工。 
對于易產生流沙現象的砂性土可根據其含水量及其標準貫入度選用不同類型的掘進機，當標準貫入度較小時可選用多刀盤土壓平衡式掘進機，當標準貫入度較大時，除多刀盤土壓平衡式掘進機以外的以上各種掘進機都適應此種土質。 
對于地質為黃土的情況下我們可采用單刀盤土壓平衡式掘進機和偏心破碎泥水式掘進機。單刀盤土壓平衡頂管掘進機有以下優點：1．適用的土質范圍非常廣。2．施工后地面沉降小。3．棄土的處理比較簡單。4?？稍趶屯翆觾H為管外徑0.8倍的淺土層中施工。5．有完善的土體改良系統和具有良好的土體改良功能。6．開口率達100％，土壓力更切合實際。 
對于地質為強風化巖的情況下我們可采用偏心破碎泥水式掘進機。此機種與普通泥水掘進機的*大不同點是其頭部。殼體內的泥土倉是一個前面大、后面小的喇叭口，喇叭口的內壁是用耐磨焊條堆焊的一圈環形焊縫。安裝在殼體泥土倉內的是一個前面小、后面大的錐體，錐上也堆有一環環形焊縫。切削刀呈輻條形焊接在該錐體上，且略微向前傾斜。刀盤的正面焊有堅固而且耐磨的切削刀頭，所有這些構成一個刀盤。這樣，在掘進機工作時，刀盤一邊旋轉切削土砂的同時還一邊作偏心運動把石塊軋碎。被軋碎的石塊只有比泥土倉與泥水倉聯接的間隙小才能進入掘進機的泥水倉，然后從排泥管中被排出。另外，由于刀盤運動過程中，泥水倉和泥土倉中的間隙也不斷的由*小變到*大這樣循環變化著，因此，它除了有軋碎小塊石頭的功能以外還始終能保證進水泵的泥水能通過此間隙到達泥土倉中，從而保證了掘進機不僅在砂土中，即使在黏土中也能正常工作。一般情況下，刀盤每分鐘能旋轉4--5轉，每當刀盤旋轉一圈時，偏心的軋碎動作達20-23次。由于此機型有以上這些特殊的構造，因此它的破碎能力是所有具有破碎功能的掘進機中*大的，破碎的*大粒徑可達掘進機直徑的40%--45%之間，破碎的卵石強度可達200Mpa。此機型的**個特點就是它幾乎是全土質的掘進機。它可以在N值從0--15的黏土，N值1--50的砂土以及N值10--50的礫石層等所有土質中使用，而且推進速度不會有太大的變化。它的第二個特點是破碎粒徑大，可達掘進機直徑的40%--45%之間。它的第三個特點是施工精度高，施工后的偏差極小。它的第四個特點是由于有偏心運動，進土的間隙又比較小，即使用清水作為進水，也能保持挖掘面的穩定。它的第五個特點是可以進行長距離頂進，也可用于曲率半徑比較小的曲線頂進。它的第六個特點是施工速度快，每分鐘可進尺100mm--180mm之間。它的第七個特點是結構緊湊、維修保養簡單、操作方便。無論在工作坑中安裝還是在接收井中拆除都很方便。 
如頂進管道軸線附近可能存在大的石塊，樁基礎等不明障礙物。我們采用排障方便、成本低廉的敞開式掘進機。地下水位較高的話可采取井點降水等輔助施工方法。另外，對于含水量較少并且N值大于18的黃土和強風化巖，也可采用敞開式掘進機頂進。敞開式掘進機在類似于農田對地面沉降要求不嚴格的情況下也可采用。此種機型的缺點是頂速慢、遇到流沙土層難以控制出土量，因此沉降也是大于以上幾種頂管掘機的。 
網格水沖式掘進機具有土壓式以及泥水式頂管機的優點，這種掘進機頭在遇到障礙物時工人可進入泥水倉排除障礙物，而且由于采用水力出泥，頂進速度也不受出泥速度的影響，因此當土質條件較好時是一種經濟實用的掘進機。但這種掘進機也有它的局限性，首先要求土質比較軟，土體的孔隙比要小，而且要求有足夠的清水作為水源，泥漿處理以及用電量都很大，使用成本較高。當遇到沙土層時，由于沙土的透水系數很大，用于平衡正面土壓力的氣壓很容易從沙土的間隙泄露，因此也就很難做到平衡，因此在沙土中頂進沉降很難控制。 
中風化巖以及弱風化巖條件下如果地下水含量較高就只能采用巖盤頂管機了。該機型的刀頭類似于牙輪鉆，可以在巖石中頂進，也是一種全土質的機型，但該機種的造價很高，而且目前在國內是一項空白。