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水平定向穿越工作原理及影响因素

前言

随着我国经济持续稳定地增长,城市化进程的进一步加快,我国的地下管线的需求量也在逐年增加。传统的燃气管道穿越道路、河流多采用开挖施工,施工中带来了交通阻塞、出行不便、城市绿化被毁等一系列问题。同时,城市基础设施的不断建设也使燃气等地下管线的施工将经常面临城区内河流、景观道路(或交通要道)及其它地上构筑物的影响。

HDD定向穿越工作原理及影响因素

非开挖技术能把施工对环境的影响减少到最小,而且当管线要通过重要道路、河流、集市时,非开挖技术就显得尤为重要。加之人们对环境保护意识的增强,顶管技术将在我国地下管线的施工中起到越来越重要的作用。非开挖技术的发展必将向规模化、规范化、国际化的方向发展。

HDD定向穿越工作原理及影响因素

一、HDD工作原理

  1. 1. 主要用途:

用于穿越公路、铁路、河流,湖泊,建筑物等障碍物铺设长距离的石油和通信线路管道。

  1. 适用范围: 

1.管径为50mm-800mm       2.管线一次性穿越可达1000m
3.管材为钢管,PE管       4.适应一般岩石层,土层

  1. 施工流程:

地质勘探、规划和设计钻孔轨迹、配制钻液、钻先导孔、回拉扩孔、回拉铺管。

  1. 施工原理:

定向钻进法是将石油工业的定向钻进技术和传统的管线施工方法结合在一起的一项施工新技术。

(1)定向钻穿越施工时,首先,钻机被安装在入土点一侧,从入土点开始,沿着设计好的线路,钻一条从入土点到出土点的曲线——作为预扩孔和回拖管线的引导曲线。

(2)在钻导向孔阶段,钻出的孔往往小于回拖管线的直径,为了使钻出的孔径达到回拖管线直径的1.5倍以上,需要用扩孔器从出土点开始向入土点将导向孔扩大至要求的直径。

(3)最后地下孔经过预扩孔,达到了回拖要求之后,将钻杆、扩孔器、回拖活节、被安装管线依次连接好,从出土点开始,一边扩孔一边将管线回拖至入土点为止。

HDD定向穿越工作原理及影响因素

HDD定向穿越工作原理及影响因素

非开挖定向钻机施工原理示意

  1. 5. 优缺点分析

5.1 施工优点:

  1. 可以避免开挖施工对城市居民正常生活的不良影响。定向穿越不会阻断交通,不影响商店、医院、学校和居民区等的正常生活和工作秩序。
  2. 减少施工给环境带来的污染(如粉尘,噪音等),有利于文明施工。
  3. 在开挖施工条件无法满足或政府明令禁止不允许开挖施工的场合,可用定向穿越技术从其下方穿越铺设,并可将管线设计在工程量最小的地点穿越。(如穿越河流、湖泊、重要的交通干线、高速、铁路等)
  4. 现代定向穿越技术可以高精度地控制地下管线的铺设方向、埋深。
  5. 定向穿越与其它施工方法比较,进出场地速度快,施工场地可以灵活调整,施工周期短,作业人员少,有较好的经济效益和社会效益。在可比性相同的情况下定向穿越管线铺设综合技术经济效益和社会效益均高于开挖施工。

所以,在大多数情况下,尤其是在繁华市区或管线的埋深较大时,定向穿越技术是最好的施工方法。

5.2 施工缺点:

  1. 技术本身的缺陷,当施工要求曲率半径过小或多种曲线组合在一起时,施工就非常困难。
  2. 推进过程中如果遇到体积过大的障碍物,而钻头又无法将其击碎时,处理这些障碍物则非常困难。若停机时间过长,则会造成已形成的“孔道”坍塌,导致施工失败,经济损失。
  3. 复杂的地质条件,及发达城市密集的地下综合管网都给定向穿越工程带来了潜在的风险和意想不到的困难。
  4. 在覆土较浅的条件下,定向穿越技术的经济效益较低。

二、地下、地质条件对定向穿越技术的影响及应对措施

1.地下条件对定向穿越技术的影响及应对措施

燃气管道施工是一种特殊的市政工程,同时具有较高的风险性,然而定向穿越技术在地下实施,也具备较高的风险。在市区定向钻施工中最担心的就是对该穿越路段地下已有管线的准确定位。因此,弄清地下已有管线的分布情况,精心设计钻孔轨迹,制订合理的工艺和技术措施显得尤为重要。

应对措施:

  1. 定向穿越施工设计时,必须向有关市政管理部门咨询、查询该穿越路段已有管线情况。
  2. 现场根据地上已有的标志请相关单位到现场指认各种管线的实际位置和提供竣工图纸等资料。
  3. 定向穿越前,施工单位必须通过相关物探测量该穿越路段已铺设的各种管线,并采用电子仪器实地探测和真空挖土来核实前期获得资料的准确性。
  4. 穿越轨迹的掌控,在定向钻导向完成后,有关人员(含施工方、监理方以及业主)一定要重新复核该穿越轨迹与原设计是否有偏差。

2.地质条件对定向穿越技术的影响及应对措施

2.1粘性土层

  1. 造成已钻“孔道”变形:粘性土层与周围地层没有严格的界限,由“孔道”的中心线向四周分布,为泥浆与钻屑混合的流塑状态物,在垂直于轴线方向上分布范围的大小,取决于泥浆压力与地层压力差以及地层的含水情况等,若泥浆压力过高,超过周围土体允许的剪力时,土体将发生变形,导致已形成的“孔道”变形;在钻头或切割刀通过后,粘性土体将产生一定程度的缩孔,也会导致已形成“孔道”变形;
  2. 造成已钻“孔道”塌方:粘性土层中存在大量的粘土矿物,例如蒙脱石粘土矿物的存在,其具有较强的吸水性,当孔壁周围粘土层接触到泥浆中的水分时,发生粘土的吸水、膨胀、分散,造成“孔道”周围结构不稳定,导致塌方;
  3. 粘性土层有一定的自造浆能力,使泥浆粘度增大,导致泥浆循环不畅、阻力增大而无法前行;

因此,要想满足管道顺利回拖的条件,关键是在扩孔时提高泥浆排量,尽量降低泥浆的失水量以及增强孔壁粘土的抗水敏感性,抑制粘土分散,控制适当的泥浆粘度和压力,增加扩孔次数、加大扩孔直径从而在尽量大的范围内构建“孔道”。

2.2沙质土层

沙质土层、泥页岩松散的结构难以使“孔道”保持稳定的状态。因此,需要在泥浆中添加膨润土和长链聚合物,防止泥浆漏失,提高泥浆排量,对孔壁产生压力,稳定孔壁,防止塌孔、地陷。并且泥浆要能消除地层沉淀吸附力,且性能稳定,不易被土和地下水稀释,防止埋钻、卡钻、埋管事故发生。同时,要求泥浆能够减小沙质地层的摩阻力,降低钻进扩孔扭矩和回拖力,使铺管作业顺畅。

2.3硬质岩石层
  定向钻钻进、扩孔时也经常遇到坚硬的岩石,就定向钻而言,此类岩石坚硬、摩阻大,钻进时破碎岩石所需能耗大,使得作业时间增加、钻头磨损严重,但此类岩层下形成的“孔道”相对稳定。

在我国经济高速增长的支持下,顶管技术的发展将面临前所未有的机遇。在加快引进国外先进技术的基本上,努力消化创新,加强研发和人才培养,目前我国已成立北京、上海、广州和武汉四个非开挖技术研究中心,我国国际非开挖技术协会单位会员已突破100个。形成了行业协会、科研单位、研究中心和设备生产及施工企业组成的强大的阵营,而且每年不断有很多人加入从事顶管等非开挖工作的行列,我国的顶管技术的必将迎来一个崭新的阶段。