水平定向鉆機是在不開(kāi)挖地表面的條件下，鋪設多種地下公用設施(管道、電纜等)的一種施工機械，它廣泛應用于供水、電力、電訊、天然氣、煤氣、石油等管線(xiàn)鋪設施工中，它適用于沙土、粘土、 卵石等地況，我國大部分非硬巖地區都可施工。工作環(huán)境溫度為-15℃~45℃。水平定向鉆進(jìn)技術(shù)是將石油工業(yè)的定向鉆進(jìn)技術(shù)和傳統的管線(xiàn)施工方法結合在一起的一項施工新技術(shù)，它具有施工速度快、施工精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于供水、煤氣、電力、電訊、天然氣、石油等管線(xiàn)鋪設施工工程中。

水平定向鉆穿越施工流程如下：

①測量放線(xiàn)→ ②場(chǎng)地平整及便道修筑→ ③設備搬遷、井場(chǎng)布置→④系統安裝、調試→ ⑤磁方位測量→ ⑥試鉆→ ⑦鉆導向孔→ ⑧九級預擴孔+一次清孔→ ⑨管道回拖→ ⑩設備撤場(chǎng)→⑾地貌恢復、泥漿處理

1、測量放線(xiàn)

工程施工前約請設計人員進(jìn)行設計交底，并現場(chǎng)交樁。施工隊根據設計資料和設計人員所交的控制樁等進(jìn)行復測，并設置可供控制和復查的標志樁、入土點(diǎn)樁、出土點(diǎn)樁和穿越中心線(xiàn)樁每邊各2個(gè)。設置的各種樁標識明顯記號予以保護，避免被人為破壞。

復測用的測量?jì)x器為全站儀，在施工前必須經(jīng)過(guò)法定計量單位校驗合格且在有效期內，方能投入使用。

根據施工場(chǎng)地的具體情況，靈活調整出、入土點(diǎn)作業(yè)區的面積和設備的安裝空間，以安全、夠用、經(jīng)濟為原則。其中入土側作業(yè)區位置邊緣為距大橋邊34米，以變更后入土點(diǎn)位置前20米，后至連接輔道，且入土點(diǎn)前側和所需穿越排污渠之間農田地整體需要全部征用。

2、場(chǎng)地平整及便道修筑

施工前施工現場(chǎng)需要達到“三通一平”的條件：路通、水通、電通和作業(yè)區平整。

施工用電由施工單位自帶發(fā)電機發(fā)電；施工用水在施工現場(chǎng)附近解決；生活用水、用電可以在租用民房附近解決。

2.1 入土點(diǎn)進(jìn)、出場(chǎng)道路和作業(yè)場(chǎng)修筑

入土點(diǎn)地貌：

穿越設備進(jìn)入入土點(diǎn)施工現場(chǎng)需修筑施工便道長(cháng)100m，寬5m。具體做法為：

第一步：用履帶挖掘機將便道平整后，在便道上鋪設寬4m的鋼管排。

第二步：用標記樁將入土點(diǎn)作業(yè)區放線(xiàn)標識，挖掘機配合人工清理作業(yè)區中的障礙物并開(kāi)挖泥漿池。

第三步：用挖掘機將作業(yè)區平整、壓實(shí)，并在除進(jìn)口以外的其他作業(yè)區邊界上安裝警示帶，在進(jìn)口醒目處和其他有安全隱患的部位安裝安全警示標識。

第四步：在除泥漿池和地錨坑之外的地方全部鋪墊管排。

在非所占用作業(yè)區的場(chǎng)地位置需要占用部分位置用于車(chē)輛進(jìn)出。

2.2 出土點(diǎn)進(jìn)、出場(chǎng)道路和作業(yè)場(chǎng)修筑

出土點(diǎn)地貌：

根據現場(chǎng)實(shí)際情況穿越管道焊接完成后，需要將在原綠化項目部所屬位置的管道下溝墊管排便于穿越設備進(jìn)入出土點(diǎn)施工現場(chǎng)，并修筑施工便道長(cháng)100m，寬5m。出土點(diǎn)穿越施工作業(yè)區場(chǎng)地尺寸為以出土點(diǎn)為中心前20米向后盡量使用焊接施工作業(yè)帶。

在除泥漿池之外的地方局部鋪墊土管排，用于放置鉆桿和出土點(diǎn)設備。

（泥漿池）

3、設備搬遷、井場(chǎng)布置

為保證設備安裝順利進(jìn)行，防止設備因作業(yè)場(chǎng)地限制而發(fā)生擁擠現場(chǎng)。設備進(jìn)場(chǎng)安裝應按照先后順序進(jìn)行。設備進(jìn)場(chǎng)安裝順利為：鉆機安裝 →鉆機操作控制室安裝→泥漿系統安裝→ 泥漿泵安裝→鉆桿擺放就位 → 其他設備安裝就位。

錨固箱安裝就位后，用吊車(chē)配合，將鉆機及配套設備連接安裝就位，根據管道穿越中心線(xiàn)，調整鉆機的左右位置，使鉆機中心線(xiàn)與管道穿越中心線(xiàn)重合；根據設計圖紙提供的入土角調整鉆機高度，使鉆機的行走軌道與水平面的夾角與設計的入土角相吻合。其它動(dòng)力系統、泥漿系統按平面布置擺放在相應的位置。

具體入土點(diǎn)作業(yè)區平面布置圖如下：

（定向鉆機）

（泥漿設備）

4、系統安裝、調試

所有設備進(jìn)入施工現場(chǎng)后，進(jìn)行系統安裝，按照空中不布線(xiàn)的安全原則：所有的電纜線(xiàn)埋地，所有的水管線(xiàn)避開(kāi)行車(chē)路線(xiàn)。系統安裝完畢檢查一切正常后，進(jìn)行系統試運轉。同時(shí)，在開(kāi)鉆施工前認真檢查鉆桿、麻花鉆桿、無(wú)磁鉆鋌、螺桿馬達、巖石擴孔器、牙輪、卸扣、萬(wàn)向節等鉆機具的質(zhì)量，清洗絲扣并進(jìn)行無(wú)損檢測，確保內部無(wú)損傷，檢查巖石擴孔器本體與牙輪的連接是否牢固，鉆頭的水眼直徑是否更換等等，在擴孔、回拖前還要檢查并確保擴孔器的水眼暢通，卸扣無(wú)變形、鎖銷(xiāo)完好，萬(wàn)向節絲扣潤滑，對鉆桿、麻花鉆桿要進(jìn)行嚴格的選擇、測量和級配編號。

5、磁方位測量

磁方位角作為定向鉆穿越工程最重要的控向數據，是確保穿越曲線(xiàn)圓滑的最重要的保障。因此，在導向孔開(kāi)鉆前，要認真做好穿越中心線(xiàn)的磁方位角測量，這一數值是導向孔控向的原始依據數值，必須準確。用全站儀通過(guò)在穿越中心線(xiàn)上地表多點(diǎn)測量（一般情況下，出、入土側各取兩個(gè)點(diǎn)），然后將各組數據進(jìn)行分析對比，排除由于那些由于磁干擾而錯誤的數據，確定正確的磁方位角數值。如果各組數據相差較大（0.2°以上），則增加測量點(diǎn)（2-4個(gè)），直到確定正確的數值。

6、試鉆

搬遷、就位、連接、復測完成后，對施工用的機動(dòng)設備進(jìn)行單機試運，對泥漿系統、控向系統進(jìn)行調試。然后按地質(zhì)條件配好足量泥漿，進(jìn)行噴射，鉆機試鉆進(jìn)20m—30m（兩至三根鉆桿），檢測各部位、各系統的運行情況，發(fā)現問(wèn)題及時(shí)處理。

7、鉆導向孔

7.1 鉆導向孔采用的鉆具主要有：鉆桿采用5 1/2″API標準S135內部加厚型鉆桿、鉆頭采用9 7/8＂三牙輪鑲齒碳化鎢鉆頭；控向設備采用英國Sharewell公司生產(chǎn)的Tru-Trucker system實(shí)時(shí)跟蹤系統和MGS系統,在整個(gè)穿越過(guò)程中采用地面信標系統(Tru-Trucker system)配合MGS系統進(jìn)行準確跟蹤定位,確保出土位置準確無(wú)誤。

（鉆桿）

7.2 在導向孔鉆進(jìn)過(guò)程中，要認真觀(guān)察井眼泥漿返出情況，每一小時(shí)取樣一次，泥漿工程師做好試驗分析，將分離物與地質(zhì)勘探報告相比較，確定是否進(jìn)行泥漿性能調整，并做好記錄，以便準確判斷鉆進(jìn)過(guò)程中的地質(zhì)情況，來(lái)決策鉆進(jìn)運行，確保鉆導向孔一次成功。

控向員嚴格按圖紙設計要求進(jìn)行控向，導向孔是以后各級預擴孔和回拖管道的基礎。導向孔嚴格按設計曲線(xiàn)鉆進(jìn)，在開(kāi)鉆前對司鉆人員作好詳細的技術(shù)要求，對每一根鉆桿的鉆進(jìn)要求都提前在圖紙上作好標注，控制鉆桿的折角變化：?jiǎn)胃@桿折角變化＜0.3°，連續三根鉆桿折角變化＜1.0°；保證穿越曲率半徑≥2000m、管底最大埋深、入土角及出土角均能達到相應設計規范的要求。

在鉆進(jìn)時(shí)，控向員根據繪制的穿越曲線(xiàn)圖結合實(shí)際變化準確及時(shí)地向司鉆員發(fā)布控向指令，并隨時(shí)根據鉆進(jìn)情況調整司鉆推進(jìn)、旋轉操作。司鉆員密切注視鉆機儀表臺上扭矩顯示表、推力顯示表、泥漿壓力和流量表，隨時(shí)判斷泥漿螺桿馬達的紐矩是否達到最大？鉆頭是否卡??？泥漿壓力、流量是否足夠等等細微卻又十分重要的問(wèn)題。如出現問(wèn)題，司鉆員要嚴格按照施工作業(yè)指導書(shū)和司鉆工操作規程手冊的操作內容冷靜處理并及時(shí)匯報，在最短的時(shí)間內解決問(wèn)題。

重點(diǎn)控制單根鉆桿的鉆進(jìn)質(zhì)量和整體曲線(xiàn)的質(zhì)量，確保施工曲線(xiàn)與設計曲線(xiàn)重合。嚴禁出現施工曲線(xiàn)縮短與原施工曲線(xiàn)空間距離的情況。這是確保預擴孔、回拖作業(yè)的基礎。

導向孔示意圖見(jiàn)下圖：

7.3 導向孔在鉆進(jìn)過(guò)程中偏離設計穿越曲線(xiàn)的原因：

第一：鉆機就位方位與管線(xiàn)設計穿越方位有偏差。

第二：受外部磁場(chǎng)的影響，計算機采集的數據非鉆頭的真實(shí)位置。

第三：鉆機操作人員人為操作有誤，實(shí)際曲線(xiàn)與設計曲線(xiàn)發(fā)生偏移。

針對以上造成曲線(xiàn)偏移的原因，我們特制定了如下預防措施：

1）保證鉆機就位方位與設計管線(xiàn)中心線(xiàn)重合的措施

鉆機就位前，用測量?jì)x器（如經(jīng)緯儀）放出管線(xiàn)穿越中心線(xiàn)，根據穿越入土角、鉆機自身尺寸（車(chē)長(cháng)、車(chē)寬、輪距等）等參數計算出鉆機就位的精確位置，并用白灰或用線(xiàn)繩予以標記，并以此標記作為鉆機就位的依據。在鉆機就位過(guò)程中，除了利用白灰或線(xiàn)繩標記作為就位的標準外，就位后還要用測量?jì)x器測量鉆機就位偏差，經(jīng)計算鉆機就位方位相對于管線(xiàn)中心線(xiàn)的角度偏差如超過(guò)0.1°時(shí)，需根據偏左偏右情況重新調整鉆機，經(jīng)多次就位-測量-調整-再測量，直到偏差控制在0.1°范圍內。鉆機就位后，計算出精確的偏差數值，在開(kāi)始鉆導向孔時(shí)及時(shí)調整此偏差為零，從而保證導向孔軌跡與設計穿越曲線(xiàn)重合。

2）外部磁場(chǎng)對方位角的影響及控制措施

外部磁場(chǎng)主要由地下管道、地下光纜、剛性建筑物（構筑物）、大型船只、地上高壓線(xiàn)等產(chǎn)生，這些外部磁場(chǎng)將影響地磁場(chǎng)強度和地磁角度，從而影響控向方位角，控向方位角的不確定最終導致鉆孔時(shí)方向失控，本標段河流穿越位置或多或少存在影響鉆進(jìn)控向精度的外部磁場(chǎng)。

根據現場(chǎng)確定的外部磁場(chǎng)的位置，在鉆孔時(shí)，探測器到達外部磁場(chǎng)前，鉆孔方向不能出現過(guò)大的左右偏移量，保持實(shí)際方位角與控向方位角的偏差在允許的范圍內，在進(jìn)入外部磁場(chǎng)時(shí)，實(shí)際方位角發(fā)生變化，此時(shí)的方位角與控向方位角不同，鉆進(jìn)時(shí)暫不考慮干擾后的方位角而直接按直線(xiàn)鉆進(jìn)，在進(jìn)行數據測量時(shí)，根據控向工具面的位置輸入與控向方位角接近的方位角。鉆頭穿越過(guò)磁場(chǎng)干擾區后，計算機控向數據恢復正常，此時(shí)導向孔軌跡與設計穿越曲線(xiàn)偏差應當在許可范圍內，萬(wàn)一兩者偏差較大，首先計算出實(shí)際偏差量，然后將經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)干擾區的鉆桿抽出后重新鉆進(jìn)進(jìn)行偏差調整。在已知偏差量的情況下進(jìn)行調整是很容易的，通過(guò)調整消除磁場(chǎng)影響，使導向孔軌跡與設計穿越曲線(xiàn)重合。

3）采用人工磁場(chǎng)

鉆機控向系統是依靠地磁場(chǎng)進(jìn)行方位控制，通過(guò)鉆頭后面的探頭將導向孔參數傳輸到計算機。地磁場(chǎng)容易受到地下管線(xiàn)、地下電纜、地面高壓線(xiàn)等金屬構件的干擾，從而造成控向參數不準確。人工磁場(chǎng)是在穿越中心線(xiàn)兩側布設的閉合線(xiàn)圈，布設簡(jiǎn)單方便，在施工中既經(jīng)濟又有效，其優(yōu)點(diǎn)是它不受外部磁場(chǎng)的干擾，可以準確無(wú)誤的將鉆孔數據反映出來(lái)，當探頭到達此閉合的線(xiàn)圈區域內,接通直流電源產(chǎn)生磁場(chǎng),通過(guò)人工磁場(chǎng)可以測得穿越軸線(xiàn)的左右偏移和穿越標高。通過(guò)人工磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)左右偏差的比較,可以確定目前鉆頭方位角,從而確定下一根鉆桿的行進(jìn)方位。由于人工磁場(chǎng)在地磁場(chǎng)受干擾的情況下可以提供準確的管線(xiàn)穿越方位角，在地磁場(chǎng)不受干擾的情況下可以校正控向方位角的正確性，從而能夠很好的控制導向孔與設計穿越曲線(xiàn)偏移，并能保證穿越曲線(xiàn)的平滑性。

4）控制人為因素造成導向孔軌跡與設計穿越曲線(xiàn)偏差的措施

開(kāi)工前，加強對控向人員與司鉆操作人員的培訓，提高工作人員的素質(zhì)，加強控向人員與司鉆人員相互間的配合，司鉆人員以控向人員的指令為準，按照指令進(jìn)行操作，防止人為操作導致鉆孔出現偏移設計曲線(xiàn)?？叵蛉藛T應嚴格按照設計曲線(xiàn)計算每次傾角的調整度數，認真掌握并注意穿越過(guò)程中的軌跡變化，通過(guò)軌跡變化確定控向方向的變化。從而控制導向孔軌跡與設計穿越曲線(xiàn)的偏移。

8、預擴孔

穿越管徑為φ1220mm（48＂）；根據穿越擴孔的要求：擴孔直徑達到管徑的1.3-1.5倍，每級擴孔相差4＂-8＂；因此本次預擴孔工藝為九級擴孔+一級清孔。

第一級擴孔：采用φ24″切割刀式擴孔器；

第二級擴孔：采用φ30″切割刀式擴孔器；

第三級擴孔：采用φ36″切割刀式擴孔器+φ30″桶式擴孔器；

第四級擴孔：采用φ42″切割刀式擴孔器+φ36″桶式擴孔器；

第五級擴孔：采用φ48″切割刀式擴孔器+φ42″桶式擴孔器；

第六級擴孔：采用φ54″切割刀式擴孔器+φ48″桶式擴孔器；

第七級擴孔：采用φ60″切割刀式擴孔器+φ54″桶式擴孔器；

第八級擴孔：采用φ66″切割刀式擴孔器+φ60″桶式擴孔器；

第九級擴孔：采用φ70″切割刀式擴孔器+φ66″桶式擴孔器；

清孔采用φ70″桶式擴孔器。

當導向孔作業(yè)完成后，仔細分析導向孔實(shí)際曲線(xiàn)，確定導向孔曲線(xiàn)能夠滿(mǎn)足標準規范和擴孔、回拖作業(yè)的要求后，抓緊時(shí)間動(dòng)用單斗挖出鉆頭出土側的作業(yè)坑，用60″的B型大鉗與單斗、人工配合卸下鉆頭、無(wú)磁鉆鋌等機具，裝上φ18＂切割刀式擴孔器，后接一根鉆桿開(kāi)始擴孔。

以后每級擴孔與第一級擴孔相同，直至擴孔作業(yè)結束。

在擴孔過(guò)程中，擴孔扭矩控制在30000ft·lb以?xún)?，推拉力控制在?00t，擴孔根據各地層的抗壓強度的不同變化靈活的控制扭矩，盡可能保證擴孔速度的均勻和泥漿排量、泥漿壓力的均勻，保持井口返漿容量較大和流速基本不變，避免返漿倒灌入孔道內。若擴孔時(shí)局部扭矩過(guò)大（42"以下超過(guò)35000ft·lb），應當立即降低擴孔進(jìn)尺速度，同時(shí)加大泥漿排量和泥漿壓力，確定牙輪重新切削后逐步降低泥漿流量和壓力到平均速度。

最后一級擴孔完成后，進(jìn)行清孔作業(yè)。在清孔時(shí)，增加泥漿流量20%～30%，盡量攜帶多的砂屑，并在遇到局部塌方地段，重新擴孔成形。若一次清孔未能降低扭矩和推拉力，可以進(jìn)行第二次清孔。在擴孔施工中，將從孔洞中返出的泥漿引流到泥漿回收池中，然后用30Kw的泥漿泵將返漿抽吸到泥漿循環(huán)處理系統中進(jìn)行二級振動(dòng)除砂和旋轉離心分離，確保處理過(guò)的泥漿含砂量＜1.0%。然后泥漿工程師對除砂后的泥漿進(jìn)行化驗，得出其性能指標，然后確定該批處理泥漿的泥漿配制方案，最后將這批泥漿加注到泥漿制漿系統中，添加制定的泥漿添加劑，重新配制成可以滿(mǎn)足穿越工程需要的泥漿，用泥漿泵打入到孔洞中。泥漿處理后的剩余殘物排放到泥漿處理池中，用運漿車(chē)拉運到當地環(huán)保部門(mén)制定的填埋場(chǎng)。

9、管道回拖

9.1 回拖前（回拖管入洞前）的準備

1）鉆具連接可靠、有效；

2）泥漿噴嘴及回拖旋轉接頭工作正常；

3）回拖管在管道發(fā)射管墩均勻放置，且無(wú)管道貼地，保護管線(xiàn)外防腐層；入洞發(fā)送溝開(kāi)挖順滑，能保證鋼管彈敷進(jìn)洞，避免硬性回拖。

4）擴孔器旋轉和回拖速度應均勻；回拖速度≤2.5m/min；

5）保持泥漿回流。

9.2 管道回拖時(shí)，管段與鉆具連接應符合下列要求：

1）檢查桶式擴孔器內各通道及各泥漿噴嘴是否暢通，確認合格后才能連接；

2）連接順序為管線(xiàn)+連結頭+旋轉接頭+φ60″桶式擴孔器+5 1/2″鉆桿；

3）桶式擴孔器直徑比穿越管道直徑大，目的是減小拖拉力，保護防腐層；全部連接完后應送泥漿沖洗，檢查各泥漿噴嘴是否正常，合格后進(jìn)行回拖施工。

4）管道回拖施工應連續進(jìn)行,除發(fā)生不可抗拒的原因外，嚴禁在施工中無(wú)故停拖。在回拖時(shí)進(jìn)行連續作業(yè)，避免因停工造成阻力增大。

5）回拖過(guò)程中，要認真觀(guān)察漿泥運行情況，動(dòng)用泥漿制漿系統、泥漿循環(huán)處理系統和利用泥漿回收坑和泥漿處理坑盡力分離、除砂泥漿、回收泥漿殘物，盡量減少環(huán)境污染。

6）管道回拖時(shí)用清洗劑的水溶液將管墩澆濕保持管墩和管壁的潤滑。

管道回拖出土，用60″的B型大鉗與單斗、人工配合卸下麻花鉆桿、桶式擴孔器、回拖萬(wàn)向節和“U”型環(huán)等機具，割掉回拖頭，用事先準備好的盲板將回拖管管口焊接封堵。

10、設備撤場(chǎng)

所有作業(yè)完成后，系統拆除連接，設備撤場(chǎng)。按照鉆機、泥漿系統、動(dòng)力系統、機具鋼板排等順序依此撤離施工現場(chǎng)。

11、地貌恢復、泥漿處理

11.1 定向鉆穿越施工前，用土工布將可能跑、冒、流淌泥漿的地方覆蓋鋪墊。并開(kāi)挖導流溝，將可能跑、冒、流淌的泥漿引向泥漿回收池，泥漿部分循環(huán)利用。殘余的極少量泥土混合物就地深埋，深度不少于2m。

施工完畢待設備全部撤離后，與當地主管部門(mén)協(xié)商將泥漿池中的剩余泥漿用專(zhuān)用的泥漿罐車(chē)拉運到指定的泥漿填埋場(chǎng)。泥漿池中的殘余極少量泥土混合物就地深埋。

11.2 清除場(chǎng)地上的雜物，用單斗及人工回填開(kāi)挖的溝、渠等，分層壓實(shí)，將農田地里已剝離的表層耕植土恢復到表層，填土方高出地表300mm。農地田坎、溝渠堤用鐵鍬分層拍打密實(shí)，逐層恢復到原貌。

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