水平定向鉆機是在不開挖地表面的條件下，鋪設(shè)多種地下公用設(shè)施(管道、電纜等)的一種施工機械，它廣泛應(yīng)用于供水、電力、電訊、天然氣、煤氣、石油等管線鋪設(shè)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(qū)都可施工。工作環(huán)境溫度為-15℃~45℃。水平定向鉆進技術(shù)是將石油工業(yè)的定向鉆進技術(shù)和傳統(tǒng)的管線施工方法結(jié)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，廣泛應(yīng)用于供水、煤氣、電力、電訊、天然氣、石油等管線鋪設(shè)施工工程中。

水平定向鉆穿越施工流程如下：

①測量放線→ ②場地平整及便道修筑→ ③設(shè)備搬遷、井場布置→④系統(tǒng)安裝、調(diào)試→ ⑤磁方位測量→ ⑥試鉆→ ⑦鉆導(dǎo)向孔→ ⑧九級預(yù)擴孔+一次清孔→ ⑨管道回拖→ ⑩設(shè)備撤場→⑾地貌恢復(fù)、泥漿處理

1、測量放線

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

復(fù)測用的測量儀器為全站儀，在施工前必須經(jīng)過法定計量單位校驗合格且在有效期內(nèi)，方能投入使用。

根據(jù)施工場地的具體情況，靈活調(diào)整出、入土點作業(yè)區(qū)的面積和設(shè)備的安裝空間，以安全、夠用、經(jīng)濟為原則。其中入土側(cè)作業(yè)區(qū)位置邊緣為距大橋邊34米，以變更后入土點位置前20米，后至連接輔道，且入土點前側(cè)和所需穿越排污渠之間農(nóng)田地整體需要全部征用。

2、場地平整及便道修筑

施工前施工現(xiàn)場需要達到“三通一平”的條件：路通、水通、電通和作業(yè)區(qū)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(xiàn)場附近解決；生活用水、用電可以在租用民房附近解決。

2.1 入土點進、出場道路和作業(yè)場修筑

入土點地貌：

穿越設(shè)備進入入土點施工現(xiàn)場需修筑施工便道長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(shè)寬4m的鋼管排。

第二步：用標記樁將入土點作業(yè)區(qū)放線標識，挖掘機配合人工清理作業(yè)區(qū)中的障礙物并開挖泥漿池。

第三步：用挖掘機將作業(yè)區(qū)平整、壓實，并在除進口以外的其他作業(yè)區(qū)邊界上安裝警示帶，在進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(qū)的場地位置需要占用部分位置用于車輛進出。

2.2 出土點進、出場道路和作業(yè)場修筑

出土點地貌：

根據(jù)現(xiàn)場實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(shè)備進入出土點施工現(xiàn)場，并修筑施工便道長100m，寬5m。出土點穿越施工作業(yè)區(qū)場地尺寸為以出土點為中心前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設(shè)備。

（泥漿池）

3、設(shè)備搬遷、井場布置

為保證設(shè)備安裝順利進行，防止設(shè)備因作業(yè)場地限制而發(fā)生擁擠現(xiàn)場。設(shè)備進場安裝應(yīng)按照先后順序進行。設(shè)備進場安裝順利為：鉆機安裝 →鉆機操作控制室安裝→泥漿系統(tǒng)安裝→ 泥漿泵安裝→鉆桿擺放就位 → 其他設(shè)備安裝就位。

錨固箱安裝就位后，用吊車配合，將鉆機及配套設(shè)備連接安裝就位，根據(jù)管道穿越中心線，調(diào)整鉆機的左右位置，使鉆機中心線與管道穿越中心線重合；根據(jù)設(shè)計圖紙?zhí)峁┑娜胪两钦{(diào)整鉆機高度，使鉆機的行走軌道與水平面的夾角與設(shè)計的入土角相吻合。其它動力系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)按平面布置擺放在相應(yīng)的位置。

具體入土點作業(yè)區(qū)平面布置圖如下：

（定向鉆機）

（泥漿設(shè)備）

4、系統(tǒng)安裝、調(diào)試

所有設(shè)備進入施工現(xiàn)場后，進行系統(tǒng)安裝，按照空中不布線的安全原則：所有的電纜線埋地，所有的水管線避開行車路線。系統(tǒng)安裝完畢檢查一切正常后，進行系統(tǒng)試運轉(zhuǎn)。同時，在開鉆施工前認真檢查鉆桿、麻花鉆桿、無磁鉆鋌、螺桿馬達、巖石擴孔器、牙輪、卸扣、萬向節(jié)等鉆機具的質(zhì)量，清洗絲扣并進行無損檢測，確保內(nèi)部無損傷，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，卸扣無變形、鎖銷完好，萬向節(jié)絲扣潤滑，對鉆桿、麻花鉆桿要進行嚴格的選擇、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(shù)據(jù)，是確保穿越曲線圓滑的最重要的保障。因此，在導(dǎo)向孔開鉆前，要認真做好穿越中心線的磁方位角測量，這一數(shù)值是導(dǎo)向孔控向的原始依據(jù)數(shù)值，必須準確。用全站儀通過在穿越中心線上地表多點測量（一般情況下，出、入土側(cè)各取兩個點），然后將各組數(shù)據(jù)進行分析對比，排除由于那些由于磁干擾而錯誤的數(shù)據(jù)，確定正確的磁方位角數(shù)值。如果各組數(shù)據(jù)相差較大（0.2°以上），則增加測量點（2-4個），直到確定正確的數(shù)值。

6、試鉆

搬遷、就位、連接、復(fù)測完成后，對施工用的機動設(shè)備進行單機試運，對泥漿系統(tǒng)、控向系統(tǒng)進行調(diào)試。然后按地質(zhì)條件配好足量泥漿，進行噴射，鉆機試鉆進20m—30m（兩至三根鉆桿），檢測各部位、各系統(tǒng)的運行情況，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

7、鉆導(dǎo)向孔

7.1 鉆導(dǎo)向孔采用的鉆具主要有：鉆桿采用5 1/2″API標準S135內(nèi)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(shè)備采用英國Sharewell公司生產(chǎn)的Tru-Trucker system實時跟蹤系統(tǒng)和MGS系統(tǒng),在整個穿越過程中采用地面信標系統(tǒng)(Tru-Trucker system)配合MGS系統(tǒng)進行準確跟蹤定位,確保出土位置準確無誤。

（鉆桿）

7.2 在導(dǎo)向孔鉆進過程中，要認真觀察井眼泥漿返出情況，每一小時取樣一次，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，確定是否進行泥漿性能調(diào)整，并做好記錄，以便準確判斷鉆進過程中的地質(zhì)情況，來決策鉆進運行，確保鉆導(dǎo)向孔一次成功。

控向員嚴格按圖紙設(shè)計要求進行控向，導(dǎo)向孔是以后各級預(yù)擴孔和回拖管道的基礎(chǔ)。導(dǎo)向孔嚴格按設(shè)計曲線鉆進，在開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要求都提前在圖紙上作好標注，控制鉆桿的折角變化：單根鉆桿折角變化＜0.3°，連續(xù)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(yīng)設(shè)計規(guī)范的要求。

在鉆進時，控向員根據(jù)繪制的穿越曲線圖結(jié)合實際變化準確及時地向司鉆員發(fā)布控向指令，并隨時根據(jù)鉆進情況調(diào)整司鉆推進、旋轉(zhuǎn)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，隨時判斷泥漿螺桿馬達的紐矩是否達到最大？鉆頭是否卡住？泥漿壓力、流量是否足夠等等細微卻又十分重要的問題。如出現(xiàn)問題，司鉆員要嚴格按照施工作業(yè)指導(dǎo)書和司鉆工操作規(guī)程手冊的操作內(nèi)容冷靜處理并及時匯報，在最短的時間內(nèi)解決問題。

重點控制單根鉆桿的鉆進質(zhì)量和整體曲線的質(zhì)量，確保施工曲線與設(shè)計曲線重合。嚴禁出現(xiàn)施工曲線縮短與原施工曲線空間距離的情況。這是確保預(yù)擴孔、回拖作業(yè)的基礎(chǔ)。

導(dǎo)向孔示意圖見下圖：

7.3 導(dǎo)向孔在鉆進過程中偏離設(shè)計穿越曲線的原因：

第一：鉆機就位方位與管線設(shè)計穿越方位有偏差。

第二：受外部磁場的影響，計算機采集的數(shù)據(jù)非鉆頭的真實位置。

第三：鉆機操作人員人為操作有誤，實際曲線與設(shè)計曲線發(fā)生偏移。

針對以上造成曲線偏移的原因，我們特制定了如下預(yù)防措施：

1）保證鉆機就位方位與設(shè)計管線中心線重合的措施

鉆機就位前，用測量儀器（如經(jīng)緯儀）放出管線穿越中心線，根據(jù)穿越入土角、鉆機自身尺寸（車長、車寬、輪距等）等參數(shù)計算出鉆機就位的精確位置，并用白灰或用線繩予以標記，并以此標記作為鉆機就位的依據(jù)。在鉆機就位過程中，除了利用白灰或線繩標記作為就位的標準外，就位后還要用測量儀器測量鉆機就位偏差，經(jīng)計算鉆機就位方位相對于管線中心線的角度偏差如超過0.1°時，需根據(jù)偏左偏右情況重新調(diào)整鉆機，經(jīng)多次就位-測量-調(diào)整-再測量，直到偏差控制在0.1°范圍內(nèi)。鉆機就位后，計算出精確的偏差數(shù)值，在開始鉆導(dǎo)向孔時及時調(diào)整此偏差為零，從而保證導(dǎo)向孔軌跡與設(shè)計穿越曲線重合。

2）外部磁場對方位角的影響及控制措施

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

根據(jù)現(xiàn)場確定的外部磁場的位置，在鉆孔時，探測器到達外部磁場前，鉆孔方向不能出現(xiàn)過大的左右偏移量，保持實際方位角與控向方位角的偏差在允許的范圍內(nèi)，在進入外部磁場時，實際方位角發(fā)生變化，此時的方位角與控向方位角不同，鉆進時暫不考慮干擾后的方位角而直接按直線鉆進，在進行數(shù)據(jù)測量時，根據(jù)控向工具面的位置輸入與控向方位角接近的方位角。鉆頭穿越過磁場干擾區(qū)后，計算機控向數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，此時導(dǎo)向孔軌跡與設(shè)計穿越曲線偏差應(yīng)當在許可范圍內(nèi)，萬一兩者偏差較大，首先計算出實際偏差量，然后將經(jīng)過磁場干擾區(qū)的鉆桿抽出后重新鉆進進行偏差調(diào)整。在已知偏差量的情況下進行調(diào)整是很容易的，通過調(diào)整消除磁場影響，使導(dǎo)向孔軌跡與設(shè)計穿越曲線重合。

3）采用人工磁場

鉆機控向系統(tǒng)是依靠地磁場進行方位控制，通過鉆頭后面的探頭將導(dǎo)向孔參數(shù)傳輸?shù)接嬎銠C。地磁場容易受到地下管線、地下電纜、地面高壓線等金屬構(gòu)件的干擾，從而造成控向參數(shù)不準確。人工磁場是在穿越中心線兩側(cè)布設(shè)的閉合線圈，布設(shè)簡單方便，在施工中既經(jīng)濟又有效，其優(yōu)點是它不受外部磁場的干擾，可以準確無誤的將鉆孔數(shù)據(jù)反映出來，當探頭到達此閉合的線圈區(qū)域內(nèi),接通直流電源產(chǎn)生磁場,通過人工磁場可以測得穿越軸線的左右偏移和穿越標高。通過人工磁場與地磁場左右偏差的比較,可以確定目前鉆頭方位角,從而確定下一根鉆桿的行進方位。由于人工磁場在地磁場受干擾的情況下可以提供準確的管線穿越方位角，在地磁場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(dǎo)向孔與設(shè)計穿越曲線偏移，并能保證穿越曲線的平滑性。

4）控制人為因素造成導(dǎo)向孔軌跡與設(shè)計穿越曲線偏差的措施

開工前，加強對控向人員與司鉆操作人員的培訓(xùn)，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，按照指令進行操作，防止人為操作導(dǎo)致鉆孔出現(xiàn)偏移設(shè)計曲線?？叵蛉藛T應(yīng)嚴格按照設(shè)計曲線計算每次傾角的調(diào)整度數(shù)，認真掌握并注意穿越過程中的軌跡變化，通過軌跡變化確定控向方向的變化。從而控制導(dǎo)向孔軌跡與設(shè)計穿越曲線的偏移。

8、預(yù)擴孔

穿越管徑為φ1220mm（48＂）；根據(jù)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(yù)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(dǎo)向孔作業(yè)完成后，仔細分析導(dǎo)向孔實際曲線，確定導(dǎo)向孔曲線能夠滿足標準規(guī)范和擴孔、回拖作業(yè)的要求后，抓緊時間動用單斗挖出鉆頭出土側(cè)的作業(yè)坑，用60″的B型大鉗與單斗、人工配合卸下鉆頭、無磁鉆鋌等機具，裝上φ18＂切割刀式擴孔器，后接一根鉆桿開始擴孔。

以后每級擴孔與第一級擴孔相同，直至擴孔作業(yè)結(jié)束。

在擴孔過程中，擴孔扭矩控制在30000ft·lb以內(nèi)，推拉力控制在＜100t，擴孔根據(jù)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(nèi)。若擴孔時局部扭矩過大（42"以下超過35000ft·lb），應(yīng)當立即降低擴孔進尺速度，同時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，進行清孔作業(yè)。在清孔時，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(tǒng)中進行二級振動除砂和旋轉(zhuǎn)離心分離，確保處理過的泥漿含砂量＜1.0%。然后泥漿工程師對除砂后的泥漿進行化驗，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(tǒng)中，添加制定的泥漿添加劑，重新配制成可以滿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，用運漿車拉運到當?shù)丨h(huán)保部門制定的填埋場。

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(zhuǎn)接頭工作正常；

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

4）擴孔器旋轉(zhuǎn)和回拖速度應(yīng)均勻；回拖速度≤2.5m/min；

5）保持泥漿回流。

9.2 管道回拖時，管段與鉆具連接應(yīng)符合下列要求：

1）檢查桶式擴孔器內(nèi)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+連結(jié)頭+旋轉(zhuǎn)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(yīng)送泥漿沖洗，檢查各泥漿噴嘴是否正常，合格后進行回拖施工。

4）管道回拖施工應(yīng)連續(xù)進行,除發(fā)生不可抗拒的原因外，嚴禁在施工中無故停拖。在回拖時進行連續(xù)作業(yè)，避免因停工造成阻力增大。

5）回拖過程中，要認真觀察漿泥運行情況，動用泥漿制漿系統(tǒng)、泥漿循環(huán)處理系統(tǒng)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、回拖萬向節(jié)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(shè)備撤場

所有作業(yè)完成后，系統(tǒng)拆除連接，設(shè)備撤場。按照鉆機、泥漿系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、機具鋼板排等順序依此撤離施工現(xiàn)場。

11、地貌恢復(fù)、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。并開挖導(dǎo)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(shè)備全部撤離后，與當?shù)刂鞴懿块T協(xié)商將泥漿池中的剩余泥漿用專用的泥漿罐車拉運到指定的泥漿填埋場。泥漿池中的殘余極少量泥土混合物就地深埋。

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

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