非开挖技术概述
发布日期：2023-12-06浏览次数：8390
非开挖技术概述
随着城市高度现代化和人民生活水平的不断提高，城市和乡村对基础设施建设的总体要求越来越高，地下管网是城市基础设施的重要组成部分，日夜肩负着传送信息和输送能量的重要工作，是城市赖以生存和发展的物质基础，是城市不可缺少的生命线。目前，城市地下管网的发展规模、管线铺设、维修和更换过程中对城市交通、环境的影响及对人们生活、工作的干扰，已成为衡量一个城市基础设施完善程度和城市管理水平的重要标志。传统的挖槽埋管地下管线施工技术由于对地面交通影响较大，使本来就拥挤的城市交通如雪上加霜，同时给市民工作、生活带来许多不便，特别在人口稠密的城市和交通拥挤的地区以及不允许开挖的地段，这个矛盾更加突出。
非开挖技术(Trenchless Technology)是近二十年来国际上新兴的一种对环境无公害的地下管线施工技术，是指利用岩土钻掘手段在地表不挖沟的情况下，铺设、修复和更换地下管线的施工技术。国际非开挖协会给非开挖技术的定义是：
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”
近十年来，英、美、德、日等国的许多高等院校、研究机构、企业也投入了大量的人力、物力研究开发这一新技术，取得了大量研究成果并逐步应用于工程实践中。由于该技术的综合成本低、施工周期短、环境影响小、不影响交通、施工安全性好等优势日益受到人们的青睐，在市政给排水管线、通讯电缆、燃气管道及电力电缆等地下管线工程施工中得以广泛应用。目前，非开挖管线工程技术已在西方发达国家成为一项政府支持、社会提倡和企业参与的新技术产业，成为城市现代化进程中的一项关键技术。
随着我国国民经济的高速发展和政府对环境的日益重视，自90年代中期以来，我国非开挖的工程施工量和投入的设备数量均以每年40%的高速度增长。非开挖技术在我国已形成了一个新兴的产业，引起了各级政府和环境部门的高度重视。极有潜力的我国非开挖技术市场也吸引了大批国际非开挖设备制造商。尤其在处于中国管道大发展的21世纪，非开挖技术将具有十分广阔的应用前景，经济效益和社会效益也将非常巨大。
据统计，全世界每年有100万km的地下管线需要新建，总投资超过300亿美元；而发达国家现有各类地下管线的总长约2000万km，为更新、修复这些地下管线，每年还需投资300~350亿美元。我国每年需铺设的管线长度上水管5000km，下水管3000km，电讯管线26000km，此外还有30000km的管道急需更新和修复(尚未计天然气管道和煤气管道)。日本每年施工下水管道17000km，其中10%用非开挖技术施工，北美现有水平定向钻进(HDD)钻机达1700台，用于施工各类管线。未来20年美国估算为更换旧管道(主要是污水管道)就要花费1万亿美元，现已有15万km管道用胀管法修复，可再用100年。我国香港地区计划在未来20年内每年用5亿港元进行修缮和更换管道。其它国家都有类似情况存在。
对如此浩大的地下管线工程，采用的仍然是传统的开挖施工技术，新老道路总处于挖了填，填了再挖的尴尬局面，不论从经济角度还是社会角度上看，都应追踪国外非开挖技术的发展，把地下管线工程施工新技术提到议事日程上来。为此，中国工程院院士刘广志先生还特意在中国工程院院士建议中撰文“倡议推广非开挖铺设地下管线技术”。
非开挖技术的蓬勃发展也是历史的必然，一是新管线需要大量兴建；二是过去的旧管线大量待重建或翻修，管线建设愈多，修理工作量愈大;三是与21世纪联合议程目标相一致，利于保护环境。
因此，非开挖施工技术对于土木施工、环境保护、城市规划及建筑管理等领域都是值得研究的重要课题。
非开挖地下管线工程技术的主要研究内容和服务领域包括地下管线探测和检测技术、地下管道(线)的铺设技术和地下管道(线)的维护和更新技术。具体技术包括非开挖定向和导向钻进管道(线)铺设技术、顶管和微型隧道施工技术、冲击矛技术、夯管技术、顶推钻进技术、冲击钻进技术、水平钻进以及管道在线更换技术和各种管道修复技术等
穿越工程投资宝典
使用水平定向钻技术穿越河流和其它障碍物的施工方法在世界范围内得到了广泛的运用。水平定向钻穿越承包商协会认为：在工程项目招投标过程中，水平定向钻承包商应设法获取尽可能多的相关信息以提出完整并具竞争力的报价，承包商在开工前应该获得以下信息，以保证日后的工作可以顺利进行，并在此条件下完成工程项目的施工，同时足够的施工前的各类信息还可以保证施工过程更安全，减少对周围环境的破坏，使工程进行的更顺利。
一、概 述
A、发展与使用
水平定向钻技术*早出现在70年代，是传统的公路打孔和油田定向钻井技术的结合，这已成为目前广受欢迎的施工方法，可用于输送石油、天然气、石化产品、水、污水等物质和电力、光缆各类管道的施工。不仅应用于河流和水道的穿越，同时还广泛应用于高速公路、铁路、机场、海岸、岛屿以及密布建筑物、管道密集区等。
B、技术限制
定向钻施工技术首先应用于美国海岸地区的冲积层穿越，现在已经能够开始在粗沙、卵石、冰碛和岩石地区等复杂地质条件下进行穿越施工。*长的穿越施工已达6000英尺、管道直径为18英寸。
C、优势
事实证明：水平定向钻穿越是对环境影响*小的施工方法。这项技术同时还可以为管道提供*的保护层，并相应减少了维护费用，同时不会影响河流运输并缩短施工期，证明是目前效率*高，成本*低的穿越施工方法。
D、施工过程和技术
1、导向孔：导向孔是在水平方向按预定角度并沿预定截面钻进的孔，包括一段直斜线和一段大半径弧线。在钻导向孔的同时，承包商也许会选择并使用更大口径的钻杆（即冲洗管）来屏蔽导向钻杆。冲洗管可以起到类似导管的作用，还可以方便导向钻杆的抽回和更换钻头等工作。导向孔的方向控制由位于钻头后端的钻杆内的控制器（称为弯外壳）完成。钻进过程中钻杆是不做旋转的，需要变换方向时若将弯外壳向右定位，钻进路线即向右沿平滑曲线前进。钻孔曲线由放置在钻头后端钻杆内的电子测向仪进行测量并将测量结果传导到地面的接收仪，这些数据经过处理和计算后，以数字的形式显示在显示屏上，该电子装置主要用来监测钻杆与地球磁场的关系和倾角（钻头在地下的三维坐标），将测量到的数据与设计的数据进行对比，以便确定钻头的实际位置与设计位置的偏差，并将偏差值控制在允许的范围之内，如此循环直到钻头按照预定的导向孔曲线在预定位置出土。
2、预扩孔： 导向孔完成后，要将该钻孔进行扩大到合适的直径以方便安装成品管道，此过程称为预扩孔，（依*终成孔尺寸决定扩孔次数）。例如，如需安装36英寸管线，钻孔必须扩大到48英寸或更大。通常，在钻机对岸将扩孔器连接到钻杆上，然后由钻机旋转回拖入导向孔，将导向孔扩大，同时要将大量的泥浆泵入钻孔，以保证钻孔的完整性和不塌方，并将切削下的岩屑带回到地面。
3、回拖管道：预扩孔完成以后，成品管道即可拖入钻孔。管道预制应在钻机对面的一侧完成。扩孔器一端接上钻杆另一端通过旋转接头接到成品管道上。旋转接头可以避免成品管道跟着扩孔器旋转，以保证将其顺利拖入钻孔。回拖由钻机完成，这一过程同样需要大量泥浆配合，回拖过程要连续进行直到扩孔器和成品管道自钻机一侧破土而出。
二、现场布局和设计
A、道 路
施工现场两侧都需要重型设备，为缩减成本，通往两侧施工现场的道路应尽可能利用现有道路以减少新修道路距离，或利用管道线路的施工便道，所有相关道路使用权的协议都应由业主提供，在投标阶段再来讨论这些问题为时已晚。
B、工作场地
1、钻机一侧——钻机施工场地至少需要30M（100FT）宽，长45M（150FT）的面积。该面积从入土点算起，入土点应位于规定的区域内至少3M（10FT）处，同时由于许多钻机配套的设备或配件没有规定的存放地点，所以钻机一侧施工现场可由许多不规则的小块组成，以便节省占地面积，现场尽量要平整，坚硬，清洁，以便有利于进行施工。由于穿越施工时需要大量的淡水供搅拌泥浆用，所以施工现场要尽量靠近水源或便于连接自来水管道的地方。
2、管道一侧----为便于预制成品管道，管道一侧要有足够长度的施工现场，这也是要重点考虑的事情。现场宽度应满足管道施工的需要（一般为12----18米）。同样在出土点一侧也需要30米（100FT）宽乘以45米（150FT）长的施工现场。总长度以能够摆放下所预制的管道为准，（场地的总长度一般为穿越管道长度再加上30米，）在回拖前，要将管道预制完成，包括焊接，通球，试压防腐等工序，在回拖过程中，不能再进行管道的连接工作，因为回拖过程是要连续进行的，若此时进行管道连接将可能造成地下孔洞的塌方，极可能造成整个工程施工的失败。
C、施工现场勘察
一旦施工地点确定，应对相应区域进行勘测并绘制详细准确的地质地貌图纸。*终施工的精度取决于这一勘测结果的精度。
D、施工设计参数
1、覆盖层厚度----考虑的因素包括所穿越河流的流量特征，季节性洪水冲刷深度，未来河道的加宽和加深，现有管道和电缆的位置等因素。一旦确定了施工地点并完成地质调查，穿越层的厚度也就确定了，一般来说，覆盖层应至少是6米（20FT）厚。以上仅是针对河流穿越而言的，对于其它障碍物的穿越会有另外的要求。
2、钻进角和曲率半径----在大多数穿越施工中，入土角通常选择在8--12度之间，多数施工应首先钻一段斜直线，然后再钻一段大半径曲线。此曲线的曲率半径由成品管线的弯曲特性决定，随直径增大而增大，钢管道曲率半径的拇指法则是100FT/IN（一般取管道直径的1000—1200倍）。斜直线将导向孔曲线按照预定的走向引导到设计的深度，然后是一段在此深度上的长长的水平直线，然后到达向上的弯曲点再到出土点。出土角应控制在5-12度之间，以便于成品管道的回拖。
E、钻孔施工
所有的测向控向工具都包括地下测量电子设备和地面接收设备，可以测得钻头所在位置的磁方位角（用于左/右控制）和倾斜角（上/下控制）以及钻头的钻进方向。
1、精度：穿越施工精度很大程度上取决于磁场的变化。例如，大型钢结构（桥梁，桩基，其它管道）和电力线路会影响磁场读数。而穿越出土点的导向孔目标偏差值应控制在左右3米（10FT），长度——3米～10米（-10～30FT）的范围内。
2、完工图纸：一般来说，导向孔的测量和控制应在钻导向孔时每钻进一根钻杆或隔9米（30FT）测量计算一次。以上测量计算完成的导向孔施工图纸承包商应向业主提供。也有采用替代方法如陀螺仪，穿地雷达和智能清管球用来做定位工作。
三、地质调查
A、探孔数量
探孔数量取决于计划穿越地点的地层情况及穿越长度。如果穿越长度为300米（1000FT），在两侧的穿越工地各钻一个钻孔就足够了，如果钻孔结果表明该地区地质状况比较单一，就不必进行进一步的钻探取样。如果勘探报告表明该地区地质条件比较复杂，或者发现有岩石或有粗沙层存在，这时就需要做进一步的详细的地质调查。长距离大口径穿越施工时，如出现粗砂，卵石，风化岩或硬岩应每隔180米----240米（600--800FT）取样一次，若有明显迹象表明地质结构异常复杂，这时就需要打更多的地质探孔进行更多的采样工作。所有采样探孔都应沿穿越断面方向，采样深度以计划的穿越深度为准。如有可能，取样探孔*好选在穿越中线一侧约8米（25FT）处。勘探任务完成后，探孔必须封好以防止在施工过程中的泥浆泄漏。
B、探孔深度
所有的探孔深度都应至少达到穿越点以下12米（40FT）或预定的穿越深度以下6米（20FT），两者之中取其大者。有时将穿越深度定的深一些或实际穿越曲线比设计的位置深一些，无论对承包商还是对业主来说都是很有益的，关键是穿越位置要选在地层结构一致的利于成孔的地层中进行，这样才利于穿越的成功。
C、土壤的标准分类
一名合格的地质技师或地质学者，应能依据统一土壤分类系统或ASTM设计书D-2487和D2488对材料进行分类。能够拥有一份由现场技师或钻探公司提供的现场钻探记录，对以后的施工将是非常有益的，此记录会包括对材料的目测分类以及由钻探公司根据取样结果对地层结构所做的解释和评价。
D、标准穿刺测试
SPT为了更好地确定颗粒材料的密度，地质工程师通常会依据ASTM规范D1586做标准穿刺测试SPT。这是一种现场测试方法，利用标准重量的重锤将勺形取样器打入土层中的一定深度，记录下进入到12寸深时的击打次数。所获数据即为标准穿刺阻力值并可用于估算试验地点非聚合土壤的相对密度。也有些钻探公司会选择在结合性土壤或岩石地区进行小范围的这项试验，以此来确认密实土壤的一致性及岩石的硬度。
E、取芯取样法
多数地质勘探公司更喜欢使用取芯取样器来获取地下岩心的样本，这些测试一般根据ASTM规范D-1587进行。除取样器为液压驱动的有锋利切割刃的薄壁无逢钢筒外，此类测试类似上述标准穿刺测试。需要的液压数值可在现场记录中找到，这种方法可取到相对完整的样本以便对其进行更详细的试验室分析。样本可在现场利用手持式穿刺仪分析，对于定向穿越来说，通常使用上述切割式勺状取样器即可满足施工需要。
F、颗粒度分析
将样品进行颗粒度筛网分析，是对于用切割式勺状取样器在施工现场取得的颗粒状物质所进行的一种机械试验，这些样品被送到试验室，在通过一系列的筛网后，根据其颗粒的大小和重量得出不同粒径的百分比，这是*重要的试验之一。
G、岩石情况
如果在土壤勘测中发现岩层的存在，必须确定岩层类型，相对硬度和非限定性压缩强度，要由专业勘探公司利用金刚石钻头取芯桶进行取样，典型的岩心样本直径为50毫米（2英寸）。岩石类型由地质专家根据岩心与总取心长度关系对岩石进行质量分类，岩石硬度依据岩石与以知硬度的十种材料相比较得知，压缩强度通过精确测量岩心然后进行压缩实验取得。这些数据属于岩石的物理参数，以便于确定采用什么类型的穿越设备和钻头，并且穿越进尺也可以估计到。
水平定向钻进在复杂环境中的施工
该工程穿越郑汴路，郑汴路下铺设有热力、自 来水、天然气、雨水、污水电力、通讯等各种管道，其 中污水管道直径2500mm，是郑州市东西方向主要 排污通道，地层中的各种得情况*为复杂的穿越工 程。主要穿越管线为Φ200 ×13mm，MPP 电力电缆 护套管。定向钻实际穿越长度160m。
1.1 穿越段地质情况
地质状况：
第1 层：杂填土(Q 4-3 ml )：褐色- 深褐色，稍湿，稍 密，主要为粉土和粉砂，含水泥块、砖块和石子等建 筑垃圾，土质不均匀。局部层底为素填土，平均层底 深度2.37 米。
第2 层：粉土(Q 4-3 al )，褐黄- 黄褐色，稍湿，稍密， 干强度低，摇振反应中等，无光泽反应，韧性低，局 部夹有稍密粉砂薄层。层底深度 1.6-3.6米，平均层 底深度2.73 米。
郑汴路与玉凤路的图示位置
第3 层：粉质粘土(Q 4-3 al )，褐黄- 灰褐色，饱和， 可塑，干强度中等，无摇振反应，韧性中等，稍有光 滑，土质不均匀层底深度2.0-4.4米，平均层底深度 3.63 米。
第4 层：粉土(Q 4-3 al ) ，浅灰- 黄褐色，湿，中密， 干强度低，摇震反应中等，无光泽反应，韧性低，层 底深度2.9-7.0米，平均层底深度6.07 米。
第5 层：粉质粘土(Q 4-3 al )，灰褐- 黄褐色，饱和， 可塑，干强度中等，无摇振反应，韧性地，土质不均 匀。层底深度 4.0-8.0米，平均层底深度7.42 米。
1.2 各种管道分布及钻进规划图
各种管线和穿越轨迹图
2 施工工序
本次工程采用DDW230 水平定向钻机进行施 工，钻机性能参数如下：额定扭矩：9000Nm；入土角 调整范围：10~ 20 毅；*大推拉力：230KN ；钻机结构形 式：履带 式；控向方式：无线。
2.1 测量放线
（1）根据施工要求的入土点和出土点坐标放出 管线中心轴线，在入土点端测量并确定钻机安装位 置及泥浆池的占地边界线；在出土点一端，根据管 线中心轴线和占地宽度及长度，放出管线组装焊接预制场地边界线及出土点作业场地边界线。
（2）测量控向参数：按操作规程标定控向参数， 要求细心并尽可能多测取参数比较，以确定*佳参 数，在管道中心线的三个不同位置测取，且每个位 置至少测四次，并做好记录。
2.2 钻机就位
道路施工场地完成后，按照施工平面的布置， 进行钻机就位，罐区摆放，开挖泥浆回收池等。
2.3 泥浆配比方案设计
泥浆配制：根据地质资料情况，确定泥浆配制 方案，实施泥浆开钻，开钻前配制好30 方优质泥 浆。泥浆在定向穿越中起关键作用，我们将针对不 同的地层采用不同的泥浆，若地质情况复杂，则对 泥浆要求比较高，为了对付不同的情况，我们将采 取以下措施：
（1）按照事先确定好的泥浆配比用一级膨润土 加上泥浆添加剂 ，配出合乎要求的泥浆。
（2）使用的泥浆添加剂有：聚合物HFEC，滤失 剂DFD-140 ，润滑剂，根据不同的穿越段地质条件， 确定加入不同的添加剂。
（3）为了确保泥浆的性能，使膨润土有足够的 水化时间，在用量不能改变的情况下，将采取增加 泥浆储存罐的数量。
（4）废泥浆的处理：在焊接场地挖一个废浆收 集池，收集废泥浆，经沉淀之后处理；在钻机场地也 挖一个泥浆回收池，泥浆经过回收池沉淀后，再经 过泥浆回收系统回收；回收不了的泥浆排送到指定 的地方。
2.4 钻机试钻
进行系统连接、试运转，设备运转正常后，钻进 1-2 个单根后, 检查各部位运转情况，正常后按次序 钻进，确保导向钻进一次成功。
2.5 穿越施工技术措施
本工程的导向轨迹的确定不但应执行设计和 规范要求，还应考虑穿越道路的地下各种管线复 杂，为保证其它管线的安全，在确定钻孔轨迹设计 时，必须走“S”型轨迹，这就增大技术难度。
2.6 穿越施工工艺流程
钻机设备就位-----→钻导向孔-----→预扩孔-----→回拖
2.7 导向孔钻进
导向孔的钻进是整个定向钻的关键，我们采用 DDW230 水平定向钻机进行整个穿越工程的施工。 定向设备采用英国Sharewell 公司生产的MGS 定向 系统 ，确保出土位置达到设计要求。确定控向方案， 泥浆和司钻要重视每一个环节，认真分析各项参 数，互相配合钻出符合要求的导向孔，钻导向孔要 随时对照地质资料及仪表参数分析成孔情况。
2.8 预扩孔
导向孔完成，根据地质状况及管径分级扩孔， *后孔径D=1.2-1.3Dn（Dn为管线直径）。 采用 Φ450 扩孔器进行预扩孔；扩孔时按照设计要求适 当调整泥浆排量，控制回拖速度，按照设计扩孔参 数平稳扩孔，操作员密切注意泵压、扭矩、回拖力的 变化 ，严禁憋泵、憋钻 、强行回扩。
2.9 管线回拖
导向孔经分级预扩、清孔，孔径达到管线回拖 要求的条件，将检验合格的穿越管线吊上滑送架并 检查无误后回拖。回拖是穿越的*后一步，也是* 关键的一步，在回拖时采用的施工方式是：Φ450 扩 孔器+80T回拖旋转接头+ Φ273.1×6.4mm 穿越管 线。在回拖时进行连续作业，避免因停工造成卡钻。 回拖前仔细检查旋转接头、连接头、扩孔器的连接， 确定连接牢固方可回拖，回拖时两岸要加强联系， 协调配合将管线敷设到预定位置。
3 关键工艺控制措施
（1）导向轨迹呈“S ”型的钻进过程中的技术保 证措施 定向设备采用英国Sharewell 公司生产的MGS 定向系统，在定向钻进过程中严格控制全角变化 率，尽量缩短测量间隔长度，特别是遇到污水管道 时，参数测量间距不得超过2 米。调整方位要及时， 并留有余量，禁止反复大幅度调整角度，防止“S ”型 轨迹钻进过程中出现卡钻或塌孔现象。
（2）确保定向钻出误差在设计范围内的措施 钻机测量就位时，利用全站仪准确放出钻机就 位中心线；第二准确测量标定控向参数，要求细心 并尽可能多测取参数比较，以确定*佳参数，在管 中心线的三个不同位置测取，且每个位置至少测四 2 UnRegistered 第3 期 次，并做好记录。
（3）确保扩孔顺利的措施 首先要做好导向孔，必须满足管线曲率半径的 要求, 特别是”S ”型曲线；二是针对不同地层适时调 整好泥浆 ，本穿越段地层较复杂, 针对不同地层及时 调整泥浆配比方案，适当控制泥浆粘度, 增加滤失 剂、润滑剂和防塌剂加量，稳固孔壁, 减少縮径，稳定 泥浆性能 ，防止大幅度调整泥浆，引起孔壁坍塌。
（4）由于管线分两孔进行回拖，应准确定位，避 免串孔，造成回拖时回扩器打坏已成型管线。
非开挖施工方法分类
非开挖技巧的定义为用*小的地表开挖量来完成各类地下管线的铺设，改换，修复，检测和定位的工程施工技巧。
非开挖施办法大致可分为三类：
1. 管线铺设：铺设新的地下管线。
2. 管线改换：在原位改换旧管线。
3. 管线修复：修复现有管线的部分缺陷或改善其功能。
经历统计，在全部铺设的各类地下管线中，直径在250mm以下的大约占84%，直径在250～900mm之间的约占15%，直径在900mm以上的仅占1%。重要说明小口径的地下管线的非开挖的施工办法。目前，铺设，改换和修复地下管线的施工办法重要就是开挖和非开挖两种。两者比拟各有其长处。开挖施工法的长处是施工容易，间接本钱低，适用于在开阔的地表，不存在任何妨碍物（河流，街道，建造物等），施工不会影响交通的要求下铺设地下管线。在郊区，由于以下缘由，开挖施工法越来越遭到来自政治，经济和环境方面的压力和束缚：
1. 施工引发的乐音，粉尘，振动和废气。
2. 阻碍交通（梗塞，中缀或改线）；
3. 毁坏环境（绿化带，公园和花园）；
4. 影响市民生活和商店的营业；
5. 平安性差；
6. 综合施工本钱高。
非开挖施工法和其相比具有不毁坏环境，不影响交通，施工周期短，综分解本低，社会效益明显等长处，此外，它还可在少许没法施工开挖作业的地域（繁华的郊区，古迹维护区，农作物和植被维护区，以及穿越高速公路，铁路，建造物，河流，湖泊等）实行各类地下管线施工。
我国非开挖技巧的市场前景与古代化建立的进程亲密相干，为了加快根底设备和根底工业的建立是*根本的前提，因而对石油，煤气，电力，电讯，自来水，污水等各类地下管线的需求可望在较长的时刻内有较大幅度的增长，这为我国非开挖技巧的开展提供了有利的要求，市场潜力宏大。
为了避开现有的密集管网零碎，大城市管线埋深有加大的趋向，例如上海，北京等，有些管线的埋深已达10m左右。开挖施工的本钱随埋深的加大而进步，非开挖施工的杰出性更为明显。探讨标明，当埋管深度超越4m时，开挖施工的本钱开端高于非开挖施工的本钱，此外，随着设备应用率的进步，施工经历的丰厚，非开挖的施工的本钱也会逐步降低。
此外，随着古代文明认识和环抱认识的逐步增强，开挖路面实行地下管线施工招致的社会Issue(问题)，交通Issue(问题)和净化Issue(问题)已越来越遭到人们的关心。城市束缚开挖施工的法规将持续出台，其适用面将逐步扩展，这对非开挖工程的推行使用无疑会发生极大的推进作用。例如，为了维护城市路途，增加地下管线施工招致的交通梗塞，国务院于1996年10月1日发布的《城市路途管理条例》规则，新建路途5年内不准开挖；修复路途3年内不准开挖。
总的来说，非开挖地下管线施工技巧由于具有不净化环境，不影响交通，施工周期短，综合施工本钱高等长处，无疑会在地下管线施工中取得较普遍的使用
非开挖管道铺设的质量控制及验收初探
始于二十世纪七十年代的水平定向钻进管道铺设技术（又称非开挖管道铺设技术），普遍用于穿越河流和水渠、街道、高速公路、铁路、机场跑道、河滩、岛屿、建筑群，来进行石油、天然气、自来水、污水及其他流体铺设和电力与电讯电缆的导管铺设。非开挖导向钻进铺设管线是在传统顶管法和不能定向水平钻进铺管法的基础上引进现代的导向技术而发展起来的铺管技术。它的施工顺序大体为：利用置于地面的铺管机钻机，沿待铺线的设计轨迹先钻成一个先导孔（导向孔），然后将导孔回扩，扩大至适合生产管道铺设的直径（根据经验，*终回扩直径按公式D/=K1D，式中D/为适合生产管道铺设的钻孔直径，D为生产管外经，K1为经验系数，一般为1.2～1.5），然后将待铺设的生产管拉入孔内。非开挖铺设管道技术以其独特的优越性，已被人们逐渐接受，特别是在大中城市，商业繁华地区，普遍采用此项技术。
具体的说，非开挖管道铺设技术具有以下优点：
（1）对交通干扰*小；（2）对周围房屋环境的损坏少；（3）全年可施工，施工安全，效率高；（4）社会效益高，且综合成本低，工时少；（5）导向管施工时，深度位置可以由导向仪测量，并根据设计轨迹进行校正调整。对安全环保高度重视的今天，尤其适用。由于非开挖水平定向钻进铺管技术的独特性，至今未有相关的质量评定验收标准，本文以具体的工程监理实践来谈谈该技术在施工过程中的质量控制。根据现行各有关给排水管道工程施工及验收规范，对验收及控制标准都有不同的规定。目前所执行的几种标准规程具体内容如下：
1.根据CJJ3—90评定规程中，关于顶管允许偏差应符合以下规定：
序号 | 项目 | 允许偏差 | 检验频率 | 点数 | 检验方法 | |
1 | 中线位移 | 50 | 每节管 | 1 | 测量并查阅测量记录 | |
2 | 管内底高程 | D＜1500mm | +30 -40 | 每节管 | 1 | 用水准仪测量 |
D＞1500mm | +40 -50 | 每节管 | 1 | |||
3 | 相邻管间错口 | 15%管壁厚且不大于20 | 每个错口 | 1 | 用尺量 | |
4 | 对顶时管子错口 | 50 | 对顶错口 | 1 | 用尺量 | |
2.据根JT J041-2000《公路桥梁施工技术规范》中，关于倒虹吸管施工质量标准见下表：
项目 | 允许偏差（mm） | |
轴线偏差 | 30 | |
流水面高程 | ±20 | |
相邻管节内底面错口 | 管径≤1.0m | 3 |
管径＞1.0m | 5 | |
竖井尺寸 | 长、宽 | ±20 |
直径 | ±20 | |
竖井顶部高程 | ±20 | |
井底高程 | ±15 | |
3.根据GB50268—97《给水排水管道施工及验收规范》中关于管铺设的允许偏差见下表：
项目 | 允许偏差（mm） | |
轴线 | 高程 | |
给水管道 | 50 | 0 -200 |
排水管道 | 50 | 0 -100 |
4.根据中国非开挖技术协会（CSTT）《水平定向钻进管线铺设工程技术规范》中的要求，导向孔出口处左右±1m，上下±1m认为是比较合理的钻孔精度。
由于以上四个规范、规程中所提到的质量标准，可以看出关于轴线偏位有三个不同的控制指标（50mm，30mm，1000mm）。我们认为，CSTT《水平定向钻进管线铺设工程技术规范》系施工企业的技术协会制定的规范，对于排水管道、到虹吸管来说，其验收精度要求过低，未得到质量监督部门、业主和设计单位认可前，不宜作为验收标准。由于独特的施工工艺，导向孔内有护壁泥浆，拖拉结束后管道将悬浮于孔内，轴线将产生较大的偏差。
根据以上分析，拖拉管施工、验收过程中，控制轴线位移及高程是十分重要的。所以现场施工应做好以下几方面的控制工作：
一、钻孔、扩孔的质量控制
1. 钻孔前控制：
地表测量主要根据施工图纸，利用全站仪，确定两井之间的具体位置（包括坐标与距离），定出钻孔中心线和地表走向，测量中心线地面的海拔高度或相对高度，并根据要求的铺管深度，初步确定导向孔的造斜角度和入口位置。一旦选择确定了施工位置，就应该对钻孔轨迹作测量并绘出详细的图纸。钻孔轨迹和基准线的*后精度取决于测量资料的精度。根据设计确定的埋置深度，选择入土和出土角。
2. 钻进过程中的测量控制：
在钻进导向孔时，钻进工作人员利用手持式跟踪仪〔基本配置由一个装在钻头后面的测量探头（发射器）和一个手持式跟踪接收器组成〕，通过钻头内探头发出的信号，确定钻具位置，利用导向仪获取的数据与预先设计的基准线和实际轨迹进行比较，每钻进2～3m时进行一次测量计算，随时调整钻进轨迹，钻头出口处露出地面，测量实际出口，是否在误差范围之内，如果钻孔的一部份超出误差范围，可能要拉回钻杆，重新钻进钻孔的偏斜部分。
3. 扩孔过程中的测量控制：
经过工作人员认真操作，导向孔的位置偏差能得到较好的控制，但由于拖拉管特殊的施工工艺，在随后的回扩操作可能改变钻孔的位置，为了减少偏离，不同地层可采用不同的回扩器。刮刀回扩器用于软土层，筒形的回扩器用于混和土，镶嵌合金钢牙轮回扩器用于岩石层，回扩器的类型和地质条件直接影响回扩速度，采用与地层相匹配的回扩器和适当的钻进液流量是回扩施工的关键，同时也是对维持孔壁稳定预防塌孔的有效手段。
在非开挖定向钻进管线施工过程中的轴线、高程偏差，主要发生在回扩阶段，每扩一次孔的测量控制，跟导向孔钻进测量方法相同，
扩孔结束相当于开挖沟槽结束，拖拉管采用的管材一般为钢管和高强度的聚乙烯管，对于接头都有相关的检测方法。
二.拖拉管回拖前及铺管结束后的质量检测.
1．管材质量控制：
用于拖拉管施工的产品管，大多属于新型产品，材质应根据设计要求对环刚度及*大拉力等指标进行检测（送相关检测单位）。
2．高程、轴线检查：
由于大多数导向孔需要多次回扩，将孔径扩至能铺设管道，（终孔孔径一般为管线外径的1.2～1.5倍）。如果采用高强度聚乙烯管，管道施工完毕将悬浮于管道内，高程H偏差在±（D－d）/2之间，在施工管回拖过程中，通过不断的清运泥浆，尽量减少孔道内泥浆，预防由于泥浆固结所引起的管轴及管底标高与原设计的差距。通过其工程实践，回拖结束立即对管底标高检测，及相隔两月后再次利用探头及导向跟踪仪对管底标高进行检测，变化很小。
另外为控制管底高程还应尽量控制扩孔系数。
3.管道变形控制和检测：
考虑到排水管应满足设计排水流量的要求，工程施工完毕，应对管道变形进行检查。
根据上海市工程建设规范《埋地塑料排水管道工程技术规程》DG/TJ08-308-2002 （J10185-2002）关于管道变形的检测方法：
（1）人不能进入管内的塑料管可采用圆度测试板管内拖拉进行检测，圆度板直径（0.95 +0-0.02）Di（管内径）。
（2）人能过进入管内的塑料管当DN≥600mm时可直接进入管内检测其实际变形值。
根据工程实际施工情况，管子拖拉铺设结束后，水有可能进入管道内，对采用圆度测试板对管道变形检查，拖拉法有难度。建议采用类似于通球法的检查方法，（根据设计核算的*小排水流量制作模型采用内拖法检查）。
4.管道的闭水试验检查
由于CJJ3-90市政工程质量检验评定规程中，闭水试验只有在陶土管，混凝土管，钢筋混凝土管和石棉水泥管等管材进行，所给定控制指标不适用于塑料管及其他材质的排水管。
根据不同的验收标准都有不同的取值：
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管道长24h的允许渗水量m3/（24h.km）；
D —管道内径（mm）。
式（2）中Q —每10m管道长30min的允许渗水量L/10m.30min；
D —管道内径（mm）。
我国目前对塑料排水管道的验收一直采用中国工程建设标准化协会标准即CECS122:2001，由于本工程管材接头采用的是电热融式接头，所以闭水试验推荐采用CECS122:2001规程中的24小时管道渗水量要求，即（式3）。
综合以上所述，通过对导向孔钻进前，钻进过程中及回扩过程的轴线，标高监控测量以及管线回拉后的高程轴线复测，管道闭水试验，变形检测等工艺指标的控制，通过监理检验，基本上达到了预期制定的控制目标。
根据对本工程的监理实践及专家验收会议的*终讨论的验收结果认为，非开挖钻进技术拖拉管施工工艺用于倒虹吸管。建议对以下工作内容进行检查验收，基本上就能满足设计及使用要求了：
1. 管道覆盖深度，推荐采用非开挖协会的施工技术规范中规定：穿越的*小覆盖深度，大于钻*终回扩直径的6倍以上；在穿越河床时，应在河床断面*低处之下5m以上。
2. 管道接头检查用焊缝检测仪对管线进行连续检测。
3. 倒虹吸管进出口的检查井，根据CJJ3-90《市政工程质量检验评定规程》中管道检查井的检查内容进行验收。
4. 进出水口的高程，轴线，满足设计规定
5. 压力管道强度与严密性试验， GB50268-97只对钢管有压管做了规定，而对塑料管并没有规定，所以推荐采用有压管与无压管临界值0.2Mpa，作压力试验的控制指标。
6. 变形检测推荐采用上海市工程建设规范《埋地塑料排水管道工程技术规程》进行检查。
三、拖拉管施工的建议与存在的不足：
1. 拖拉管施工用于市政雨污排水管，无验收标准。很难依据排水工程验收规范验收。所以施工前监理要与业主、质检站、设计单位拟订验收标准、检测频率和验收办法。承包人必须确认能达到这些要求，才能采用拖拉法施工。
2. 产品管与回扩孔（拖拉施工完毕）的间隙如何处理，不能象开挖施工那样回填密实对于横穿道路管线，孔内泥浆固结后，道路边可能随之下沉。
3. 当施工现场有干扰时，如无线电发射台、大型钢结构、输电线路、变压器等将影响手持式跟踪仪的测量精度。
4. 由于拖拉管施工法铺设的管道管内底高程误差较大，所以只适用于对管道高程要求不高的有压管（如自来水管、油气管）和电缆护管的铺设。其高程精度很难达到雨水管、污水管的要求
水平定向钻钻进轨迹和控制
非开挖铺管的关键技术在于导向钻孔轨迹的精确控制，确保避开原有地下管线及障碍物，按设计路线准确、顺利地铺管。它的基本步骤是：采用先进的导向探测仪对地下钻头的前后倾角、深度、导向板面向角等进行测量，根据测量结果人为预定其导进方向，并不断地调整钻头面角进行推进或继续钻进。其中，“人为预定”是凭操作经验来进行的，依靠操作者判断和调整前进方向，这就使导向精度和速度降低。一旦发现当前钻出的孔段轨迹与理想轨迹有差异时，退回重新校，由于在先期的钻进过程中，旧孔轨迹周围环境在高压泥浆液的强力冲刷下已变得松散，再想靠导向板的推进来改变方向校正出新轨迹孔就较为困难了，往往要退回很大的量才能校正过来，并且回程量也只有靠经验来控制。因此，在导向钻进时总是希望能够预先知道按操作控制所能得到的地下轨迹，*好是在设计好钻进轨迹时就有一套操作控制程序。对此，进行非开挖导向钻进轨迹的研究是非常必要的。
一、几何关系的建立
在导向钻进过程中，钻头以回转钻进和只推进两种方式运动。回转钻进时，其方向不发生变化，轨迹线为直线；推进时，其方向会按一定的规律变化，轨迹力地下空间曲线。这样整个钻孔轨迹由若干段直线和弧线组成。因此，导向钻进轨迹的基础是空间解析几何，必须按照有关线、面、角的数学定义来表达钻孔轨迹控制的几个基本参数而建立数学表达式。这里不妨取垂直于地平面的方向为Z轴；南北方向为Y轴；东西方向为X轴。按空间解析几何，可以建立或推导出以下关系方程式。
1、钻头当前轴线——钻进时钻头当前方向线
设m、n、p为轴的方向余弦，a、b、c为钻头当前的地下空间位置定标，则有钻当前轴线方程为
==①
2、钻进方向面——垂直于地平面且通过钻头当前轴线的平面垂直于XY平面的方程可设为：
AX+BY+D=0 ②
且钻进方向面与钻头当前轴线重合，则满足钻进方向面定义的平面方程是式①和式②的联立解。解法向矢量，得走向面方程为：
-X+Y+Z=0 役
3、轨迹面——钻头轴线与导向钻头导向板面法线所构成的平面也就是以钻进方向面为起始，绕钻头轴线转一定角度θ所形成的平面。因该面通过点（a，b，c），所以可设其方程为：
A1（x—a）+B1（y—b）+C1（z—c）=0 ④
4.钻头面向角——钻进方向面与轨迹面之间夹角θ
由钻进方向面方程③和轨迹面方程④可得这两个平面的夹角，即钻头面向角方程为：
ｃｏｓθ＝⑤
因轨迹面通过钻头轴线，
则有：
Ａ１ｍ＋Ｂ１ｎ＋Ｃ１ｐ＝０⑥
Ａ１ａ＋Ｂ１ｂ＋ｃ１ｃ＝０⑦
因此，若已知钻头面向角θ，则联立⑤、⑥、⑦三式可解得轨迹面方程中的参数Ａ１、Ｂｌ、Ｃ１。
导向钻进的几何学实质是：在钻头当前轴线所确定的钻进方向面基础上，调整钻头面向角后，得到新的钻进轨迹面，在新轨迹面上钻头以一定的造斜强度给出新的弧形轨迹线。用每单位长度钻进量后钻头轴线在轨迹面上的角度变化值表示造斜强度。
上述关系的建立，使我们在原理上能够计算导向钻进在任意钻进量时钻头在地下的空间位置、倾斜角度和前进方向。同时注意到计算的复杂性和工作的庞大，因此可以编制软件借用计算机工具解决运算问题。
二、钻孔轨迹的控制设计
导向钻进的轨迹设计一般要考虑三方面的要求。
１、铺设管线的深度和水平距离；
２、避开的地下管线和石块等障碍物；
３、钻进角度或出钻角度的弧度变化控制。
例如说，在横穿马路钻进施工中常见到这样的情况：钻机置于马路边缘一定距离外，钻机以一定的钻进角度开孔，向下偏导向钻进，希望经过一定长度的弧形轨迹，达到铺管设计深度时钻头的方向恰好调整到水平方向，再保持水平方向旋转钻进，保正钻孔准确地从地下原有两根管道之间的间隙中穿越。如果不进行钻孔轨迹模拟预测，没有精确的控制方向参数，单靠人工的施工经验操作就很难保证施工成功，甚至造成重大事故。
为了得到一套*佳的控向钻进操作方案，在实际施工前，我们可在计算机上用导向轨迹模拟对全孔导向钻进进行模拟演示。根据输入的钻进操作参数和勘察到的地质勘探报告参数，经过对土质的力学分析，再进行按某一套方案模拟演示后，其偏差情况一目了然。如果觉得这套方案不理想，可以分析修改原输入参数，再进行模拟，经过若干次模拟使钻进轨迹达到满意，*终得到一套*佳的钻进操作方案。根据模拟演示确定一套钻进操作参数，在理论上计算出导向轨迹曲线，再根据导向轨迹曲线确定具体的操作方案，这样循环若干次的反复互相校正操作方案和设计导向轨迹曲线
定向钻穿越回拖大口径管线的发送技术
在定向钻穿越管线施工中，在管道出土端经常会遇到一些复杂的地形地貌，如河流、沼泽、街道、河堤、公路、铁路、丘陵山地、建筑物等诸多障碍，给管线回拖造成了很多障碍。可是在实际工作中管道发送技术往往不被重视，在回拖过程中发生诸多风险。随着长输管道大量的建设，探索解决长距离定向钻穿越回拖管线的发送施工技术就显得尤为重要。定向钻穿越回拖管线发送方案的选择应结合施工现场的地形地貌的特点，若因场地限制预制管段不能直线布置，应在出土点保持不少于100m的直管段，方可采取弹性敷设，敷设曲率半径R≥1500D(D为穿越管道的外径)。下面结合施工的定向钻穿越工程实例，谈谈定向钻穿越管线在不同地形条件下管道发送的方案选择与施工方法。
1 一般地形条件下的施工方法
目前，经常采用的定向钻穿越管线回拖发送方法主要有发送沟发送和发送架发送两种。
1.1 发送沟发送法
在出土端地形较为平坦，土质为粉土、粉质粘土、砂质粉土等地质条件下，如果地上与地下无障碍物、取水方便的情况下一般采用开挖发送沟的方式。此方法较为方便快捷有效，无需其它措施用料，施工简单、操作方便、施工成本低，对回拖管径没有特别要求，管沟略有水平弯也无影响。但要求施工地形较为平坦，土壤中无石块、砖块等杂物。施工的具体做法为：在穿越出土端预定位置预制穿越拖管线，再根据地形、出土角等确定开挖管沟的深度和宽度。一般情况下，发送沟的下底宽应比穿越管径大500mm。再向发送沟内注入一定量的水，一般管沟内*小注水深度宜超过穿越管径的1/3。发送沟的水平与纵向曲率半径应满足穿越管道弹性敷设的要求，通常情况下，其曲率半径R≥1500D(D为穿越管道的外径)。
1.2 发送架发送法
在出土端地形较为复杂（丘陵、成品场地）或者土质较差（碎砖碎石多），不适合采用发送沟的情况下可采用发送架发送管道的方法进行管道发送。具体施工做法为：采用钢架双橡胶滚轴发送架做发送道，发送架架体根据发送管道管径的大小选择槽钢制作，滚轴支撑采用Φ50的圆钢，滚轴采用特制的空心橡胶圈套在圆钢上。回拖时发送架的布置应根据管道的外径、管道单位重量和管位标高等因素来布置。该技术的关键：（1）辊轮橡胶的硫化技术参数控制是关键之一，橡胶强度太硬会磨损管材防腐层，橡胶强度太软又会造成回拖时辊轮开裂，影响管线回拖。（2）发送架安装的稳定性控制，避免回拖过程中发生侧翻。
该方法的特点是能适用较为复杂的地形条件，能较好的满足管道纵向曲率和回拖时保护管道防腐层不损伤，同时也减小了管道摩擦，减小了回拖阻力，利于管道回拖。发送架一次投入成本较大，但是可重复多次利用。
2 特殊障碍情况下发送道的施工方法
由于受地形条件的限制，有时采用单一的一种方法不能解决现场实际问题，需组合采用上述两种方法或者采用别的方法。
2.1 过堤坝发送道施工方法
对于大江、大河的定向钻穿越，由于各方面的原因，穿越的出入土点经常会处于河道主防汛堤内。如仪长线九江定向钻穿越、金陵—扬子氢气管道长江定向钻穿越等数次大江大河穿越都是这种情况，穿越的预制管段必须经由防汛大堤。如果可能的话，宜采用开挖大堤构筑发送沟的方式进行预制发送管道。在这种大型河流的穿越中，由于防汛防灾的需要，该施工方法无法得到河流主管部门的批准而无法实施。在这种情况下，如果取土比较容易的话，可采用垫土造坡的方式，然后在土坡上安装高度较小的滚轴发送架的方法来完成穿越管回拖发送工作。经过多次施工，土坡易松散发送架易产生位移造成管道防腐层损伤。另外还可采用做钢支架发送架的方式来实现回拖管线的发送，即在大堤两侧设定区域内打入双排钢管桩，再将发送架安装于钢管桩上，钢管桩的高度依照设计的纵向曲率半径来确定。采用此种施工方法时对钢管桩的稳定性应特别注意，因为钢管桩不仅承受管道的重力，还承受水平推力的作用，因此钢管桩打入的深度、钢管桩的用材直径、壁厚都应慎重考虑，必要时可在仪长线九江长江定向钻穿越、金陵—扬子氢气管以加大钢管桩的打入深度、加斜支撑或者将钢管桩道长江定向钻穿越等多条穿江工程采用这种回拖都相互连接起来，这样将大大提高支架的稳定性。方法顺利完成管道发送任务。
2.2 回拖管过高等公路、铁路时发送道的施工方法
穿越预制管线必须经过高等级公路、铁路时，可预先顶进水泥套管穿越公路、铁路，并在套管内安装固定滚轴支架，套管的直径宜大于穿越管外径的1.5倍，套管内的发送道应与两端发送道平顺连接，其它区域可采用发送沟或发送架来发送管道。在川气东送管道南京支线长江定向钻穿越工程中经过营太公路时采用此方法顺利完成管道发送任务。
2.3 回拖管道经过街道的施工方法
由于地形地貌的特殊原因，穿越预制管线在必须经过街道（医院、学校、主要交通路口）时，为保证居民的正常出行和保证回拖管道防腐层不被损伤，可采用开挖发送沟后放置发送架。然后在居民出行路口铺设钢桥保证交通畅通，待回拖后恢复道路。在鲁宁线淮河定向钻穿越施工中就采用此种施工方法经过淮河大街，顺利完成管道发送。
3 结语
定向钻穿越管线回拖发送技术的选择必须由施工技术人员根据实际情况，认真研究地形地貌特征，因地制宜制定可行、经济的施工方案，同时还应做好管道回拖的应急预案和应急准备工作。总之，在管道发送时必须保证回拖管线的防腐层不被损伤以及尽量较少回拖管线与地面的摩擦阻力，满足管线的顺利回拖，减少定向钻施工的风险，进而取得更好的社会效益和经济效益。
管道定向钻穿越施工的可行性分析
摘要：简述了定向钻穿越的施工特点及可行性分析方法，对于给定的管道穿越工程，特别是针对复杂地质条件下的长距离大口径管道穿越，给出了可以采用定向钻穿越的基本范围条件，可为工程施工方案的选择提供借鉴 .
1 前言 目前水平定向钻穿越已经应用于多个行业的施工过程中，如石油、自来水、电力电讯等，成为比较成熟的非开挖穿越技术。近年来，世界范围内定向钻穿越技术得到了新的发展，特别是在石油天然气管道建设中，大直径的如Ф1220管道、长距离的如2km长管道都已经成功穿越。在我国，采用定向钻技术完成了长江、黄河等大型河流及海域的管道穿越工程，创造了一系列穿越世界纪录。
2 定向钻施工特点和可行性分析水平定向钻进管道铺设技术是在不清除地面障碍物的情况下，管道从障碍物的底部地下穿越，与其它管线铺设方法相比它对环境影响小，障碍物下管线覆盖深度大，对管线保护的效果好。由于不需要清除地上障碍物，并且施工现场恢复工程量较小，可以减少工程建设投资。但是管线采用定向钻穿越施工受许多条件的制约，在穿越过程中存在不可预测的因素，一旦穿越失败将带来不可挽回的损失。
管道水平定向钻穿越包含钻导向孔、扩孔和管线预制、回拖等步骤，钻导向孔是沿着穿越曲线钻出一个小直径的孔，然后采用不同规格的扩孔器对导向孔进行一遍或多遍扩孔，以达到需要的孔径，*后将预制完的成品管线回拖入孔内，在全部施工过程中泥浆起非常关键的作用。
对于给定的管道穿越工程，能否采用定向钻施工主要应考察两个方面：即技术和经济方面。在技术方面，首先要通过工程物探和钻探等手段对管道拟选路由区的地质状况进行详细勘察，其目的是了解地形地貌特征，基岩埋设深度和沉积层（特别是砾石层）结构与厚度特征，各土层的物理力学特征，路由区地基土的稳定性情况，以及区内存在的灾害地质特征等。为定向钻穿越可行性分析提供基本数据：地层结构中各种土质的分类；砂砾质物等各成分的分布曲线；岩芯中岩石的品质、抗压强度、硬度。在经济方面，比较定向钻穿越与其它方法穿越的费用，在达到同一穿越效果情况下，如果定向钻穿越的费用低则在经济上就是可行的。下面主要讨论如何进行定向钻穿越技术方面的分析。
3 技术可行性分析定向钻穿越要在技术方面可行，关键是在穿越区域地下形成一个稳定的孔道保证管线能够顺利回拖，或地下土层已经成为流质使管线能够顺着这些流质在外力作用下得以回拖。但整个穿越段都是理想流质的情况比较少见，而且局部可能存在异物引起管线防腐层破坏，因此都要求管线回拖前有一个成形孔道，并向孔道中注入性能合适的泥浆。如果在回拖过程中该孔道能够保持畅通，回拖时作用在管线、钻杆上的*大应力和钻机设备上的载荷都在允许范围内，采用定向钻穿越就是可行的。因为穿越工程变化多样，并不存在明确的标准能说明定向钻穿越是否可行，而且还决定于施工单位的技术装备和经验。为了简便起见，分析穿越的技术可行性可通过与以往工程中的基本参数进行比较，即地层状况、穿越长度、直径，这三个因素作用在一起将很大程度上决定定向钻穿越的可行性。
首要考虑的因素是地层状况，其中两种地层*不利于穿越，即高砾石含量的砾质地层、强度和硬度特别高的岩石。地层中含有砾质成分太多时成孔难度大，因稳定性差不易被钻削成孔或成孔后局部塌方，并滞留于孔中不易被泥浆带走，成为钻头、扩孔器钻进和管线回拖时的障碍物。高强度和硬度的岩石同样是穿越的障碍，钻孔、扩孔速度特别慢，对钻杆、钻具要求高，钻进方向控制困难；相反，特别容易破碎的岩石象砾质一样给成孔带来不稳定的因素。地层状况与穿越可行性关系见表1。
管线穿越的路由地质情况可能相当复杂，不同区段含有不同的成分，尽管对穿越曲线优化设计，有时也将通过不利于穿越的地层，能否穿越决定于该地层穿越长度、连续性及在整条穿越曲线中位置，如改变几类地层排列顺序将使穿越情况完全发生改变。另外，对地层状况认识是建立在分析钻探岩芯性质的基础之上，由于钻探调查是非连续地进行，而管线穿越沿设计曲线连续进行，在实际穿越中可能遇到意想不到的地层，施工前需充分考虑各种因素。
穿越长度和管径主要受钻机和钻具的能力限制，因为在钻导向孔过程中，钻杆存在弹性使穿越长度不能无限延长，而且随着穿越长度的增加，对钻头的钻进方向的控制能力逐步减弱，导向孔很难按设计的穿越曲线完成。要实现成品管线的回拖，孔径需扩至管径的1.2～1.5倍，这样对于大口径管线穿越，对坚硬地层进行扩孔作业时扭矩非常大，钻杆强度有时不能满足要求；在表2管道定向钻穿越长度和直径*大的工程砾质、砂质地层情况下，径越大的孔道越难维持稳定状态而易出现塌方，这些因素限制了大直径管线的穿越。表2列出了目前已经完成的穿越长度和直径的*大纪录，分析定向钻穿越可行性时可与之比较。
对于复杂地质条件下的长距离大口径管道穿越工程，必须将地层状况、穿越长度、管道直径这三个因素综合考虑，在目前的技术和装备条件下分析能否采用定向钻穿越施工，可参考表3复杂地层状况下穿越管径、长度可利于管道的永久保护。但是能否进行定向钻穿越受行性表。许多因素的限制，需对特定管道工程的穿越可行性进行分析，通过对地层状况、穿越长度、管道直径三个主要因素进行分析，从技术角度给出了可以进行油气管道穿越工程采用定向钻钻进技术确为非穿越的基本范围条件，可为分析定向钻穿越可行性常好的方案，可以节省工程投资，缩短施工周期，有时提供一定指导
长距离、岩石层输气管道长江定向钻穿越施工技术
摘要:本文结合国家“十一五”重点工程中石化川气东送管道工程江西支线九江长江定向钻穿越工程,通过对施工特点及技术难点的分析,并针对施工技术难点采取了相应的措施,保证了穿越一次成功,为在复杂地质区域长距离水平定向钻穿越岩石层施工提供一些参考。
关键词: 长距离 岩石层 长江 定向钻 穿越 施工
1 工程简介
中石化川气东送管道工程是继青藏铁路、西气东输、三峡工程和南水北调之后国家的又一重点工程。该工程西起川东北普光首站,东至上海末站,管道全长2203km。
江西支线是从川气东送管道主干线上分出的一条支线,采用水平定向钻方式穿越九江长江。由于穿越距离长,穿越地段地质条件复杂,九江长江水平定向钻穿越为江西支线*大的控制性工程。穿越水平长度21 91m,实长21 99. 1m,穿越入土角16°,出土角7°,曲率半径l500D,*大穿越深度为地面下47.5m。管线设计采用φ508×11.9L450 LSAW钢管,管线设计输送压力为8.0MPa。
2 穿越地质条件
长江穿越管道主要在中等风化泥质粉砂岩和中等风化砾岩层,岩石硬度1.22～15.1MPa。两侧穿越点附近浅地层主要在粉质粘土、细砂、粉砂、圆砾中穿越,存在较大范围软硬不均的地层。九江长江穿越断面为小池－金鸡坡断面,江面宽约2000m,*大水深21.54m。
3 工程特点、技术难点及应对措施
3 . 1 工程特点
(1)穿越水平长度2191m,508mm管径是国内同等管径水平定向钻穿越长江岩石层距离*长的工程,穿越岩石层距离达1810m。(2)穿越地质条件复杂,存在大量的软硬不均的地层,包括夹含卵石层、中等风化泥质粉砂岩、中等风化砾岩层和砂土层,对工艺提出了更高的要求。(3)穿越入土角达到了罕见的16度,对长距离钻杆推、扭力的传递,导孔控向的准确性,预扩孔以及主管回拖将造成较大的困难。(4)穿越岩石管径大、穿越岩石层距离长,对钻具要求高,施工工艺复杂,施工周期长,且不确定因素多。
3 . 2 技术难点
(1)控向难度大:a)由于地质条件复杂,大范围出现软硬不均的地层,且穿越距离长、穿越深度较大,准确控向难度大;b)江面频繁通航的船只对信号棒测量数据的采集将产生磁干扰,大范围水域无法布置Trutrack地面信标系统,准确控向难度很大;c)岩石层导向孔穿越必须使用泥浆马达,钻头至信号棒间距离将加长15～16m,进一步加大了准确控向的难度。(2)泥浆工艺要求高:a)穿越出入土点附近软地层穿越要求泥浆的固壁性能要好,需防止泥浆漏失和塌孔;b)岩石层穿越要求泥浆的悬浮、携屑性能强,保证钻屑的顺利排出,对泥浆的性能要求很高;c)岩石层穿越施工各阶段均需要大排量的泥浆。(3)司钻及钻进工艺:a)九江长江穿越存在软、硬地层的结合,从软地层到岩石层、从软岩到硬岩的过渡穿越技术要求高;b)长距离岩石穿越,需要克服钻机扭矩大的难题;c)穿越地质条件复杂,长距离岩石层穿越在预扩孔阶段的修孔能力差,如何保证导向孔曲线的圆滑过渡是关键,以预防扩孔和回拖期间卡钻事故的发生;d)入土侧软地层的承载力较低,对出土侧钻头“抬头”时钻杆推力的传递影响较大,势必会造成“抬头”难的问题。
3 . 3 应对措施
3. 3. 1 控向施工工艺
a)开钻前利用信号棒和全站仪找出九江长江穿越中心线准确的大地磁方位角,以此为基准控制导向孔的左右偏差,弥补了因江面大范围水域无法布置Trutrack地面信标系统而可能产生的控向偏差。b)钻导向孔使用1.75°进口泥浆马达,减小造斜角度,有利于导向孔曲线的圆滑过渡,预防扩孔和回拖期间卡钻事故的发生。c)钻导向孔阶段钻具连接时采用两根无磁钻铤,以消除泥浆马达、钻杆对信号棒产生的磁干扰。d)在入、出土侧陆域,从出入土点到长江水边布置地面信标系统,精确测量地下钻头的位置。e)岩石段穿越时,增加信号测量频率,每钻进2～5m测量一次,以保证导向孔曲线符合设计曲线的要求。*终,导向孔顺利出土,与设计值横向偏差为0,纵向偏差为-0. 1m。
3. 3. 2 泥浆施工工艺
根据九江长江穿越地层条件的变化,采用复合泥浆配比技术,将使用定向钻专用膨润土按8%～10%重量比加淡水配出基浆,再按基浆重量的2‰ ～ 4‰ 比例加入的
各种泥浆添加剂,使用的主要泥浆添加剂有:固壁剂、增粘剂、清屑剂、润滑剂等,保证泥浆性能符合穿越地层的要求。施工过程泥浆性能调整如下:(1)软土层穿越段;
(2)岩石穿越段。
3.3.3 司钻及钻进工艺技术
a)针对穿越存在软、硬地层的结合的特点,从软地层到岩石层、从软岩到硬岩过渡穿越采用的施工方法为:首先放慢钻进速度,减小钻进推力,调低钻机的旋转速度,待钻头进入硬地层1～ 1.5m后,再加大钻进推力,调整钻机的旋转速度,防止速度过快造成钻进曲线偏离预定的目标。b)选用低扭矩的对开式岩石扩孔器,并增加牙轮数量,以克服长距离、大口径预扩孔扭矩大的难题。c)导孔阶段,司钻要时刻掌握方位角、倾角的变化,根据穿越进尺及地质情况,调整泥浆压力,保证泥浆马达的正常旋转切削d)预扩孔阶段使用比上一级孔径小11/2″ -2″ 的中心扶正器,中心定位器主要是为保证扩孔的圆心度,完成扩孔后防止形成椭圆形孔洞。e)扩孔期间对钻机扭矩、拖力变化的观察,特别注意扩孔过程中的各种数据变化,控制好扩孔速度和泥浆流量。在扩孔过程中,针对易出现的卡钻现象,采取的措施是:当扭矩波动较大时,减小推拉力、降低钻速,减少泥浆压力和排量,使得钻头减轻振动,并通过自行找正以修理接触面。
3.3.4 针对此次罕见的土角穿越,采取下双层套管的施工针对此次罕见的16度穿越入土角穿越,在导向孔施工阶段,入土侧斜孔段软地层采取下双层套管的施工方法,一方面防止江滩近水边浅地层软土长时间受泥浆浸泡后塌陷堵孔,另一方面有利于长距离穿越钻杆推、扭力的有效传递,解决了出土侧“抬头”难的问题。
3. 3. 5 特殊配套钻具九江长江穿越需要岩石钻头、泥浆马达、岩石扩孔器等特殊钻具,根据穿越长度、管径、地质条件,特从美国购进两套岩石扩孔器、泥浆马达和一批65/8″S-135级优质壁厚高强度钻杆,以满足此次超长距离岩石层定向钻穿越对钻具的特殊要求。
4 结语
施工中,虽然在夹含卵石层、中等风化砾岩层、中等风化泥质粉砂岩、粉细砂等复杂地质条件下进行水平定向钻穿越风险极大,难度极高,但经过科学施工,九江长江
穿越一举获得成功,得到了业主的肯定,同时创下了508mm管径水平定向钻穿越长江岩石层距离*长的国内记录,并打破了2005年仪长原油管道九江长江穿越工程中创造的1780m的岩石层穿越纪录。
摘要：本文介绍了上海上水自来水特种工程有限公司采用奥格DD-440钻机在湖南成品油管道二期湘江定向钻成功穿越地下复杂岩层铺管的施工情况，重点介绍了施工存在的难题和解决办法。
非开挖技术之定向钻进施工及其质量控制
1、工程概况
某市政工程是深圳市至汕头市一级公路改造的 配套给水工程。地下给水管道横向穿过深汕路的机动车道、非机动车道、人行道及绿化带。常规明开 挖施工需要封路、破路。由于深汕路车流量非常大， 为避免破路铺设管道施工给繁忙的交通带来干扰和 阻碍，所以决定使用非开挖技术的定向钻进施工完成地下给水管线的铺设。
本工程导向过路管、水平导向拖拉铺管的给水 管径为DN600，长度约97 m。使用HDPE给水管（聚乙烯管道），材质环刚度为10 MPa。
1.1泥浆配制
泥浆配比是否合理，对成孔起决定性作用。施工前，根据地质情况制定泥浆配制体系，通过控制 压力、调整泥浆浓度、钻杆旋转速度，以完成正常钻进作业。针对不同地质条件和各钻进距离，调整 加入的各种聚合物，保证施工过程中孔洞稳定、提 高泥浆的抑制性、形成规则稳定的井壁和降低摩阻 以减少钻井扭矩及推进阻力，从而达到提高机械钻速的目的。同时，要保证泥浆具有良好的孔洞净化 能力。由于此次施工需要使用泥浆马达，为了满足 泥浆马达的工作压力，泥浆的黏度必须达到60 s以 上，流量为1 000 L/min。
2.2导向孔钻进
1） 根据设计轨迹和方位，确定钻机位置、固定 钻机并连接泥浆系统及辅助系统
2） 通过钻机上的各种仪器、仪表的读数来确认 地质层面情况；根据泥浆排出情况，确定调整泥浆参数
3） 导向钻进时根据设计好的钻孔轨迹，注入膨 润土泥浆。严格控制导向仪方位、曲线深度，钻出精确而曲线平滑的导向孔
2.3预扩孔
导向钻孔完成后， 卸掉探测棒， 安装上楔形挤扩器， 分别用150、300、400、600、800、1 000 mm进行逐级扩孔（根据实际情况确定）。经二次扩孔后将卵石挤向周边形成孔洞， 并根据各段不同土质配制不同浓度的泥浆， 使每次扩孔时回拖力的数值和扭矩值控制在钻机正常工作参数之内。若回拖力的数值和扭矩等参数过大时， 可用1 000 mm挤扩器再进行一次洗孔， 以保证孔洞的正确形成。
2.4管道回拖
1）导向扩孔完成后，先检査回拉管线。检査合格后 根据现场采用发送台作为回拖管线的发送方式。*简单的发送台是以装满膨润土的包装袋作为基座，在包装袋上垫上蛇皮袋， 抹上适量的黄油作润滑材料， 减少主管接触面的摩擦， 以在进洞前有效地保护主管的防腐层。
2）管道回拖时按以下顺序进行钻具与管道连接：动力头→动力头保护短节→钻杆→扩孔器→旋转接头→U型环→拖拉头→管线。拖头与回拖管线焊接后进行回拖。施工中根据钻进时获取的资料调配不同的泥浆浓度。
3）回拖的同时根据钻机参数注入适当量的泥浆，减少管道与孔壁的摩擦， 确保管壁防腐层不被破坏，并能使管道与孔壁的缝隙充分填满。通过膨润土的膨化作用完成孔壁与原土的完整结合。
4）回拖管道完成后割下拖头、焊上母板， 进行管口保护 2.5 完工作业
回拖管线完成后进行回流泥浆处理， 清洗钻机；撤离现场， 进行现场地貌恢复； 整理竣工资料后上交监理方（或建设方）。
3 施工技术质量控制措施
3.1 防止定向钻在钻孔时呈“S”形
在定向钻穿越的施工过程中， 导向孔的平滑与否、能否与设计曲线一致以及杜绝导向孔呈“S” 形是顺利完成穿越施工的先决条件。可采取以下措施。
1）测量放线过程中， 用全站仪对出、入土点进行确认。
2）采用有线控向系统。开钻前校验探头精度，控向电缆采用加厚耐磨绝缘层的进口电缆， 确保在钻导向孔过程中的控向信号安全。
3）在开钻前， 用探头在地面上测得设计轴线方向对应的地磁方位角， 并多点反复测量， 保证精度。
4）施工前进行地质条件分析， 按设计曲线在坐标纸上以每根钻杆连接的方式画出穿越曲线图， 给每根钻杆标号注明相应的地质情况。在钻进过程中，根据钻进位置的地层情况对泥浆黏度进行控制， 随时根据地质条件调整泥浆压力、泥浆配比等参数，防止地下塌陷等因素影响钻进方位角。
5）钻机就位后， 需精确测量出夹角的大小， 计算出水平漂移量并记录下来。钻孔时每根钻杆改变的角度应＜ 0.5°， 而且不能是连续的上升和下降， 避免钻杆在地层中呈“S” 形， 保证钻孔曲线的光滑，提升导向孔的钻进质量。
6）在导向孔的钻进过程中， 严格监控每根钻杆的倾角、方位角、地球引力向量等数据； 对比预先计算的结果， 如出现穿越偏离设计曲线或水平漂移的现象， 应及时抽回钻杆， 调整修改角度， 保证穿越曲线在正常范围之内。
3.2 确保定向钻出土点偏差控制在设计范围内 为确保定向钻出土点偏差控制在（设计轴向的）纵向不大于穿越长度的1%且≤ 10 m、横向不大于穿越长度的0.2%且≤2 m的范围内， 采取如下措施。
1）测量放线过程中， 用全站仪反复测量、计算，确认出土点。
2）对控向探测装置进行消磁及校验， 以保证探头的准确性。
3）对定向穿越轴线采用不同位置， 多次复查测量， 取其平均值， 减少人为误差。
4）设计与实际相结合， 参照实际的水平长度和地面高程， 根据设计图纸中穿越直线段和曲线段的长度和曲率半径、弧度， 采用钻杆连接方式在坐标纸上做出穿越方案， 标明每根钻杆的设计折角及深度， 确保穿越过程中实际的曲线与设计曲线相一致。
5）在穿越前， 对穿越区进行磁场测量。如该地区磁场干扰较强， 应建立磁场布控， 确保穿越过程中计算机显示数据的准确性。
6）穿越中， 针对回馈资料的DIP （磁倾角）、Dec（磁场偏角） 和Gtotal （地球引力向量） 进行分析。如出现数据变化较大， 不能稳定保持的情况， 而穿越地段又处于河流中间无法进行磁场布控时， 应按前一根钻杆的测量结果来进行综合分析， 以便下达正确的穿越指令。
3.3 确保回拖顺利成功
1）施工前对钻机、钻具及泥浆配套系统等设备进行全面检查及维护保养， 确保钻机及其动力系统性能良好， 运转正常； 泥浆系统通畅， 压力能够满足回拖要求。对钻杆、无磁钻铤、切割刀和扩孔器等钻具进行探伤检查（Y射线或X光检测等）， 确保钻具无裂纹， 强度满足回拖要求。
2）在钻进过程中， 导向孔曲线应符合设计图纸的要求， 且曲线平稳、圆滑。
3）在*后一次回扩时， 采取扩孔器直径比穿越管道直径大1.5倍的方式进行连接后扩孔。扩孔之后采用扩孔器与管道连接的方式进行回拖， 才能保证在回扩过程中钻机的大部分动力应用在拉力上， 从而避免直接采用切割刀、扩孔器、管道连接而造成的钻机动力的分散， 确保回拖的成功。在回拖时钻具连接要迅速， 尽量缩短钻具在导向孔内的停滞时间。
4）全部连接并检查无误后， 用泥浆进行冲洗钻具， 确认钻杆内通畅无异物， 泥浆喷嘴畅通无阻后，正式回拖。
5）管线回拖应连续作业， 回拖速度≤2 m/min。根据地质变化应随时调整泥浆的黏度和压力。泥浆应由膨润土、泥浆添加剂和清洁的淡水搅拌而成，并保证回拖过程中使管线能悬浮在泥浆当中， 以减小回拖阻力， 保护管道的防腐层。
6）回拖过程中， 工作井与接收井之间要加强联系， 遇到情况及时处理。
3.4 确保回拖时管道防腐层不被损坏
1）钻导向孔时， 要保证导向孔圆滑、平整， 避免出现超限的拐角。在回拖时采取的切割刀扩孔器直径比穿越管道直径大1.5倍， 以减少回拖阻力， 同时减少管道与孔壁发生的刮碰现象。
2）泥浆配比随地质情况变化， 在回拖时对泥浆进行处理， 加入一定数量的防卡剂、防塌剂， 减少管线和井壁的摩擦阻力， 并起到防塌作用。孔内形成的泥饼要薄、坚韧、质密， 失水量要小， 黏度在60 ~ 80 s之间即可。
4 结语
非开挖技术代替土建施工（挖槽埋管法）， 避免路面开挖， 降低施工费用及解决了传统开挖不能施工的问题。通过施工单位质量自控， 以及监理单位对导向孔钻进前、钻进过程中及回扩过程的轴线、标高监控测量以及管线回拉后的高程轴线复测、管道闭水试验、变形检测等工艺指标的控制和检验，可达到预期制订的质量控制目标
西气东输管道工程某标段定向钻穿越施工方案
1 工程概况
1.1 西气东输管道工程无*-常*公路定向钻穿越管段管径为Φ1016×26.2mm，采用直缝埋弧焊钢管，等级为X70。设计压力为10Mpa。钢管外防腐涂层采用三层PE 加强级防
腐，内涂层采用减阻内涂层。穿越管段补口采用定向钻穿越专用辐射交联聚乙烯纤维加强型热收缩带（简称“定向钻补口带” ）补口。连接段补口采用带配套底漆的三层辐
射交联聚乙烯热收缩套（带）。热煨弯头外防腐采用双层熔结环氧粉末加强级防腐。无*-常*公路穿越段位于无*市查桥镇西侧，北侧为周巷村，南侧为王岸圩村。管线走向南北向。由于九里河两支流距离公路较近，切开挖难度较大，所以本穿越段将九里河支流与无*-常*公路一次连穿。
本次穿越曲率半径为1200m,穿越段管底设计标高*深为-17.00 米，入土角为9°1′，出土角为5°58′。定向钻穿越总长度为571.2m（水平长度）。
1.2 穿越设备
无*-常*公路定向钻穿越使用HDR-220 型水平定向钻机施工，该钻机推拉力为220吨，扭矩为8 万牛顿·米，是1998 年从美国引进的大型钻机，性能优越，完全能胜任穿越任务。
1.3 主要穿越的地层在勘探深度范围内，地层大致可分为4 大层，①层粘土，②层粘土，③层粉质粘土，④层粘土，地层较稳定，公路穿越段路基以下各土层均可进行定向钻穿越，九里河穿越段黄海标高-4.61m 以下各土层均可进行定向钻穿越。管道主要从粘土层和少量粉质粘土层通过。 2 施工方法
2.1 施工准备
2.1.1 组织技术人员及主要工种人员熟悉图纸和施工场地，详细了解穿越地质资料。
2.1.2 根据施工现场及周边道路情况，制定设备进场方案，确保设备安全、顺利到达施工场地。
2.1.3 根据穿越地层和施工现场情况，确定施工难点，讨论并提出解决的办法。
2.1.4 根据穿越地质资料，选择配备合适的钻具。
2.1.5 对所有参加施工的人员进行上岗前培训，培训内容以岗位职责、工程情况和HSE 为主。起重、电工、机械等特殊工种人员必须持证上岗。
2.2 测量放线
2.2.1 根据现场交桩时确定的控制点（HE040、HE041）及线-1833 提供的控制点WC-1、WC1、WC2，计算入土点、出土点的线路里程。同时计算有关控制点相互间的夹角。
2.2.2 由于两控制点（HE040、HE041）之间不能透视，根据计算的控制点间的夹角，采用经纬仪打出穿越轴线。同时根据出、入土点的线路里程，确定出、入土点的具体位置。
2.2.3 根据穿越轴线、入土点、出土点的具体位置，放出钻机中心线、锚固件位置及钻机场地、管线场地、管线焊接场地和泥浆坑的边界线。
钻机侧场地：100×80 m2
管线侧场地：80×60 m2
管线焊接场地：（575+30）×28 m2
2.3 三通一平
2.3.1 由于穿越设备体积大、质量重，为保证设备的安全、顺利进场，同时也为保证设备的正常组装、运转，入土点侧进退场道路和钻机场地须满足40T 平板车和25T 吊车的通行。
2.3.1.1 由于入土点侧三面环水，一面有村庄，没有进场道路。根据对入土点侧方圆的调查，设备进场有两个途径。
2.3.1.1.1 途径一：沿施工作业带铺管排直至钻机场地。管排制作见附件6 （无*-常*公路定向钻穿越管排制作示意图）。管排长度大约3km。
2.3.1.1.2 途径二：钻机场地附近有一工厂，仅隔一条16.5m 宽的河流（死水）。在与工厂协商后，可以有偿拆除一间平房和8m 宽的围墙，并加高厂房内的一座凉棚；在河床上并行摆放2 层数排Φ1.50m的涵管，涵管上面铺20mm 的钢板。在涵管间隙内、涵管和钢板之间堆砌装有土石的草袋，保证钢板、涵管受力均匀。钢板用量900×8m2。见附件7（无*-常*公路定向钻穿越进场道路过河段示意图）。
2.3.2 根据放线情况，平整钻机场地、管线组装场地和管线焊接场地，钻机场地和管线组装场地内每相隔4m，挖一条0.2m 宽0.2m 高的排水沟，要求排水沟互相连接，*
后通向泥浆池或周围河流，然后使用20mm 厚的钢板和管排铺垫，满足施工设备和人员的正常工作。经计算，钻机场地需管排和钢板合计4800m2，管线组装场地需管排和钢板合计3150m2，管线焊接场地根据现场情况调整用量。
2.3.3 挖好钻机侧和管线侧泥浆坑。
2.3.4 工程用电：自带发电机解决。
2.3.5 工程用水采用两台4″潜水泵抽附近河流的水。为保证正常供水，再备用两台4″潜水泵。
2.4 钻机进场、组装、调试
2.4.1 用单斗挖好锚固件坑（5.2×2×1m3），用25 吨吊车就位锚固件,锚固件四周用单斗压实。
2.4.2 用两台25T 吊车就位主机及配套设备。
2.4.3 全部组装完毕，并经检查无误后，调校控向系统，进行设备试运转。
2.5 导向孔作业：根据地质情况，采用9-1/2″钻头，5″S-135 加强钻杆进行导向孔、预扩和回拖作业。
2.5.1 在控向系统调校完毕后，组装地下仪表单元，连接钻头与蒙乃尔管。
2.5.2 试喷泥浆，检查钻头水咀，同时检查控向信号是否正常。
2.5.3 一切正常后，按设计曲线采用钻机推进或旋转钻进，进行导向孔作业。
2.6 预扩孔作业
2.6.1 导向孔作业完成后，卸下钻头与蒙乃尔管。
2.6.2 连接切割刀、扩孔器。
2.6.3 试喷泥浆，检查切割刀和扩孔器的水咀是否通畅，泥浆压力是否正常。一切正常后开始预扩孔作业。预扩孔作业时，必须保证两侧工地通讯正常。
2.6.4 根据穿越地层及穿越管径，进行五次预扩孔作业：
**次 切割刀30″ 扩孔器24″
第二次 切割刀36″ 扩孔器30″
第三次 切割刀42″ 扩孔器36″
第四次 切割刀48″ 扩孔器42″
第五次 切割刀52″ 扩孔器48″
同时，根据导向孔作业反映的推力和扭矩情况，决定是否增加24″切割刀与18″扩孔器组合进行**次预扩孔作业。在预扩到一定孔径时，需采用中心定位器配合切割刀、扩孔器进行预扩孔作业。
2.7 回拖作业
2.7.1 穿越管段预制完成后，在靠近钻机侧的管端焊上拖拉头。同时沿管线挖发送沟。
2.7.2 管线下沟，并在沟内注满水。
2.7.3 连接48″扩孔器、旋转接头、U 型环、拖拉头和管线。
2.7.4 试喷泥浆，检查扩孔器水咀是否通畅，泥浆压力是否正常。
2.7.5 一切正常后，开始回拖，直至管线在钻机侧出土。
2.8 设备离场回拖完毕后，设备撤离现场。
2.9 恢复地貌：
定向钻穿越施工完毕后，将铺垫场地、进场道路的钢板、管排，装车运走；进场道路过河段摆放的涵管和草袋、废弃的泥浆、油污及施工留下的其他各种废弃物要装车运走，场地要干净，并平整地貌。
3 施工主要技术措施
无*-常*公路定向钻穿越根据地质资料，在施工中将存在一些难点：⑴多次扩孔；⑵大口径管线泥浆供给。针对这些难点我们制定了如下措施：
3.1 多次扩孔
由于无*-常*公路定向钻穿越管径较大（φ1016×26.2）、质量重（639.54kg/m），在多次预扩孔作业后，形成的环形空间较大，同时，切割刀、扩孔器尺寸也相应增大，
使钻杆与切割刀连接部分承受的扭矩大幅度增加，容易造成切割刀与钻杆连接部位因扭矩增大而断裂。为此，在开工前，对切割刀、扩孔器的连接部位进行的探伤检查；同时，预扩孔作业到一定尺寸后，采用中心定位器配合切割刀、扩孔器作业。
3.2 大口径管线穿越工程泥浆供给
无*-常*公路定向钻管道穿越管径大，距离长，要经过多次预扩孔作业才能完成。这样对泥浆的需求量很大，而泥浆的配制需要一定的周期，因此要保证泥浆的供给，必须对泥浆进行回收重复利用。具体做法：在穿越的入出土点之间预先穿越一条Φ160×5mm 钢管（内部预埋一根4 分钢丝绳），作为管线侧泥浆循环回收利用的临时管线，穿越完工之后,将作为通信保护管使用。泥浆净化回收装置安放在钻机场地，设备的配备如下：双层线性高频振动筛、除砂器、除泥器、回收处理罐等。同时，在管线场地配置一台注砂泵。泥浆处理流程为：用管线场地的注砂泵先将废泥浆经临时管线输送到钻机场地入土点附近的泥浆池，用注砂泵把泥浆池中的泥浆注给振动筛，进行一级净化处理，除去大颗粒钻屑，然后经除砂器除砂进行二级净化处理，*后由除泥器除泥进行三级净化处理，将泥浆进行三级处理加以循环再利用。
泥浆回收利用的优点：
a、保证泥浆的粘度
b、减少环境污染
c、降低泥浆材料消耗
d、保证泥浆供给量
4 风险预测
4.1 经过计算，得出以下数据：
管子表面积=1824.82m2 钢管自重=365.63T
浮力-管重=97.87T 理论回拖力≈66T
根据国内外施工经验，并充分考虑回拖时的不确切因素和回拖风险，实际回拖力将达到150 吨左右，而HDR-220 型钻机的回拖力为220T,基本满足穿越的需要。
4.2 由于定向钻穿越前的地质勘探对地层的揭示有一定的局部性，不能够代表地层的全部情况。定向钻穿越轴线有可能局部经过地质勘探所没有揭示出来的地层。由于西气东输管道工程管径大，距离长，本身就已给施工带来了困难，如果经过不利于定向钻穿越施工的地层，有可能造成卡钻等现象，轻则延误工期，重则会使本期工程失败。
4.3 由于江苏毗邻大海，在夏季，常会受到台风等海洋自然天气变化的影响，届时可能会影响工程的正常进展。同时，无*地处长江下游，紧邻太湖、水系发达，施工期
间正值汛期，穿越场地附近又都有河流经过，所以，在施工期间要有专人负责收听天气预报和台风、洪水警报，及时同当地的气象部门联系，做好防灾、抗灾的准备工作，保证施工人员、机具的完好无损，在灾情缓解之后，早日开工，保证穿越工程的顺利完成。
浅谈岩石非开挖穿越
关键词：非开挖、穿越、岩石
采用奥格DD-440非开挖钻机在湖南成品油管道二期湘江定向钻穿越铺管过程中，成功解决地下复杂岩层穿越的困难，2011年8月24日直径323.9×7.9mm主管线钢管1180米拖管成功，2011年10月7日直径121×8mm光缆钢套管1180米拖管成功，创下我公司钻机在岩石穿越超长段施工中新的业绩，钻机及各种设备经受了考验，施工队伍的经验及水平有了较大的提高，圆满完成了任务。
1施工地点及工程概况
本次成品油管道穿越横跨湘江两岸，分属湖南省不同地区，入钻点在湘江东岸，位于衡阳市衡东县三樟乡长江村，坐标X:3030477.695，Y:393566.465，入土角10°，出钻点在湘江西岸，位于相湘潭市湘潭县茶恩寺镇龙井村，坐标X:3030331.378，Y:392445.383，出土角8°。
穿越主管为Ф323.9×7.9mm三层PE加强级外防腐，设计穿越水平长度为1127.2米，穿越管段实际长度1130.1米；Ф121×8mm光缆钢套管同孔穿越，施工时根据现场情况，出钻点多穿越一小池塘，实际穿越长度为1180米。本工程为湖南省成品油输送管道铺设二期工程，建设单位是中国石油化工股份有限公司湖南成品油管道项目经理部。工程建设成功将会使中石化湖南长岭分公司的成品油用管道输送，贯穿湖南省，为湖南省重点工程。
该施工地区为第四纪沉积，丘陵地貌，各类构造形迹在组合形态、平面展布特征上，具有明显的分区性，沉积厚度不等，下部为砂砾石层，上部为棕红色、砖红色网纹状粘土、粉质粘土，呈现明显的差异性升降，水文地质条件复杂，而此类地质构造复杂地段往往是岩溶异常发育地带，岩溶塌陷发育不完全，既有多条断裂交汇，促使岩层破坏和裂隙发育。
2工程特点
湘江定向钻穿越设计曲线上，需穿越部分粉砂层和卵石层，主要穿越地层为第四纪中风化灰岩层，岩石段长度近1000米，岩石*大硬度30Mpa左右，期间有未发育完全溶洞，且穿越路由岩石软硬变化大，这些都给施工带来了一定的困难，由于地质情况复杂，工程地勘报告提供地下信息有限。我们知道非开挖铺设管道的可行性，主要由3个基本因素所控制，即钻进长度、铺管直径、穿越地层状况，就本工程来说，由于对穿越地层情况了解有限，将给该穿越铺管工程带来较大的风险。建设方又要求尽量加强和提高穿越管道的安全和可靠程度，确保穿越段的施工质量，力争做到一劳永逸，要求保证管道铺设在河床稳定地层中。且穿越地域跨度大，协调工作困难。
3穿越主要设备
（1）钻机：美国奥格DD-440；动力：275kw×2电控环保双发动机；*大输出扭矩：72000牛·米；额定*大推拉力：200吨；结构形式：轮载式；控制标准：推拉2档，旋转3档。
（2）控向系统：美国sharewellMGS地磁导向系统；倾斜角±0.1°；方位角±0.3毅；工具面±0.1°。
（3）泥浆泵：兰州盛达3HS-250型撬装泥浆泵；动力：沃尔沃柴油机340kw，TAD1241电喷式；*大排量：2.27升/分钟；控制系统：远距离控制系统；泥浆输出*大压强：25MPa。
（4）钻杆：Ф127mmS135钢级标准石油钻杆。
（5）全站仪：NTS-352R。
（6）柴油发电机：180kW沃尔沃柴油机。
4导向技巧及体验
现场确定出入土点后，用全钻仪放线测距，穿越段湘江水面宽近800m，水流急，江面上行船、采砂船、淘金船较多，这些都给测量放线带来一定难度，我们就采用守候的方法，利用中午、下午江面雾气较小，视线较好时，抓紧时间测量，并在江两岸穿越线路上竖起长标杆，同时在江两岸重复测量，数据相互验证，以保证测量放线的准确性和精确度。
为使钻机导向时推动、扭矩更好的传递，避免因推力过大而使钻杆发生过度弯曲，从而折断，导向前在入土点下Ф325钢套管，具体做法是：在**节套管处焊装短节，以便与动力头短节相联，利用钻机推力把套管推入入土点中，钻机推进时注入泥浆，缓慢旋转，直至把套管推至钻机前端对接位置，然后再切割套管连接，重复焊接套管，直至把套管下至钻机推不动，接近岩石层为止，此次穿越下套管长度达100多米。极大的保障了导向的顺利进行。
由于前面所述的地质原因，施工中导向至*后拖管均不返泥浆，泥浆无法回收处理重复使用，除增大泥浆使用成本外，还给本工程带来很大的难度和风险，这在非开挖长距离穿越中也不多见。导向孔钻进是穿越的关键，为保证导向的成功，采取了以下措施：
（1）首先选用国内知名品牌的三牙轮钻头和泥浆马达；
（2）导向、司钻、泥浆三个方面密切配合，以导向人员为中心，做好各个方面工作；
（3）因为不返浆，对孔内情况了解甚少，采用多次回抽钻杆，提高泥浆浓度等方法，尽量排除孔内钻屑，将别在土壤与岩石交界面、软硬岩石交界面、裂缝及溶洞附近，更是细心操作，认真谨慎，多次回抽钻杆洗孔，尽量消除导向孔内的台阶，同时尽可能多的排除钻屑。良好的设备在我们精湛的技术操作下，一根泥浆马达，中途没更换完成岩石导向工序，导向穿越过湘江后，在接近出钻点地表铺设线圈，布置人工磁场引导地磁导向系统工作，提高导向的精确性，*终钻头在出钻点顶桩出土。
5扩孔、洗孔及卡钻的处理
导向工作完成后，为进一步清除孔内的钻屑，主要是大小不等的岩石碎屑，用自制的Ф250mm洗孔短节洗孔，然后用Ф400mm的掌式岩石扩孔器扩孔，扩进岩石不久，离出钻点200多米处扭矩逐渐增大，根据现场分析，估计进入岩石破碎带或卵砾石层，*终卡住，用前场钻机向后推也退不出。施工队首先用滑轮组在后场强力回拉，没有成功，主要是不敢使拉力超越钻杆的抗拉极限，以免损坏钻杆。后调用一台与前场钻机拉力相当的国产履带式钻机到后场，与前场钻机配合，一台正转，一台反转，角速度保持一致，*后回拉解卡成功。有了前面卡钻及解卡的经验教训，在后继的Ф400mm的岩石扩孔过程中，后场钻机一直予以配合，遇到复杂地层或卡钻时，配合前场钻机洗孔和解除卡钻，一直到Ф400mm扩孔器扩孔成功。实践证明，当回扩器卡钻时，利用钻机在出钻点与入钻点主钻机配合解卡，效果很好，此方法也适用土层、沙层回扩钻具被卡的解救。
从**道岩石扩孔的体验中，认识到针对这样的复杂地层，掌式岩石扩孔器工作效率不高，且易卡钻，在第二道Ф550mm的扩孔时改用国内知名品牌的滚刀式岩石扩孔器，为使钻机的大扭矩有效传送，扩孔前把孔内Ф127mm钻杆置换成Ф140mm钻杆，此后扩孔速度明显加快，7月27日Ф550mm扩孔器扩孔结束，紧接着再用Ф550mm岩石扩孔器洗孔，8月11日洗孔顺利结束。经过导向、扩孔、洗孔等工序，对穿越地层有了进一步了解，为回避风险，提高效率，现场决定对主管线和通信钢套管进行分孔回拖铺设，形成方案后上报上级主管及设计部门，经建设方组织专家论证会论证，同意分孔回拖方案，按此方案Ф550mm孔即行回拖铺设Ф323mm主管线，然后再打一导向孔回拖铺设Ф121mm通信钢套管。至此非开挖铺管结束，经试压等检验，管道铺设合格。
6施工中泥浆的应用
泥浆在水平定向钻穿越施工中极为重要，伴随着导向、扩孔、洗孔、拖管施工的全过程，故人们常把泥浆比喻为定向钻穿的血液，在岩石穿越施工过程中更是如此，且用量很大。施工中泥浆将钻孔中岩石置换，这就要求泥浆必须具有足够的携带岩石碎屑的能力和流动性，才能将岩屑悬浮并排至孔外，保证成孔的完好，拖管的顺畅。泥浆悬浮钻屑的能力越强，粘度则越大，这样流动性也就越差，故一般情况下泥浆的悬浮性与流动性往往是一对矛盾，虽然在施工过程中提高泥浆泵的压强，可促使泥浆的流动加快，但这对泥浆泵要求较高，且也是有限度的，如在土层施工，往往会使地面隆起，对钻孔附近土层扰动较大，再说过粘的泥浆，固相成份含量高，携带量也会下降，所以掌握好泥浆的粘度至关重要。
在导向时，配制约50秒粘度泥浆，回扩、洗孔因为要携带比导向时量更多，颗粒更大的岩屑排出钻孔，这就要求我们所配泥浆粘度更大，流动性也要好，此时我们运用了较先进的正电胶泥浆系统，尽量制出符合上述要求的泥浆，现场用泥浆比重计、马氏漏斗粘度计、PH试纸等测试工具，按要求及及时检验所配泥浆，根据检验结果调整泥浆配方，回扩、洗孔时泥浆的粘度均大于60秒。泥浆的正确运用为此工程的顺利完成起了较大的作用。
7后记
对长距离、复杂岩石地层的非开挖铺管工程，一定要事先做好地质勘查工作，按要求在穿越路由两边布点打好工程钻，取岩芯，搞清楚不同点地质状况，如遇疑难点，还需增加工程勘查钻孔的密度，做出详实的岩土工程勘查报告，特别是岩石强度，溶洞状况，卵砾石分布等，施工前要进行风险评估，制定应急预案，准备好应急工具、设备等，一旦施工中出现卡钻、塌孔等问题，立即启动应急预案，可大大降低工程风险，提高工程成功率。
世界人口增加、资源短缺、环境形势险恶，地表及地表以上空间拥挤之极，当前人类懒以生存的地球表面已不堪重负，世界各国都愈发重视地下空间的开发和地下工程的施工。中国人口众多，当然也不例外，而非开挖管线穿越施工就是充分利用地下空间、保护环境资源、提高工作效率的好方法。随着近年来该技术的飞速发展，岩石非开挖穿越施工从以前的研究性的逐渐面向管线铺设领域发展起来，在非开挖施工中所占份额逐年提高，岩石非开挖穿越技术也是衡量一个国家或地区在非开挖穿越领域水准的重要方面，对设备质量、人员素质要求高，极具前瞻性和挑战性，难度大，有较大的发展空间，这也需要从事非开挖穿越研究、设备制造、施工技术等各方面同仁的不懈努力
定向钻施工中泥浆在流沙地层的运用
摘要：本文以介绍了定向钻穿越流沙层如何控制流沙层施工风险。
关键词：水平定向钻、流沙层、泥浆、风险
在目前定向钻施工遇流沙层时，由于缺少有效的成孔手段，往往施工方会加大钻机吨位、增加膨润土或添加剂用量，以期能降低风险，即使这样，仍然没有把握。
笔者参与过流沙层工程的泥浆使用服务，有些实践和体会，在风险控制、降低成本增加效率、泥浆和添加剂选择原则与使用方法、泥浆与设备在工程风险控制中的相互关系，愿与大家共同探讨。笔者*大的感受是设备和辅助配套满足条件后，对于工程风险，如何选择性能符合要求的泥浆品种和合适的泥浆配方，才是解决问题的钥匙。
流沙的“流”是指沙子处于半流体状态，水减小了沙粒间的摩擦力，沙子变得非常易“流动”。当沙之间的水分达到饱和时，沙子会翻滚起来，流动的地下水向上流动，产生的力克服了重力，使得沙粒更易漂浮；地面的振动增加了浅层地下水的压力，从而使沙子和淤泥沉积发生液化形成流沙。流沙现象主要发生在细砂、粉砂及轻亚砂黏土等土层中。那么在流沙层中，控制沙层的松散、提高成孔强度、增加成孔泥皮层的胶结性、防易渗透等，就是流沙层成孔的关键要素。
由此可以看出，对流沙层泥浆配方作用的关键要点是扣住泥浆的护壁性和携带能力。护壁要保证在流沙层和孔道间形成有很好粘附力、强度、韧性的泥皮，以阻止流动泥浆对它们的相互影响，防止沙层吸取泥浆中的水分，造成塌孔和膨胀缩孔。携带能力是指泥浆对砂屑所表现的悬浮输送能力，如果泥浆没有良好的悬浮性能，停钻时流沙很容易沉淀堆积在孔底，当泥浆泵重新启动时，钻孔压力猛增，孔壁或周边地层存在被挤压裂开的可能，引起漏浆或渗漏；输送能力通常用浆屑比表示，即泥浆对钻屑的携带比例。笔者对市场现用的数十种膨润土，做了携沙性能的浆屑比对照，其中Mi-swaco膨润土在美国制造，它对细沙、粉砂浆屑比值为1:1，即用1立方米泥浆携带1立方米沙；其它膨润土泥浆的浆屑比值均为：3～6:1，即用3-6立方米的膨润土泥浆，有可能携带出1立方米流沙；尚不考虑这类泥浆形成的泥皮对孔道的保护效果。
膨润土作为泥浆基材，它的性能是影响成孔效果和携带性能的重中之重,笔者对同一品种、不同批次的膨润土、不同来源的膨润土十几种样品测试得到一批结果：
实验条件：膨润土:25g，清水:500ml（pH值7.5）低速搅拌10min，高速搅拌20min。实验仪器：马氏漏斗、API标准筛、范氏低温压滤机。
表1各膨润土泥浆测试参数
序号 膨润土名称 漏斗粘度 S 与Mi高效土
比值 含砂量 与Mi高效土
比值 滤失量
ml/30min 与Mi高效土
比值
1 Mi- 高效膨润土 151 1 3‰ 1 5 1
2 合资土 71 2.13 5% 16.7 12 2.6
3 华东土 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 华北土 50 3.02 5% 16.7 22 4.4
7 新疆土B 48 3.15 9% 30 29 5.8
8 广东土 46 3.28 8% 26.67 23 4.6
9 华东土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 东北土 36 4.19 8% 26.67 25 5
实验目的：检测各膨润土相关参数用膨润土配泥浆，形成概念上解决流沙层的泥浆配方不难；但要能切实保证在钻进时取得持续、稳定的携沙效果、不塌孔，没有性能好的膨润土和有针对性的添加剂那就会是困难的问题了。从表一可以看出，泥浆粘度越高对穿越工程而言，膨润土需求量就越少；含砂量高会致使泥浆密度升高,携带力弱，形成的泥皮无韧性和粘附力，易沉淀失水,降低机械钻速,诱发沉砂卡钻；泥浆滤失量指泥浆在孔径内受压差的作用后,部分水渗入地层,这种现象称泥浆的失水性能或滤失特性，滤失量越大说明泥浆护壁性能差、携带能力弱。易引起地层坍塌、泥浆沉淀、漏浆、冒浆等风险。
笔者在市场看到泥浆产品资料中，对造浆率、漏斗粘度、旋转粘度计粘度等参数的表述都未说明基本测试条件—膨润土和水用量，这极有可能出现资料表述的参数都符合使用要求，而实际使用时携沙能力弱，孔道易坍塌，因此让用户遇流沙工程时，因为对风险控制没有把握，尽量放弃这类工程，放弃不掉时，被迫用提高设备规格、过分加大膨润土和添加剂的用量等治表不治本的办法规避。有效的办法是选择性能符合的膨润土和添加剂；性能好的膨润土的基本特点：天然纳基土。*纯的蒙脱石（膨润土主要粘土成分）产生于初期的沉淀，美国怀俄明的膨润土蒙脱石含量不低于85%，基本取代钠、钙和镁离子。虽然在全世界范围内已发现不同纯度含量的蒙脱石土，但是在纯度上还是和俄怀明膨润土差异很大。很多价格低廉的膨润土蒙脱石含量很低，或者采用其他粘土矿物如：高岭石、伊利石、海泡石、绿泥石等作为膨润土原料，这些虽属于粘土矿物，但在阳离子交换能力、水化膨胀、分散、流变性及滤失特性效果和天然钠基蒙脱石性能没有可比性，针对流沙层施工所需要的性能显然不适合。
比如：膨润土吸附阳离子的总量，对膨润土的造浆率起很重要的影响：以100g膨润土交换的阳离子当量表示基本交换容量（BEC），各种粘土矿物的交换能力如图1所示。
图1粘土矿物的基本置换容量（mg当量/100g干膨润土）
还必须说及钠化膨润土，这是现在市场使用*广泛的膨润土，很多风险的产生也是由它而起。钠化膨润土是通过钙基膨润土（非蒙脱石粘土矿物）只是简单的添加了一些碱（烧碱-氢氧化钠(NaOH)、纯碱-碳酸钠（Na2CO3），能看到的效果是只提高了泥浆表面粘度；而对携砂力、凝胶粘度、护壁性这三个流沙层风险控制非常重要的性能毫无帮助，还易发生分离沉淀,也许会带来更大的风险和施工难度，对钻机和泥浆泵及配套设备的寿命影响也很大。
我们看看国内主要使用的膨润土和来自怀俄明州Mi-swaco高效膨润土之间的区别和对比。
取Mi-swaco高效膨润土14g，华北土37g，华东土A46g分别加清水（PH7.5）500ml，低速搅拌3min高速搅拌10min，配制出粘度均为60s的泥浆，之后添加细沙200g，低速搅拌3min后的情况，下面相对应的是静止一小时后的变化情况。
图2不同泥浆性能对比分析
我们可以发现膨润土性能的差别明显A：未发生任何沉淀，砂屑均匀B：泥水分离，砂屑大部分沉淀。C，泥水严重分离，砂屑严重沉淀。实验证明：衡量一种泥浆的适用性不仅能仅仅看泥浆粘度，尤为不能忽略的是包裹携带能力和护壁性，这是确保成功的必要元素。易沉淀说明泥浆护壁能力低，滤失量大，携带能力差。泥浆中的水分易和地层发生水化作用，加速地层膨胀和坍塌，增加多余钻屑量。
泥浆另一个重要性能就是流变性，这个词语被很多人提及，但是真正了解的并不多，所谓流变性是指外力影响较大时泥浆粘度会下降，流动性变大，以增加钻进效率、降低泥浆泵的负荷。在外作用减少时粘度会增加，不影响携带能力，不易造成停泵和停钻时钻屑沉淀孔径底部。笔者对表1的膨润土做了塑性粘度及相对、绝对粘度测试；
实验目的：检测不同膨润土泥浆各转速值，计算塑性粘度、动切力、静切力、绝对粘度。实验器材：ZNN-D6六速旋转粘度计、高速搅拌器、量杯、天枰。
实验步骤：各膨润土20g加清水500ml，高速搅拌30min。
表2不同转速值下泥浆的粘度
实验参数\膨润土名称 MI-高效膨润土 合资土A 华东土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
所有钻进变量都是相互联系的，改变其中任何一个变量都会影响其它变量。膨润土不能仅仅只保证工程完成，还要保证抵御所有施工风险，缩短施工周期和设备损耗。
再者添加剂的使用。笔者与很多客户做过现场沟通，得到的印象是对添加剂性能和效果了解不够，转而关注添加剂的价格，而没有感觉到适合的添加剂，对一个风险难以控制的工程而言，能起到“救心丸”的效果；在流沙层加了合适的添加剂，不仅可以提高施工的进度，还可以降低不同的施工风险，这里主要指降低泥浆滤失量、提高成孔稳定性和泥皮强度与韧性，保持管径畅通，无漏浆冒浆现象，返浆一致。还可以减少膨润土消耗及资源的浪费，缩小施工成本。目前市场添加剂功效的说法比较混乱，满足以上功能的主要有羧甲基纤维素（CMC），聚丙烯酰胺（PAM），正电胶等，这些都是在石油钻井中所经常使用的，在定向钻施工中虽有一定的作用，但不是*理想的，不具有专业的针对性，石油钻井面对的以岩石为主，而非开挖定向钻则以土、砂居多，定向钻施工中还要更多的考虑泥浆的润滑性和流变性。流沙层如果选择了不适合的添加剂，将会造成孔径坍塌和缩径等现象致使出入土点返浆不一致，甚至不返浆和地表冒浆等危害性。值得注意的是选用添加剂要充分了解所使用的膨润土参数及成分，不是所有添加剂都可以在任何膨润土泥浆中发挥作用。
下面是一个流沙层合理使用泥浆的实际案例。工程位于南京市鼓楼区中山北路与大桥南路交叉口，距离长江仅两公里，工程分为五扩一洗两托。根据现场地层调查，发现层位主要以流沙（细沙、粉砂）为主，根据现场采样测试：地层含砂量78%，含水率16%，土质4%，其他杂质2%（小颗粒卵石）。
泥浆方案：用PH>7.5的清水，1m3水加25-30kgMi-swaco高效膨润土,0.3kg，Mi-swaco的添加剂：白金派克（泥浆粘度为＞60S）。穿越长度80m，回扩至Φ1100mm，钻屑量：约75m3，管径距离地仅约2～4m。
图3入土点返浆情况
图4出土点返浆情况
从图可以看到，返出的砂屑和泥浆形成的携带环，砂屑均匀的被泥浆所包裹，清理和携带能力充分；两边返浆一致，管径非常畅通，未发生任何塌孔及漏失情况，也就是常说的形成了“活孔”，工程总共用时不足16小时。
无数成功和失败的定向钻施工经历反复的说明了以下条律：
（1）“好泥浆”并不仅仅是粘度；
（2）流沙工程中采用“大排量”、“高泵压”、“多加”膨润土等手段比较盲目，不能有效降低风险；
（3）不论是流沙层还是其它地层，一定要有“活孔”的概念，保持孔径畅通、稳定，钻屑和泥浆可以自由流动环形空间，还可以发挥钻机的*大性能，拉管会变的无风险和容易，完成更多的工作量，可以获得更大利润。
（4）没有相同的地层，就没有相同的泥浆配方。任何泥浆配方都应根据地层、施工要求，结合设备、工具等一系列因素考虑到合适，不能简单的依葫芦画瓢。
（5）科学使用膨润土及添加剂，不可以滥用和混用及不用，对工程来说是增加风险、增加成本。
（6）使用质量好的膨润土和添加剂不是成本增长、而是成本的下降。对工程而言可以说是事半功倍。
以上是笔者在实际工作中的拙见，愿与行业内的同仁们进行交流，帮助定向钻业在规避工程风险、提高效益出绵薄之力
顶管机的组成部分和工作原理
根据机型不同，顶管机至少由两部分组成，一是切削工具管(顶管机前面部分)，二是盾尾。这两部分通常都为圆柱形的管道，并通过铰链相互连接在一起。在这种情况下，切削工具管通过导向油缸支撑于盾尾，其作用是控制顶进方向并提供容纳破碎工具(切削刀盘和挖掘机等)的空间，同时也作为岩土的破碎空间。顶管机有时也由三部分组成，第二部分称为中部工具管(顶管机中部)，第三部分称为盾尾，作为顶管机和顶进管道之间的过渡部分。
对于较大直径的顶管机，为了安放所需的施工机械，也可以将紧接着顶管机的管道作为顶管机的后续部分来使用。
按照工作面的掘进和压力平衡方式划分的顶管机(盾构机)类型
水平定向钻进（HDD）用钻杆探讨
一、水平定向钻进技术应用领域
非开挖铺设地下管线技术（“TT”）已有百余年历史，但其迅速发展始于20世纪50年代。非开挖技术不仅能施工许多高难度地下管线工程，而且是一项有利于环境保护的技术，与21世纪联合国议程目标相一致，从而获得许多国家政府和公用事业的支持。*明显的是于1986年9月在英国伦敦成立了国际非开挖技术协会（ISTT）。迄今已有包括中国（含香港和台湾地区）共28个国家和地区参加，并成立了各自的非开挖技术协会，拥有千余家公司会员和近两千名个人会员。每年都有国际性技术交流会和展览活动。出版有专门国际性刊物——《NO DIG INTERNATIONAL》。
非开挖技术已被视为一项新兴的、包括设备制造与工程施工的产业，亦是很多基础设施地下管线工程不可缺少的技术。不仅有广阔持久的发展前景，而且其技术本身也发展特别快，应用领域日益拓宽。据估计，目前全世界从事非开挖技术的制造商已超过400家；从事非开挖技术施工的承包商已超过4000家。队伍还在继续扩大。
在非开挖铺设管线技术中除气动矛、夯管锤和微型隧道外，水平定向钻进技术（HDD－Horizontal Directional Drilling）一直是主要增长发展快的领域。正因为其有以下主要优点和应用领域：
1.HDD的主要优点：
（1）可以按照工程需要设计的钻孔轨迹，在非固结地层和岩层中准确施工水平孔或弧形孔和弯曲孔；
（2）可以先施工较小直径先导孔，然后经一次或两次以上扩孔施工较大直径的钻孔，铺设大直径管线；
（3）可以一次钻孔并铺设管线，超长管线亦可以分段接力施工；。
（4）可以穿越江河、沼泽、公路、铁路、机场、城市建筑物和禁止破坏地面区带以及绕障施工各类管线；
（5）技术较易掌握，作业安全迅速，可比成本较低；
（6）有利于保护环境，不影响交通，噪音低。
2.HDD的主要应用领域：
（1）管道
l 给水管道：用于生活、工业、农业、牧业、养殖、绿化、消防等。
l 排水管道：用于生活与工业污水、自然降水等。
l 降水管道：用于降低湖泊与地下水水位。
l 集水管道：用于大口径集水井和坑内集水。
l 油气管道：用于石油、天然气、煤气、燃油、液化天然气等。
l 热力管道：用于热水和蒸汽。
l 工业管道：用于工业浆液、煤浆、粉（颗粒）状物质输送。
l 环境监测管道：用于地下水、土壤污染监测与处理。
l 特种用途管道：如塌坑救险等。
（2）缆线：含量大、面广的电力、照明、通讯、广播、电视、光纤网络缆线等。
二、水平定向钻进技术发展与新成就
伴随着社会发展需求的促进、相关技术的进步、HDD应用领域的拓宽，加上本项技术行业界的努力创新，推动HDD技术不断向前发展，日新月异，呈现一派繁荣景象。新的成就主要有：
1.设计制造了从超小型到超大型一系列HDD用配套装备。包括能满足不同孔径、铺管直径、不同距离和不同工况管线铺设施工要求。表1列出了国外用于水平定向钻进钻机的若干性能参数（摘录自15家主要HDD钻机制造商提供的134种钻机数据）
2.研究制造出一系列高分辨率地下管线探测仪和探地雷达（Interrogator, Ground Penetration Radar）。目前探测有效深度从5m发展到20m左右。可以在施工前探明原有管线及障碍物，防止HDD施工时发生破坏性事故。一种新开发的被称作真空抽吸挖掘法（Vacuum Excavation）已被用来在土层中成孔（Potholing），以揭露地下原有管线，特别是用在如具危险性的电力缆线、光缆、煤气管道等。这种真空抽吸挖掘法不会破坏原有管线，通过反循环吸出被破碎之土屑而形成孔穴，可以直接观察到地下有无管线的真实情况。地下管线探测技术已发展成为TT技术分支，并已在国外成立了专业技术协会。
3.开发了完善的HDD导向“前视”系统。含发射器、接收器、钻头定位视屏、远程显示器、数据实时记录视图系统等。在深度较大或地表不能有效跟踪钻孔轨迹或难以保证精度时，则采用了有缆导向系统，信号通过专门设计的钻杆向地表实时传输（MWD）。
4.HDD施工实现高度机械化、自动化。发展了一系列现场机械化和自动化操作控制系统，包括钻机移动就位，搬移和拧卸钻杆，涂螺纹润滑脂、给进与回拉扩孔、铺设管线等。
5.研究开发了适应不同地层条件 HDD用循环介质。由于HDD大多在非固结地层施工，要求钻进循环介质有良好防塌、护孔、防渗漏、润滑减阻、减少泥包、降低回转扭矩和回拖力等作用。与比同时，推出了一系列高效泥浆制备与处理系统。
6.开发了多种钻进工艺。除软地层采用水力喷射回转钻进外，在硬岩和漂砾层成功采用了液动和气动潜孔冲击器。在长距离钻孔施工时为减少摩擦阻力发展了双管套洗（跟套管）钻进工艺。当推拉力偏小时则因地制宜采用分段施工法、回拉加顶推或辅以绞车作业法。
7.不断研究改进HDD用孔内钻具。包括钻杆、钻头、扩孔钻头、旋转接头、多管回拉头等。特别是钻杆及其连接的研究与改进（本文拟就此进行重点探讨）。
8.开发了HDD钻孔设计跟踪与管理、培训软件。如美国Vermeer公司的“Atlas Boreplanner”钻孔设计软件。在汇集了已有地下信息和工程要求数据后可以给出理想的钻孔轨迹设计和采用相关的钻进参数，如钻杆直径和长度、钻孔直径和深度、扩孔直径、拉入管子直径和允许曲率半径等；还可按照施工中获得的信息及时修改。相关的管理特别是人员上岗培训软件正不断被开发完善。
9.如今在TT领域里已成立了“定向穿越承包商协会（DCCA）”，并由该协会制定了一系列标准、规范和指南等。
三、水平定向钻进用钻杆
钻杆在所有钻探工程施工中都是*重要的常规、高成本配备和消耗器材。由于HDD技术应用日广，工况不一，施工条件（如铺管直径、长度、曲率半径、钻遇地层及障碍物、地面交通环境气候等）复杂多变，差异甚大。因此，施工对钻机能力以及与之相匹配的钻杆规格、结构、性能及其使用寿命要求甚严。在HDD施工中，钻杆直接影响工程的施工顺利与否。如果在孔内发生钻杆折落事故，常会造成工程失败，产生时间与经济乃至信誉的损失。
1.HDD钻杆之功用与载荷
HDD的应用领域如上述，主要施工水平和弧形乃至多弯曲钻孔，并进行铺设管线。施工中钻杆的功用和常规矿产钻探不完全相似。其主要功用如下：
（1）传递和调整钻机给予钻头之轴向压力。
（2）传递钻进和扩孔时钻机对钻头施加之扭矩。
（3）回扩和拖拉铺设管线时承受钻机施加之拉张力和扭矩。
（4）承受经常扭卸钻杆接头时的扭应力，以及钻进时瞬间突然增大的扭矩（Peak torque）。
（5）承受钻头碎岩、钻具与孔壁摩擦产生的震动和冲击载荷。
（6）承受在弯曲钻孔内推拉与回转时的弯曲疲劳载荷。
（7）钻进时压力介质（液体或气体）由钻杆内输向孔底工作面。
（8）当用有缆传输孔底信号时，信号缆线由专门设计的钻杆内接续。
上图说明了HDD施工中钻杆作业工况与受力状态，亦说明HDD用钻杆的材质性能必须严格要求。图1只是侧面投影，实际还有水平投影，钻孔轨迹应是三维的。当钻孔愈长、弯曲幅度愈大、钻杆与钻孔环隙愈大以及钻孔有超径现象时，钻杆受力状态愈恶劣
2.HDD钻杆常见损坏原因
地质岩心钻探用钻杆正常消耗有物化劳动消耗定额和生产积累的数据可寻。例如国外优质金刚石绳索取心钻进用钻杆使用寿命按钻进工作量计达到15000～21000m。但HDD用钻杆消耗数据具体报导甚少。分析其损坏报废原因主要为：
（1）钻杆疲劳折断。HDD钻孔除水平孔工况较简单外，都在三维空间承受复杂交变的压、拉、扭、弯曲、震动等载荷，加上磨损、腐蚀等作用在经过一定时效后即在应力集中或薄弱环节部位（很多发生在靠近公、母螺纹根部二、三扣）折断。主要表现为疲劳折断，而且弯曲与扭转应力起重要作用（图2）。国外有公司进行实验表明钻杆在施加不同弯曲应力下所得老化时效亦即疲劳强度明显不同，实验用持续回转的转数进行表示（图3）。
（2）钻杆超负荷作业。如表1所列HDD钻机性能参数范围甚大，显然要求与其相匹配的钻杆。并有一定安全系数。但对不同规格钻杆在不同曲率半径弯曲孔段如何采用相对许可的扭矩和轴向载荷，这一点至关重要。举美国HACKER公司生产的HDD钻杆提供的资料，就推荐工作扭矩为3000ft/lbs、上扣扭矩为2500～3000ft/lbs的φ60.3mm钻杆而言，当钻杆回转和不回转作业时所能适应的曲率半径和轴向载荷分别示于
（3）钻杆过度磨损。包括钻杆和接头径向磨损和螺纹磨损。径向磨损多发生在有弯曲变形部位，并多呈偏磨损现象。有资料表明，当用φ88.9mm( 3.5”)钻杆其外径磨损0.8mm时，其强度即开始下降，当磨损3.175mm时，钻杆就面临报废。螺纹和台肩部位过度磨损结果会造成泄漏和冲蚀乃至连接不牢现象。
（4）非正常操作维护。包括超负荷作业，夹持与拧卸工具不合式，没有采用优质螺纹润滑脂和经常合理润滑螺纹，搬运储存不当而变形锈蚀等。
（5）发生孔内折落事故。如泥浆护孔失效、钻具卡埋、折断、落扣后无法处理。
3.提高HDD钻杆使用效果的途径
对如何提高HDD钻杆使用效果若干年来经过多家制造商和工程承包商共同努力，其主要经验不外乎规格尺寸系列优化设计，高强度钢材，端部连接结构、螺纹类型与加工和现场合理使用维护等。
（1）采用合理规格尺寸。一是钻杆直径与钻孔直径和轴向载荷相适应。有资料介绍钻杆外径与钻孔直径比宜为1：1.5～2.0。施工大直径钻孔显然从强度和通水载面考虑，宜用大直径钻杆，并用扩孔方法。例如见诸HDD采用钻杆*大直径已达273mm。外径从小到大品类繁多，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。第二是钻杆壁厚。主要考虑强度与操作轻便。一种直径钻杆可以有2～3种壁厚供用户选择，如φ60.3mm钻杆采用壁厚可以为4.85mm和6.65mm；两者的载面积分别为8.41cm2和11.89cm2；抗拉强度和抗扭断面系数（Wp）显然不同。第三是钻杆单根长度。常随机配备并任客户挑选。钻杆长度与作业空间、钻机规格与施工钻孔长度相关而灵活采用。单根较长钻杆自然减少接头数量；降低接头加工成本；降低拧卸作业时间消耗（特别当采用信号缆时）；减低泥浆在接头处的泵压损失，相对提高泵送流量。见诸报导的钻杆单根长度有1.0、1.8、2.0、3.0、4.5、5.0、6.0、8.0、10.0m等。
（2）采用优质高强度钢材。钻杆强度习惯用屈服强度标志其钢级，并采用石油钻井和矿产岩心钻探所用钢级标准（图6）。历史上曾长期使用E级钢钻杆，嗣后逐渐发展到X95、G105、S135、U170等，途径是用优质合金钢同时进行调质（淬火十回火）处理。如今不少HDD钻杆制造商如意大利ColliDrill、英国 Drillgear、美国 Drilltube日本 Y.S.M.公司等生产S135钢级钻杆，所用钢种如AISI4140，属于40铬钼调质钢
图7表明用不同钢级制造的φ60.3×4.85mm m和φ60.3×6.65m两种壁厚钻杆的抗拉屈服强度和抗扭屈服强度。
HDD钻杆由于使用工况决定要求有良好的综合性能，既要高强度、又要良好弹性，不少制造商还提出其产品的良好坚韧性或柔韧性（Flexibility）。S135钢级和AISI4140合金调质钢符合上述技术要求
（3）采用钻杆端部内加厚或焊接接头。为增加接头螺纹部位的有效断面积，达到与钻杆体等强度或超过钻杆强度目的。石油钻井曾有提出接头的扭转强度应比钻杆大13～20％作为安全系数。钻杆接头的厚度为了加工螺纹必须远大于钻杆体厚度，并且可以采取不同加厚和焊接方法：
①一体式锻造法：在钻杆两端分别加热锻造加厚，而后整体经过调质热处理再加工公母螺纹，成为一（整）体式锻造钻杆（Forged one piece drill pipe）。这样保证管体和连接部位强度一致，并有良好的强度与坚韧性（弹性）不易永久变形（图8A）。英国著名的HDD钻杆制造商－Drillgear公司即用S135钢级制作42.16、48.26、52.4、60.3、70.0、88.9mm等规格的一体式钻杆并供给美国的Vermeer公司配套应用。美国一家拥有专利的HDD钻杆制造商－HACKER工业公司制造的称作高扭矩弹性钢钻杆（High Torgue Flex Steel Drill Pipe）。声称能承受较大的弧形钻孔的弯曲应力。其特点同样是采用一体式锻造和热处理调质钢管制造（One Single Piece of Forged Heat Treated Steel）。其加厚部分外径可以是外平的，如今采用的多数是略大于钻杆体，实际是内外加厚（例如φ 的钻杆加厚部为φ ）；其加厚部分长度可以满足重复修理二次加工螺纹。钻杆长度从10至34英尺不等。
②整体式冷拔法：是日本Sanwo公司专利权的采用冷作加厚法（Cold drawn upset）加厚钻杆端部的“SSDR”钻杆。能保持接头部分与钻杆体等强度，并且可任选加厚长度、厚度、内壁光滑而且平缓过渡，减低泥浆流动阻力，利于重复修理加工螺纹（图8C）。其产量每月800～1200t，畅销美、加、澳、南非、印度、等十多个国家。美长年公司绳索取心钻杆亦用之。这种φ70mm的钻杆在南非钻孔深度超过5000m。*近日本有资料称其生产的S135钢级钻杆其管体与接头屈服强度均能达到940N／mm2。应该说这种冷拔一体式钻杆对HDD使用是有独特优点的
③闪光和亚弧焊接法：曾是油气井和水井钻杆的常规制造方法，闪光焊接(Flash Welding)或亚弧焊接（Sub-Arc Welding）可用已调质热处理的成品接头将其与管体焊接成一体，但其焊缝部位强度会有所减弱，现今已少用之。
④等离子弧焊接法：这种等离子弧焊接法（PLASMA Arc Welding）是一种无焊料的焊接法。同样用经调质热处理（亦可在表面高频淬火和镀硬铬）的成品接头与管体焊接，其焊缝处用700°～800°F火焰加热消除应力，使焊缝处之强度降低不超过10～15％。美国长年公司用φ55.6mm等离子弧焊接钻杆绳索取心钻进孔深超过3000m。
⑤摩擦焊接法：这种目今石油钻井*多采用的摩擦焊接法（Inertia Welding）已移植用于HDD钻杆制造。其特点是设备工艺简单而且可以精密程控。焊接时金属软化但未熔化。焊接时要杜绝杂质进入焊缝，并在修磨时不受损伤。焊缝用电磁感应热处理消除应力。当接头已过度磨损可以由焊缝切断重新焊接新接头。意大利Colli Drill公司用此法制造的称作“PCC”（Progressive controlled Collapse）的HDD钻杆广泛用于欧洲市场；占市场25％份额的美国Drilltube公司亦主要采用摩擦焊（亦用锻造法）制造φ60.3～φ273mmHDD钻杆（图8B）。
(4)采用合理螺纹类型与加工。主要包括螺纹类型、螺旋角、锥度、密封台肩、应力消减槽和加工检测等。螺纹部分是钻杆*重要的应力集中和经受磨损的部位。除前述要增加其壁厚外，螺纹本身设计加工将直接影响钻杆使用效果。
矿产钻探金刚石钻进长期以来用平螺纹，并用每英寸3扣、齿高1.5～1.75mm的矩形螺纹或斜角为5°的梯形扣。绳索取心钻杆则用1：16乃至1：30锥度梯形螺纹。上述平螺纹对抗弯和疲劳强度要求较高的HDD钻杆少用之。对钻杆螺纹有几点共识被引入HDD钻杆设计选型。如轴向载荷和扭矩是选择螺纹角和螺距及齿形重要依据，降低锥度和旋旋角能增大抗扭强度；任何齿形加工时切忌齿底出现锐角现象（Sharp root Corner）；宜采用双台肩密封面（Tow Shoulder Seals）；在公扣台肩处应力集中区有应力消减槽（Relif groove）等。
图9是常见的几种锥形螺纹扣形。其锥度变化各家制造商尚无统一标准。常见的有：
1：4、1：6、1：12.5、1：16、1：20、1：30等，并视扣形而异。图10表明应力消减槽的作用
图11 是美国Hacker公司用高强度合金钢制造的端部加厚后经热处理而后进行螺纹加工的钻杆（High Torgue Flex Steel Drill Pipe）。其锻造加厚部位外径略大于管体外径。例如φ 钻杆其加厚处外径为 。螺纹采用API60°“V”形螺纹，公母螺纹双台肩密封（Metal to meatl sealed），利于承受较大扭矩和弯曲应力。螺纹用数控机床加工，表面磷化处理，防止粘扣。产品采取全面质量管理并提供质保证书。
图12则为φ60.3mmHDD钻杆的实际剖面，并特别重视公、母螺纹应力集中区抗弯强度值的合理比值
为提高螺纹表面耐磨性能，意大利Colli-Drill公司采取表面渗氮处理，能起到耐磨、防粘扣和防腐蚀作用。另外在钻杆使用前给予相当螺纹屈服强度60％的预扭矩。此外，有资料介绍为提高螺纹耐磨性曾对钻杆接头公母螺纹采用了表面高频淬火，使其表面硬度达到HRC50以上。美国长年公司绳索取心钻杆接头和螺纹外表亦采用了高频表面淬火。
（5）合理操作与维护。做到合理操作与维护可以大幅度延长钻杆使用寿命，杜绝事故。
①选购获得ISO9001/9002或API质量认证的优质品牌HDD钻杆（如美国Drillgear、Drilltube）。钻机制造商随机提供的钻杆首先要是优质产品。
②所用钻杆规格性能（钻杆直径、壁厚及钢级）要能胜任工程施工的各项载荷。
③钻孔直径与轨迹设计和施工中改变轨迹要慎重考虑钻杆载荷能力，尽量采用较小出入土角、较大曲率半径、较少弯曲变化的钻孔轨迹设计；埋深不大的管线因地制宜采用工作坑设计有利于减少弯曲孔段施工。这都有利于减轻钻杆所受综合应力和磨损，特别是所受扭应力要在安全范围以内，以防止钻杆断裂，提高钻杆使用寿命。
④钻杆连接时扭矩恰到好处。防止过载粘扣或未拧满的现象。严防卡盘和管钳伤害钻杆。
⑤先进的钻机都有自动给进、提拉、搬移、对中、拧卸与涂螺纹脂机构。有直视参数仪表包括扭矩、转速和轴向载荷等，并有预警装置防止超负荷作业，利于保护钻杆。
⑥宜采用优质含软金属粉料的有固体润滑性质的螺纹润滑脂（Thread Compound）。如公认为含50％锌粉（按重量比）的螺纹润滑脂，其作用有润滑，抗震及极压，防粘扣，防渗漏，防摩擦生热和磨损，延长螺纹使用寿命，防止在高温、高压和腐蚀等恶劣条件下对螺纹的腐蚀，有良好上扣系数（Coeffieient of make up），并且容易将接头拧开等。切忌用只有一层油膜的丝扣油（Slick）。图13是三种不同螺纹润滑脂使用时钻杆接头上扣扭矩与应力之关系，其中含锌50％之螺纹脂上扣扭矩与应力均较低。图14则是采用七种不同螺纹脂时对钻杆螺纹卸扣扭矩相当于上扣扭矩的百分比对比。同样明显看出含锌50％之螺纹脂卸扣扭矩*小，相当于上扣扭矩的80～82％。以上资料均是美国休斯公司提供的，值得重视
⑦经常检查钻杆完好和磨损程度。决不采用有缺陷和过度磨损的钻杆，建立钻杆使用记录。弯曲变形的钻杆可用钻杆校直机（Straightener）校直。重新修理接头螺纹时严格按原产品要求进行，特别是螺纹尺寸形状和光洁度等，并有标准量规检测。
⑧暂时不用的钻杆严格清洗其外表、内壁和螺纹部分，并涂专用防锈油，要有螺纹保护塞、箍，妥善存放。
⑨现场操作人员要经过培训持证上岗。
四、结论和问题探讨
1.包含HDD在内的TT技术应用日广，技术不断进步，市场广阔，在世界范围内仍称得起朝阳行业。中国起步虽晚，但发展迅速。目前正处于
2．HDD在TT技术内涵中应用尤广，发展*快。HDD技术包括机械装备、钻具、泥浆系统、测控系统、钻孔与扩孔铺设管线工艺等。对比国际先进水平，存在明显差距，中国TT界要针对差距，大力研发，要着眼国内外两个市场，大有可为。亦可走技术引进与国外企业合作道路。
3.钻杆是HDD重要机具与消耗器材。首先要有完善的与国际多数国家采用的系列标准相接轨，其次要研发具有国际**的S135钢级的钻杆是当务之急。我国曾用钢种其性能如下表所列，以资参考。调质热处理与校直被认为关键
* 相当于AISI4140，美国、日本及欧洲国家多用之，性能达S135钢级。
4.为增强钻杆连接强度，端部锻造加厚、冷拔加厚、摩擦焊接都可异途同归。关键在于掌握其加工工艺，实现等强度。
5.连接螺纹包括齿形、锥度、螺纹长度、台肩密封、应力消减槽等，现无公认标准。例如有“V”形扣和特殊梯形扣共存，其中每英寸4牙梯形扣采用渐广。台肩密封面有双平面者（图12），亦有公扣端呈平面、母扣端有斜角者。从发展看HDD钻杆包括直径、壁厚、长度、螺纹连接等应有标准系列可寻。其中大直径钻杆可借鉴石油钻杆。
6.改变国产HDD钻杆生产面貌之关键要有设备精良、人员精干、经营管理精明的钻杆制造厂。吸取国外先进技术，利用国内成功经验，争取较短时期内生产供应国产优质品牌的HDD钻杆。全国HDD界拭目以待，看谁家操此胜券。参考国外资料介绍优质品牌HDD钻杆的标志是：①优质钢材；②良好热处理；③精密螺纹设计与加工；④全面质量控制；⑤具有高强度与柔韧（弹）性；⑥适应复杂工况；⑦有较长寿命；⑧价格合宜
水平定向钻穿越中钻杆的选择使用和维护
在水平定向钻穿越中，钻杆的性能好坏直接影响到施工进度和工程质量，尤其是在施工过程中，钻杆的性能直接影响到整个施工的成功率，因此选择正确材料和型号的钻杆至关重要，本文就针对钻杆的使用选择、正确使用和维护进行阐述。
钻杆从毛坯制造到成品钻杆的产生需经过接头加工和摩擦焊接两大重要工艺，共分为毛坯锻造、内坡度切削、外坡度切削、管钳夹紧段加工、热处理、加焊耐磨带、螺纹加工、螺纹检查打钢印、螺纹镀铜、杆体端部加工、摩擦焊接、压接部退火、去内外毛刺、压接部淬火、压接部回火、目视检测和磁粉超声波探伤等十七个工序。因此钻杆的具体制造工艺对成品钻杆的性能好坏非常关键，同时钻杆材质的机加工性能、焊接性能和热处理性能以及自身的抗拉伸极限、抗扭屈服强度和抗弯曲强度等力学性能对*终的成品钻杆的品质都有不同程度的影响。
目前国内外的钻机常用钻杆的材质钢有E75、X95、G105、S135等几种，根据API美国石油协会标准，衡量钻杆材质力学性能的几个指标分别为：抗扭、抗拉、抗挤和抗内压屈服强度，以下的表格为各钢级材质的力学性能对比：
从上表可以看出，各级钢材质的钻杆表现出来的力学性能区别很大，其中尤以S135级钢的力学性能表现突出，在一般的城市燃气和光缆管网穿越中，穿越长度为几十米至二百米之间，管径为二十至四十厘米之间，选用3-1/2”和4-1/2” E75级钢以上的钻杆就能满足此类穿越的力学要求，而在中大型河流穿越工程中，穿越长度在几百米以上乃至两千多米时，穿越地层可能含粘土、粉砂、卵砾石、风化砂岩甚至硬岩石如花岗岩、石灰岩等不同地质情况，钻杆长距离的地层穿越过程中会随着钻杆长度的增大而受到更大的阻力和阻力矩，这样就对钻杆提出了很高的力学性能要求，因此适宜选用性能良好的5”和6-5/8” G105钢或S135钢的钻杆。
在水平定向穿越施工中，钻杆不仅承受轴向的拉、压力，还承受扭转力矩，使得钻杆的丝扣包括公扣和母扣受到外力的挤压，钻杆组合在施工过程中会因外力过大使丝扣表层挤溃和剥落，另外上扣和卸扣过程也会对丝扣造成摩擦损耗，下图中所示的碎块就是钻杆在使用后经卸扣剥落下来的。因此钻杆在使用过程中还需注意维护保养，在上扣之前必须做好丝扣的清洁工作，清除丝扣上的杂质并涂抹上丝扣油，并在钻杆使用完毕后，还应清洁钻杆的杆体和丝扣，在丝扣涂抹防锈的油脂并安装防止护帽。
在穿越施工过程中，从导向孔钻进阶段到管线回拖完毕，钻杆一直处于工作状态，因此每根钻杆的具体状况都对工程的顺利完工与否至关重要，非常必要对每期工程服役完毕的钻杆进行评估，对于丝扣磨损超标的钻杆应及时进行修扣，并且每根钻杆还需进行探伤，主要是对杆体和丝扣的内在微裂纹等缺陷进行检测，消除以后工程的故障隐患。
目前钻杆的常用的探伤检测有磁粉超声波检测、X射线检测和水基超声波检测几种，其中磁粉超声波检测法适用于新钻杆出厂前阶段，X射线检测可用于整体钻杆的检测，只不过此法多少对人体有所影响，水基超声波检测法则可用于新旧钻杆，在超声波发射探头与钻杆表层之间填充流动水，利用水作为良好的传播介质，并且水还可以很好地覆盖钻杆表层的凹坑、麻点等由于外力导致的缺陷，将超声反射波经过数字智能化处理后即可分析辨别出缺陷之处。对检测出的缺陷钻杆应做降级处理或停止使用。
总而言之，钻杆的选择和使用保养对水平定向钻穿越的成功与否非常关键，在做好钻杆的平时保养的同时，还应及时对钻杆的缺陷进行检测，以便剔除问题钻杆，避免钻杆断裂等重大事故的发生，保证每个定向钻工程的安全施工。
非开挖施工中的泥浆问题分析及对策
1 非开挖施工的特点
非开挖技术是指在不开挖地表的条件下探测、检查、修复、更换和铺设各种地下设施（主要包括各种管线）1。它的主要施工技术有：水平定向钻进技术（Horizontal Directional Drilling）即HDD技术2、顶管和夯管技术、微型隧道技术、以及爆管法和裂管法等管线修复技术。
非开挖施工技术大多应用于各种管线穿越河流、铁路、公路、建筑物、构筑物等场合。因为其施工地点的缘故，所穿越地层大多为粘土、粉土、沙土、以及淤泥和砂层等软弱地层，因此对泥浆有着许多特殊的要求，而且非开挖施工经常在城市和河流附近进行，又有一些特别要求，如：不影响交通、绿地，不污染水域和土壤，噪音小、施工迅速等。
2 对泥浆的特殊要求
非开挖技术因为其施工地点的缘故，所穿越地层大多为粘土、粉土、沙土、以及淤泥和砂层等软弱地层，因此对泥浆有着许多特殊的要求：
a) 良好的流变性，保证有较强的携带钻屑的能力；
b) 泥浆有较低的摩擦系数，良好的润滑性能；
c) 有较强的护壁作用，在孔壁形成一定力学强度的泥皮，维护孔壁稳定，防止泥浆漏失。
3 泥浆的携钻屑能力
在非开挖施工中，泥浆*主要的作用就是携带钻进过程中的钻屑，因为非开挖施工中多为水平孔，因此要求泥浆有较强的携带钻屑的能力，防止钻孔过程中钻屑沉积在钻孔中形成钻屑床，造成卡钻及扩孔回拖困难等孔内事故3。
目前，非开挖施工中泥浆体系主要有两种，一种是在粘土地层中，清水钻进，地层粘土自造浆；另一种是在粉土、沙土地层中使用水基泥浆，其基本配方为：清水加3%～6%的钠基膨润土。前一种做法是不合理的，因为清水钻进，泥浆性能不易控制，在开始钻进时，地层自然造浆，泥浆粘度小，井壁周围的粘土很容易进入泥浆中，引起井壁侵蚀，造成井壁不稳定；当钻进一段时间后，泥浆粘度又会变的很大，增大了钻具与井壁的摩擦力，加大了能量损耗，而且容易形成较厚的泥饼，容易引起粘附卡钻。
因此，非开挖施工中，一定要根据地层选用一种合适的泥浆体系，泥浆要有良好的流变性能，如：在粘土、粉土地层时，泥浆马氏漏斗粘度控制在60～65s，在沙土、砂层时，粘度可适当大一些，因为沙砾颗粒较大，密度较重，需要更强的悬浮泥浆体系。而且，在不同阶段，泥浆体系也要及时调整，如：在预扩孔和回拖阶段泥浆粘度要提高5～10s4。
主要使用的处理剂：
（1）钠基膨润土
钠基膨润土我们可以直接使用石油系统和地矿系统的钻井用膨润土，只是要注意在使用前，应该先做实验，确定在特定地层的*优加量。不同的膨润土，因为结构、成分和加工工艺不同，有不同的造浆率和泥浆性能，因此要特别注意。另外，在使用前，膨润土泥浆要老化一段时间，因为膨润土在水中水化和分散需要一定的时间。这个时间，在石油钻井标准中要求24小时，在非开挖实际工作中可以适当减少。
（2）Na-CMC —钠羧甲基纤维素
钠羧甲基纤维素是一种常用的泥浆有机处理剂，它有高粘、中粘、低粘和速溶四种。在泥浆中，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%，根据实际情况，可以适当增加。
（3）HEC—羟乙基纤维素
HEC在泥浆中主要起增加粘度的作用，同时也有一定的护壁作用，加少量的HEC可以大幅度的提高泥浆的粘度，根据HEC型号的不同，加量小于0.1%。用HEC增粘的泥浆容易被酸、酶或氧化剂降解为碳氢化合物，没有明显毒性，不污染环境。
4 泥浆的润滑能力
非开挖施工中泥浆的润滑性能至关重要，比如顶管中，提高泥浆的润滑性能，可以成倍的增加顶管长度、提高施工效率、缩短施工时间；在定向钻施工中，可以降低回拖力，增加回拖距离，降低成本。目前，非开挖施工中，润滑剂使用的还比较少，我们应该借鉴石油钻井中打大位移井和水平井的做法，在泥浆中加入合适的润滑剂，可以大幅度的降低泥浆的摩擦系数。根据笔者的实验，不同泥浆的摩擦系数见表1。
表1 不同泥浆的摩擦系数
由上表可见，加入一定量的润滑剂，可以大幅度的降低摩擦系数，在实际施工中，则可以大大提高工作效率，降低施工成本。
在此，我们可以从石油钻井中借鉴以下润滑剂作为非开挖泥浆中的润滑剂：
（1）植物油基润滑剂、植物油衍生物5
这类产品的名称很多代号很乱，各个厂家都用自己的名称代号，如：润滑剂RF、MY-1、RT441、磺化油脚DS848、FK10、T862。其实这类产品的主要成分为各种表面活性剂和植物油以及一些油脂的下脚料。其加量一般为0.5%~2%，摩擦系数降低率为40%~60%。因为这类产品的主要成分为植物油，可以在自然环境中分解，所以比较环保，推荐使用。
（2）以柴油为基础油与表面活性剂、有机物的混合物
这类产品的种类和名称也比较多，如乳化渣油RH9051、RH-525、RH-3、FRH、改性柴油、6401、RT931。其主要成分为柴油、表面活性剂、矿物油等，加量一般为0.3%~2%，摩擦系数降低率为40%~70%。这类产品存在一定的污染问题，需要根据实际情况选择使用。
（3）固体润滑剂（含塑料小球、玻璃小球、石墨等）
固体润滑剂的粒径一般为10～50目，根据需要有一定的粒径分布，加量一般为3%～6%。固体润滑剂的特点是：a它粘附在井壁上能将钻具与孔壁之间的面接触转化为点接触，减少接触面，降低摩擦系数；b固体润滑剂能有效地降低泥饼的粘附系数；且固体润滑剂的粒径较大时，降摩阻的效果较好；随着加量增大，降摩阻的效果亦愈好；c塑料小球，玻璃小球在一定条件下可以回收，重复使用，不污染环境。
5 泥浆的护壁能力
非开挖施工中，泥浆的另一重要作用就是，在孔壁形成一定力学强度的泥皮，维护孔壁稳定，防止泥浆漏失，尤其在一些松散地层和易坍塌地层，这个问题更为重要。根据非开挖施工的特点，目前使用的护壁堵漏材料主要有6：
（1）化学浆液堵漏材料，如：脲醛树脂、丙烯酰胺、水玻璃、硅酸盐和各种合成乳胶。这类化学材料注入不稳定地层，形成凝胶，可以封堵漏失通道，提高孔壁的力学稳定性。
这类浆液的特点是：凝结时间可以自由调整，可以实现瞬时固化，渗透性和流动性好，浆液可以固化，价格较贵。
（2）无机凝胶物质堵漏材料，如：各种水泥浆及水泥混合浆液。在非开挖施工中，当遇到流沙层或比较严重的漏失地层时，可以采用这种方法堵漏。
6 结论
本文分析了非开挖施工的特点和一些常见的泥浆问题，并根据具体情况给出了具体的处理对策，在非开挖施工中，关于泥浆问题，我们要注意：
(1) 用钠基膨润土造浆，保持泥浆有合适的流变性，有较强的携带钻屑的能力，必要时加入适量的CMC和HEC；
(2) 在泥浆中加入合适的润滑剂，使泥浆有良好的润滑性能，这样可以大幅度提高施工效率，降低施工成本；
(3) 遇到复杂地层和易漏失地层时，要用一些护壁材料和堵漏材料，使泥浆在孔壁形成一定力学强度的泥皮，维护孔壁稳定，防止泥浆漏失
几种典型的非开挖扩孔钻头的适应性分析和效果评价
1 引言
导向钻进非开挖铺管方法是目前非开挖铺管技术方法中的主流方法。在该工艺方法中一般要经历三个阶段：导航方法完成先导孔；一级或多级扩孔钻头扩孔；顶或拉法铺管。可以说，先导孔完成后，扩孔是非常关键而且工作量较大的一道工序。此过程花费的时间越短，钻孔越安全，铺管效率越高，经济效益亦越好。而扩孔工作的关键则是根据实际条件，选择高效扩孔作头。另外，扩孔过程对先导孔还具有修正作用。如果先导孔只具有小的弯曲，经过选用适当的扩孔钻头，经过扩孔工序后能达到较理想的“直”孔。否则会造成“曲上加曲”的局面。例如在软硬不均的地层，扩孔钻头易偏向软地层，即偏向阻力*小方向，多次的扩孔使这种现象趋于严重化，甚至形成大的阶梯。因此遇到此类情况应合理选择扩孔钻头类型。在实践中应根据土层情况、设备功率配备、扩孔直径、长度以及孔内冲洗液状况来进行灵活选择。
非开挖用扩孔钻头种类繁多，形式多种多样，因此，在工程实践中，如何针对地层情况、设备条件，因地制宜地选择扩孔钻头是工程技术人员必须考虑的重点问题之一。扩孔钻头的选用直接关系到扩孔效率以及护壁效果。选用不当，扩孔工作效率低，甚至造成垮孔、钻杆折断、钻孔报废等安全事故。反之，扩孔设备运转负荷小，孔型规则、铺管阻力小、施工效率高。
文章主要介绍几种典型的扩孔钻头的结构特点。图1为几种非开挖专用的扩孔钻头的外貌图。从结构上来说，主要为翼片状钻头、杆状钻头、封闭葫芦形钻头、带爪或牙轮的扩孔钻头以及它们的组合形状等。
2 几种典型钻头的结构特点和适应性分析
2．1 翼状扩孔钻头
该类钻头，如图2所示，以翼板上的刺状切削刃为切削工具，翼板上的切削刃呈点状分布，并在空间上相互错开，设计时应能基本保证每个切削环面上存在切削点。由于翼板切削刃为阶梯分层切削，切削刃刀口短而点状分布，所以极大地降低了阻力和旋转所需的能量。此种钻头要求翼板有高的强度，与土层作用时不易变形，扩孔作用时，钻头类似于刮刀，属于非挤土形钻头类。钻头过障碍能力强，即使遇到大的建筑垃圾，如石块也能顺利通过。但钻头扩孔后一般要求有专门的清孔工序。该钻头的*大缺点是在较软的土层扩孔时，易向右下方爬行，使钻孔弯曲，钻头越重，这种现象越明显。一般适用于较硬土层的扩孔。另外，此种钻头加大直径方便，只需在原有翼板上布置一些安装孔，把附加翼板连接上即可实现钻头直径的改变。我们在实践中曾经进行过改进，只用一套钻头心体就实现了多级的扩孔，如图3所示为长沙五一路某铺管工程中的实际扩孔效果图，在该工程中，土层干硬，夹杂硬的矿物结核，而扩孔效果极好，用国产GBS-10钻机扩孔直径达到了Φ800mm。
2．2 带腰笼的翼状扩孔钻头：
如图4所示，该类钻头以翼板上的刺状切削刃为主要切削工具，腰笼作为翼板加强筋的同时，起到扶正器的作用。翼板和腰笼上的切削刃呈点状分布，设计原理与翼状扩孔钻头类似。此类钻头由于翼板切削刃为阶梯分层切削，切削刃刀口短而呈点状分布，所以旋转阻力降低。开放式的结构使钻井液和钻屑能轻易越过扩孔钻头，扩孔速度快，保直能力较好，不耐用，但修补方便。另外，它的切削原理为非挤土式，不会造成对地下土层的大的挤压形变，施工相对安全。对于不良地层，
如砂层扩孔时不宜采用此类钻头。它的翼板可能是二片、三片或四片，根据直径大小和钻头强度的高低需求灵活设计。
2．3 螺旋形扩孔钻头
如图5所示，螺旋形扩孔钻头形状为狭长的锥体，外加工有螺旋形的切削刃，类似于锥形螺纹体。此类钻头属于挤土式原理，很容易吃入岩土，所需扭矩大，在十分干硬的粘土或紧密砂土中扩孔时，阻力问题尤其突出。但该钻头切削、挤压树根、碎石类障碍时，优势明显，通过障碍能力强。在中、软土层中扩孔后，孔成型好，清孔工作量小，铺管阻力小。
2．4 凹槽状扩孔钻头
如图6所示，凹槽状扩孔器是一种表面有螺旋形凹形水槽的锥体，具有点或线状分布的切削刃。虽然它具有螺旋形扩孔钻头的特征，但不象螺扣一样易吃入地层，扩孔阻力相对较小。此类钻头特别适合于在砂层和含有石块的紧密砂层中应用。它具有挤压和切削的双重功能，扩孔后成型好，寿命长，而且实践也证明，此类扩孔钻头在许多不良地层中应用效果良好。凹槽的流线形设计使泥浆易于流动、冷却和钻头体自洁。但是它在高粘性的土层中使用时易产生泥包现象，钻头成泥包球体，扩孔效率极低，另外钻头加工成本相对较高。
2．5 牙轮式扩孔钻头
如图7所示，此钻头由心轴、牙轮托架和牙轮掌等组成。牙轮工作时，既围绕心轴公转，又自转，牙轮体内设计有专门的水道用以冷却钻头，该类型钻头设计用来克取硬、脆、碎岩石或强风化～半风化的岩层。钻头结构复杂，成本高。扩孔时，一般要求采取强规程参数，即大轴载、大泵量和适当转速。
2．6 杆状扩孔钻头
如图8所示，杆状扩孔钻头由心轴和在空间交错的杆状切割体组成。此类钻头在硬土层、粘土中特别适用，它具有良好的切割和混合能力，所需扩孔阻力小，具有搅松土层的作用，扩孔后需要专门的清孔工作。钻头体制作容易，成本低，但强度相对较低。
2．7 双向纺锤形扩孔钻头
如图9所示，钻头为纺锤流线形结构，外形象一个大型打蛋器，重量小，具有极佳的浆土混合能力，泥浆在钻头体外流动自如，钻头自洁能力强，适合于在粘土等软地层中使用。但寿命低，在岩石或磨蚀地层中也不太适用。
2．8 粗径钻具形扩孔钻头
如图10所示，该扩孔钻头外形象钻探工具中的带异径接头的岩心管，但底部封闭，这是我们在实践中设计并已经大量成功应用的扩孔钻头。该钻头适用于在较小口径的粉质土或粉质粘土层中应用，钻具的前部分布有切削刃和向前喷射的水眼，在反向扩孔过程中，此钻具的冲洗液反向水平射流而不是周向射流，有利于保护孔壁，并且后续的粗径钻具在回转拖动过程中挤压、搪平孔壁，使孔壁光滑密实，有利于铺管，在较小口径的铺管工艺中，可采取一次性的扩孔并铺管，简化了工艺，钻孔成型好，铺管阻力小。
2．9 环刀型扩孔钻头
如图11所示，环刀型扩孔钻头由心轴、环刀以及加筋板三部分组成。扩孔时，薄片形的环刀在轴向拉力的作用下把土体切割下来，形成钻孔。环刀长度200mm－450mm，根据孔径大小、设备拉力来确定。加筋板主要用来传递切力和保证钻头的力学强度，数量3－5个。该钻头制作简单，在软土地层中切割效果好，一般不旋转，在钻机动力头或卷扬机的拉力下形成孔的直度好，具有很好的修孔能力。切割土体速度快，钻头内部加入阻碍物可以直接用来清孔。另外在事先经过水浸泡、软化的硬土层也可应用，钻头过障碍能力强，能通过钻头自身的变形来越过障碍，不至于卡钻。
3 结论
在保障扩孔质量的前提下，如何快速、有效地扩孔已成为非开挖工程师关注的问题。可以说如何合理地选择和设计扩孔钻头是问题的关键。如果扩孔工序不顺，铺管难度则大大增加，甚至造成路面垮塌等事故。
以上几种典型结构的扩孔钻头都有不同的地层适应性，我们在选择扩孔钻头时，应根据土层情况、设备功率配备、扩孔直径、长度以及孔内冲洗液状况来进行灵活选择。因地制宜地选择结构合理的钻头不仅能快速高质量扩孔，而且能修正、清洁钻孔，达到减小铺管阻力目的
定向钻孔牵引高密度聚乙烯管材在市政管道工程中的应用
引言
近年来，随着城市化战略的实施，城市规模的扩大，城市建设标准不断提高，越来越多的市政管线需要埋入城市各级道路下。如果采用传统的全面开挖方法，不仅耗资巨大，且对城市交通及环境带来不良影响，这就使得许多城市老的管线无法改造，新的管线无法实施，极大影响了市政配套设施建设的进度。而高密度聚乙烯管材定向钻孔拉管技术很好解决了这一问题。高密度聚乙烯管内壁光滑、耐腐蚀、柔韧性好、材质延伸率大，并且可以焊接成长管，非常适合做定向钻孔拉管工程。采用高密度聚乙烯管定向钻孔拉管正成为解决老城区及不允许开挖地区市政管道建设的*佳方案之一。
1 PE管的发展历程
聚乙烯管是一种具有平滑内壁的新型塑料管材，于20世纪80年代初在德国首先研制成功，经过近二十年的发展和完善，已经由单一的品种发展到完整的产品系列，目前在生产工艺和使用技术上已经十分成熟。由于其优异的性能和相对经济的造价，在欧美等发达国家已经得到了极大的推广和应用。
聚乙烯管按其制作材质密度的不同分为高密度聚乙烯管（HDPE)）、中密度聚乙烯管（MDPE）和低密度聚乙烯管（LDPE）；根据管壁结构的不同可分为实壁管、结构壁管（双壁波纹管和缠绕增强管）三种类型。HDPE管具有较高的强度和刚度；MDPE管除了有HDPE管的耐压强度外，还具有良好的柔性和抗蠕变性能；LDPE管的柔性、伸长率、耐冲击性能较好，尤其是耐化学稳定性和抗高频绝缘性能良好。在国外HDPE和MDPE管被广泛作为城市燃气管道、城市供水管道。目前，国内的HDPE管和MDPE管主要用作城市燃气管道，少量用作城市供水管道，LDPE管大量作为农用排灌管道。
考虑到定向钻孔拉管对管道强度的特殊要求，目前国内牵引管主要采用高密度聚乙烯实壁管，个别非压力管道也可考虑采用高密度缠绕增强管。
2 定向钻孔拉管简介
定向钻进是一种无需挖掘工作井，就能够快速铺装地下管线的钻进方法。它的主要特点是，可根据预先设计的铺管路，驱动装有楔形钻头的钻杆从地面钻入，再按照预定的方向绕过地下障碍，直至抵达目的地；然后，卸下钻头换装适当尺寸和特殊类型的回程扩孔器，使之能够在拉回钻杆的同时将钻孔扩大至所需直径，并将需要铺装的管线同时返程牵回钻孔入口处以保证新的铺装管线不会由于空间不足或钻屑的磨擦而受到损坏。
定向钻进法的优点：
（1）不必挖掘工作井，可铺装直径为100mm～1000mm的各种材质管线。
（2）具有*大扭矩和独特设计的钻进系统可对付绝大多数地质。
（3）特殊设计的楔形钻头可随时调整钻进方向的，绕避障碍。
（4）导向定位系统可测至30.5m深度，确保施工路线准确无误。
（5）施工快速，一次钻进*长可达600米的距离。
（6）适予铺装各种不同材质的非开挖工程管线，尤其是HDPE实壁管。
定向钻孔与顶管工艺的比较如下：
定向钻 | 顶管 | |
优点 | 施工速度快 | 顶进精度高，方向控制精度可达5cm之内 |
缺点 | 由于精度限制，用于污水重力流管道施工时标高误差较大 | 顶管工作、接收井较大，施工后较难处理 |
适用范围 | 通信管、煤气管、自来水管 | 通信管、排污管、煤气管、自来水管、综合管道 |
适用管径（mm） | 100－1000 | 350－4000 |
施工精度（mm） | 10%管径 | 50以内 |
施工速度（m/d） | 100 | 25～50 |
定向钻孔牵引HDPE管在我国的应用起步较晚，但推广应用较为迅速，已经在许多市政给、排水工程中得到了应用。由于定向钻孔牵引HDPE管是新型技术，虽然中国非开挖技术协会编制的《水平定向钻进管线铺设工程技术规范》（CSTT）对施工技术质量标准提出了基本要求，但各地在使用过程中仍出现过一些问题，因而有必要结合具体工程对定向钻孔牵引HDPE管的有关问题做一些探讨。
3 工程实例
余姚市城区污水收集系统一期（中段）工程是余姚市重点工程，其中东6#泵站位于姚江南侧，设计规模为9.0万吨/日。城区南片污水汇集至该泵站提升后，采用2×DN800管道以压力倒虹管形式向北穿越姚江至东连接线d1500污水重力流管，其中穿越姚江段长度为250m左右。穿越姚江段无法围堰大开挖施工，需采用非开挖方式。经以下几方面因素比较后，设计选用了SDR21 PE80 HDPE实壁管定向钻孔牵引施工穿越姚江。
（1）从施工方式来说，若采用泥水平衡法顶管施工，由于姚江较深，两岸土质为含水率很高的淤泥质土，地基承载力不到4t。为满足顶管顶进时后备力要求，沉井平面尺寸较大。经计算至少需设置钢筋混凝土6×6×9m工作井， 4×4×9米接收井各一座，施工周期较长，投资也较高。
（2）从管道防腐来说，由于污水水质情况复杂，即使钢管内外防腐做的再好，使用寿命也不乐观。由于顶管时外摩擦会破坏防腐，无法单独采用钢管顶进，需事先顶进钢筋混凝土管作为外套管，相应增加了工程投资。
（3）从给排水工艺角度来说，采用HDPE管道后管道摩阻变小，相同管径、相同流量时沿途阻力变小，节省污水泵站电费。
（4）从工程投资来说，相同管径时HDPE管道施工单价*高，但考虑施工费用、运行费用及工程寿命后，反而具有一定优势。
整个管道施工过程较为顺利，到目前为止二根管道已经顺利完成。
4 设计、施工时需注意问题
（1） HDPE管材选择
HDPE实壁管按材质分为PE80、PE100管；按壁厚分为6个等级，为SDR33～SDR11，每级的壁厚（T）为管道外径（D）/壁厚等级；相应的压力等级为0.4～1.25Mpa（PE80）,0.5～1.6Mpa（PE100）。《水平定向钻进管线铺设工程技术规范》推荐HDPE管牵引时D/T值≤11，即至少且只能采用SDR11等级HDPE实壁管，而根据设计院设计经验，一般地质条件下，埋设深度不超过7m，按照给水压力管道设计内压等级选择HDPE管后（SDR21级以上），一般都能顺利牵引施工完成，无需采用*高等级壁厚管材。
HDPE缠绕结构壁管材不承内压，根据壁厚强度分为SN4、SN8、SN12三个等级，一般用于重力流排水管开挖施工。由于其外壁较为光滑，也可可用于污水重力管定向钻牵引施工。由于该种管材双重壁构造，管壁为“工”字型构造，牵引施工时管壁抗拉强度需进行仔细计算，且牵引施工时管节热融处结构需进行加强。这种管材一般用于小管径、短距离的重力流管道牵引或作为电力、电信等管线外部套管。
（2）施工机械选用
定向钻孔钻机可大致分为两类：地表发射的和坑内发射的。地表发射钻机通常为履带式，可依靠自己的动力自行走进入工地。铺设新管时它们不需要发射坑和接受坑，但管线连接时仍需要开挖。如果要求在地下相同深度连接其它管线，则可能会造成新管的开头几米废弃。坑内发射钻机在钻孔的两端都需要挖坑，但可在空间受限的地方操作。
定向钻孔钻机的施工能力主要以实际回拖力及钻杆长度来确定，以美国威猛公司生产的产品为例，型号从D300×500～D7×11a，*大回拖力从135t～3.5t，钻杆长度从9.1m～1.8m。不同回拖力及钻杆材质的钻机价格差异非常大，相应施工能力、施工质量差异也较大。此外，控向系统、地下管线探测仪等附属设备的好坏也对工程质量影响很大。建设单位需根据具体工程地质、管道材质、管径、一次拖拉长度及施工精度要求对施工单位机械进行仔细评估。
（3）施工工艺方法
牵引施工的一般工艺流程图如下：
钻孔曲线设计－测量定位－钻机就位－试钻－导向孔施工－管道焊接－导向孔回扩－（导向孔二次回扩）－回拖管道－（检查井制作、管道试压）－清理退场。
钻孔曲线设计无详细设计规范，一般根据钻机附带软件设计，主要是管道入、出土角及导向孔曲线设计，入、出土角一般为8～20°，该角度受牵引管道管径、管壁强度控制。可通过挖掘工作坑降低导向孔曲线相对标高来降低入、出土角。
测量定位目的是尽量避开现有地下管道及构筑物，若与地下障碍物无法避免交错，该处必须进行大开挖施工。
导向孔施工时需控制钻孔精度，尤其是对污水重力流管这种对标高很敏感的管道。一般来说均质粘土地层*容易钻进；砂土层要难一些，尤其是其位于地下水位之下或没有自稳能力时；砾石层中钻进会加速钻头的磨损；对于钻进岩石或坚硬夹层，需采用带冲击作用或泥浆马达的钻头。
扩孔器大多为子弹头形状，上面安装有碳化钨合金齿和喷嘴。扩孔器的后部有一个旋转接头与工作管的拉头相连。在复杂地层条件下、或孔径需增加很大时，可采用多级扩孔的方法将孔径逐步扩大，以降低施工难度。由于回扩孔径为设计管径的1.2～1.5倍，对重力流污水管来说纵向误差较大，因此一般情况下要求尽可能减小回扩孔径。有经验的施工队伍可根据施工地质、泥浆配比情况事先对管道施工标高进行适当调整，以满足设计标高要求。
用于HDPE管的管道回拖拉头包括压力密封式拉头和专用于定向钻进的改进型拉头。定向钻进拉头的一个作用是防止钻进液或碎屑进入工作管道，这对必须无毒的饮用水管特别重要。
HDPE管热融连接时冷却时间较长，管径DN300～DN1000之间时*小热融通电时间为700s～1000s。为防止回扩好的孔变形，无法像顶管施工那样一边顶进、一边连接。需事先连接好后，一次拖进，一般*多分为2～3段。这就对施工场地及施工安排提出较高要求，尤其是在城区繁华路段施工时。
（4）其它注意事项
目前大多数定向钻孔施工单位有较强的专业性，只在定向钻孔牵引管道方面具有技术优势，而管道牵引施工中经常会遇到路面开挖，污水检查井、阀门井等管道附属构筑物建设等问题。当开挖面较深、地质较差时，由于需要专门的支护设备及施工经验，许多定向钻施工企业往往力不从心。若工程实施中可能会遇到此类问题，需事先做好相应的技术方案。
5 结束语
总之，定向钻孔牵引HDPE管作为一种新型的非开挖施工方式，有其独特的优越性，代表了未来市政管道非开挖施工技术的发展方向。当然，新事物的出现也需要一个逐步认识的过程，相信这一过程不会太久。
钻进、掘进泥浆及泥浆处理设备
问题可能出在它的名字上——“泥浆”，听起来既不吸引人，也不科学，而且让人觉得很脏。只有那些十九世纪七十年代英国流行乐队的追随者对它充满热情。泥浆不但是灰姑娘，而且为了防止它弄脏地毯，也从来不允许它参加舞会。
钻进液”听起来更加高深。尽管查米王子对它可能没什么印象，但这个名字更吸引钻进承包商。这是一个非常好的主意，因为很多可以避免的问题是由不适当的钻进、润滑、孔壁稳固和循环液产生的，而且即使是很好的钻进机械也可能产生这样的问题。
钻进液作为一种工程产品，具有多种作用。它可以冷却钻头或者切削头、探测器以及其它孔底导向装置，防止它们过热。它也可以将处于悬浮状态的岩屑排出，并循环利用。很多情况下，钻进液可以在安装套管之前稳定孔壁。在采用微型隧道施工方法时，钻进液可以平衡地下水压力，为掘进机创造*优的钻进条件。在定向钻进中，钻进液可以在钻导向孔和回拖时稳定钻孔，并且有助于减少土层隆起、收缩以及在管线拉入时的阻力。
在顶管、微型隧道和定向钻进施工中，要克服的主要阻力是管道和周围土体之间的摩擦力。较高的顶进和回拖力会降低工作效率，同时可能造成管道的破坏。而钻进液的一个基本作用就是润滑作用。在简单的导向孔施工中，用水就足够了，但是对于其它情况，经常使用膨润土、天然或者合成的复合钻进液。每项具体工作中，使钻进液适应地层条件和设备条件是非常重要的。
循环使用钻进液排出岩屑，不但可以减小钻进液自身的用量和成本，而且可以尽量减少添加剂的用量。特别是在世界不同地区，随着垃圾场垃圾倾倒环境费用逐渐增加时，这一点变得更为重要。
很多钻进和掘进机械制造商也提供钻进液和钻进液处理设备，并且在这个领域里有一些专业公司。下面是对当前使用的钻进液材料和系统做一个简单的回顾。
1 美国奥格公司
美国奥格公司首推具有世界级标准的钻进液混合、净化、泵送和循环的MCM-9000和P-600系统。
MCM-9000型钻进液净化系统有3个用于清理和混合钻进液，总容量为9000加仑的大水箱。这个高载荷的设备可以净化、处理多达1200 gal/min（4540 l/min）的钻进液，并且可以适用于流速高达600 gal/min（2271 l/min）的泥浆泵。MCM-9000带有两个的振动过滤器进行**次过滤，同时附带两个27 ft3的除砂器和沉淀池。设备的所有控制器都易于操作，并且夜间操作灯是标准设备。该系统同时包括一个1500 lb/in2的冲洗系统可以在工作结束后清洗系统。
P-600系统自备一个LEWCO—446泵，可以产生600 gal/min（2271 l/min）的泵量。控制器操作简单，如果需要可以安装在钻机控制台上。
来自美国奥格公司的MCM-9000和P-600系统能够很好的独立工作或者作为整体一起工作，它能提供所有你所需要的泥浆，甚至大型钻进工程的泥浆。
2 BAROID公司
Baroid 公司提供一系列用于润滑和破碎的钻进液。钻进液通过外水口射入钻孔。水口数量取决于设备长度，直径和土体条件。用于破碎土体的循环液也可以调节土体性能。具有这种性质的钻进液与用于水平和垂直孔施工中的其它钻进液比较相似。
一般来说有用于钻掘工程三种类型的钻进液。首先，是根据具体土体条件为了提高钻进液特定性质而配有多种添加剂的膨润土钻进液。Bariod IDP 提供了这类膨润土钻进液，包括Bore-Gel、Quik-Gel、Tunnel-Gel和Aquagel。钻进液添加剂可以添加到膨润土钻进液中以提高钻进液的特定性质。这些添加剂包括Qui-TrolLV和Filter-Chek（漏失控制剂），N-Seal（隔水材料），Dinomul（漏失减少剂）和例如Con Del、Penetrol这样的润湿剂。
第二种类型是聚合物泥浆，由天然或人造聚合物组成。Baroid IDP同样提供例如EZ-Mud（液态PHPA乳状液）、Poly-Bore（固态PHPA）、Quik-Trol（多阴离子纤维素）的聚合物。
第三种类型是由多种表面活性剂混合而成的泡沫材料。Bariod IDP 提供例如为钻进工程使用的Quik-Foam和Barafoam泡沫钻进液材料
3 沟神公司
FM50型系统是由沟神公司生产的*大标准钻进液处理系统。该设备由20kW的发电机提供动力，发动机则由一个50 hp（37kW）的Kubota柴油机驱动，可以根据客户的需要产生50或60Hz的电流。为减少噪音，发动机带有消音外壳使噪音在一般工作时为79分贝，在全速工作时为100分贝。
辅助电源插座可以用来为电池充电，驱动加热器，提供照明和运行其它电器而不需要分开使用发电机。改进后的电机结构使系统维持较低的燃料消耗量，从而使系统高速运行持续8小时，低速运行持续14小时。
该系统配有两个1000加仑（3786L）的搅拌水箱。独立驱动的搅拌/转换泵可以同时进行搅拌，转换和输送钻进液到定向钻机。这种电力转换泵消除了液压油泄漏的隐患从而使它在环境上更加安全。双水箱系统可在30秒内添加一袋50lb（23kg）的固体添加剂。在工作同时，每个水箱可以在6到8分钟之内搅拌1000加仑（3786L）粘度为42的钻进液。
该系统配有两个搅拌站，每个搅拌站都带有一个漏斗用来倒入固体钻进液添加剂和其它钻进液添加剂及加强剂。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钻进液样本进行检测。
可以改变水箱、电机和漏斗的结构以便安装在拖车和卡车上。为了减小噪音，动力站可以安装在距离搅拌站较远的地方，同时可以减少外部原料进入发电机中。
4 KEM-TRON公司
Kem-Tron技术有限公司是一家具有ISO9001认证的公司，其主要设计并制造所有非开挖技术领域内的泥浆循环系统。Kem-Tron循环设备利用hi-G型直线运动振动器和水力旋流器可以清除*小10微米的砂土，也可以利用沉降式离心机清除2微米的胶态粘土，并且利用脱水设备可以清除100%的固体。该公司的泵量从62到2000 gal/min（245到7570 l/min）所有系统都非常简单、容易操作。
Kem-Tron公司的1000 gal/min型循环系统有三种类型。这三种类型都在获专利的直线运动泥浆振动器/泥浆净化器内装有162 ft2 (15m2)的过滤部分，都有两个直径12ft的泥浆除砂水利旋流器，12个直径5ft的沉淀水力旋流器和至少3个离心泵。为使泵不断运转防止不必要的磨损，它们也具有特殊的设计。
Tango 1000S系统是一个25/30 ft的台架式循环系统，带有一个分离式20 ft的搅拌架和一个可选择的带有三缸泵的台架。循环系统配有一个3000加仑的水箱，搅拌水箱可以搅拌5000加仑钻进液。
Tango 1000T系统由循环、搅拌和泥浆泵组成一个长56 ft的三轮轴拖车。该系统同时具有泥浆测试实验室和高压低容量的过滤器清洗器。系统总容量为5500加仑。
Tango 1000TD系统也是一个拖车型系统。与三缸泵不同的是，该系统包括一个脱水系统或为完全清除固体而利用化学方法改善的离心沉降机。这种紧凑的循环系统达到了零液体排放要求，从而消除了昂贵钻进液浪费的现象。在钻进中，当要求稀释泥浆或是在工程结束后将泥浆转化为有固体时，可以对钻进液进行净化。在非开挖技术领域脱水技术正吸引更多的目光。
除了大型系统，Kem-Tron公司也为小型工程提供了一系列的小型循环设备。Simon Mini每分钟可以净化65或130加仑钻进液，而其台架大小只有5.5×6 ft（1.68×1.85m）。
5 PARCHEM/M-I HDD 公司
Parchem/M-I HDD公司在北美大陆帮助客户克服*不利于钻进的钻进条件，并有了很长距离钻进记录。
一般情况下，这些工程都是在具有重岩屑的沙层、砂砾层、卵砾石层和岩层条件下进行。同时在作为钻进液的基本作用里，对于任何膨润土泥浆都存在着一个主要问题，即泥浆对岩屑的悬浮作用。而泥浆对岩屑的悬浮作用又是清孔的首要作用。
来自Parchem/M-I HDD公司的Drill-Plex HDD系统在流变学上作了修改，从而提高了膨润土泥浆的悬浮作用，成功的清除了较重的岩屑。
应用Drill-Plex HDD系统的工程有：在纽约布法罗Niagra河的两个大型穿越工程。合同商正在经历沉淀物问题，导致施工停止时间高达12 h/day。随后引进了Parchem/M-I HDD公司的 Drill-Plex HDD。停机后的第二天，重新开泵，悬浮的砂砾立即流进了泥浆处理系统。与不断循环不同，钻孔只在每天早上（几个小时）进行清除沉淀物的工作，然后继续进行钻进。这为整个工程节省了时间。
另一个工程是密苏里州路易斯的Merrimac河。当Parchem/M-I HDD到达时合同商已经处于困境之中。没有泥浆上返，又没有导向孔。MI因此引进Drill-Plex HDD方法，泥浆上返/循环得到了重新建立，10天之后，合同商可以进行回拖管线施工。因此Drill-Plex HDD取得了成功。
6 PIGOTT SHAFT DRILLING（PSD）公司
Pigoot Shaft Drilling Limited（PSD）是英国固体分离方面的专业公司，近来在香港九龙为一个直径5.15 m的隧道搅拌并净化泥浆。这项合同的承包商是China Harbour Transfield Joint Venture（CHTJV）。PSD的设备于2002年6月在香港组装，包括一个4级分离站，可以为Herrenknecht隧道掘进机（TBM）提供高达750 m3/hr的泥浆。
在具有PSD工作经验的专家推荐下， 2001年4月CHTJV与PSD进行了洽谈，比较了几家国际公司后CHTJV选中了PSD。
掘进穿越了多种地层，包括不同风化程度的花岗岩层、冲积层和填土层。在工程的不同阶段，岩屑粒径比较单一，这样全部岩屑可以只用一级设备分离。如果TBM产生较大粒径的岩屑，则可由初级振动器处理。当岩屑主要是粗砂时，由二级设备进行分离，三级设备做辅助。中细砂可由三级设备进行处理，细颗粒则由离心分离机和絮凝物清除。
PSD的设备都是标准件，可以根据工程要求进行不同的机械组装。对于九龙工程而言，泥浆处理设备主要由PSD现有的设备提供，包括一个清除岩块的DD800双板一级振动器，一个Solidmaster800设备，在4.8 m×1.8 m脱水筛上装有两个直径660 mm的水力旋流器，两个Solidmaster400设备，每个都在4.8m×1.8m脱水筛上装有16个高性能5 in的水力旋流器。
此外PSD还有一个絮凝剂搅拌、定量给料装置，配有振动搅拌器、储水箱、两个PP65 蠕动泵。装有两台大容量的S4DP离心机，每台配两台PP100蠕动给料泵、一个膨润土处理及搅拌系统、料斗和 Supraton 高速剪切搅拌器。配有三个循环水箱以储存钻进液，每个容量为125 m3。辅助设备包括固体清除运输机、楼梯和一个空调控制箱。
PSD将在现场呆12-15个月，这期间将由当地经过专业训练的工人操作设备，PSD监督人员进行监督。
在香港，这不是**项PSD工程。在1998-2000年间，PSD为中部、西部和Wan Chai西干线污水管道工程提供了Gammon Kvaerner和泥浆净化设备。PSD公司刚为Complant and Fine 工程有限公司完成一项工程，使用的是 Herrenknecht 1800 吨隧道掘进机。开挖了两条直径1.8 m的隧道，每条长420 m，穿越硬岩，以便铺设132 kV的电缆。PSD还在英国和爱尔兰承担掘进、定向钻进和地下连续墙工程。
7 托尔萨钻进设备公司
自30年前首次引进水平导向钻进以来，托尔萨钻进设备公司一直进行泥浆处理设备的研制，制造了一系列泥浆处理系统：泥浆搅拌、循环、搅拌循环和泵送生产。
托尔萨钻进设备的泥浆处理系统的净化容量*小为MCS100的50 gal/min，*大为MCS750的1500 gal/min。水箱容量为500-8000加仑。根据客户要求，可在拖车或台架上选择安装这些系统。除了泥浆控制设备，托尔萨钻进设备也生产双板和三板线性振动器，可安装到公司生产的设备上。实践证明它是泥浆净化工程中*有效的部件。
托尔萨钻进设备公司还生产真空挖掘系统，包括容量为950加仑的TV-950系统。TV-950系统的工作效率为850 ft3/min，它还包括一个单独的湿式喷嘴以便于维护。钻孔时，该系统在3500 lb/in2 上具有4 gal/min的能力，并且包括一个225加仑水箱和直径3/8 50 ft的压力水管。
托尔萨钻进设备公司的一个子公司Tulsa Triplex生产五种不同模式的三轴泥浆泵，*大容量为100-762 gal/min。液体末端压力达10000 lb/in2。三轴泵可以接在托尔萨钻进设备的泥浆控制系统上，并且也适用于其他公司生产的设备。
另一个子公司Cross Tech Inc提供了一系列钻进泥浆和添加剂，包括高屈服膨润土泥浆、发泡剂、漏失循环材料和用于形成粘性的特殊聚合物
8 威猛公司
威猛制造公司生产了R300回收系统，以满足水平定向钻进（HDD）在需要回收钻进液的钻孔施工上对净化钻进液的要求。随着中型水平定向钻进硬岩工程和要求大直径回拖扩孔工程的增加，通过减小泵耗、减少运输费及在需要大量钻进液工程中减小对环境的影响，R300可以提供更经济的服务。
台架式威猛 R300回收系统是唯一未申请专利的单箱钻进液处理系统，固体清除*佳，对钻进液零污染，可实现300 gal/min（1135 l/min）上返流速的水平定向钻进。对水平定向钻进，R300系统2300加仑（8706 l）单箱设计使水箱容量利用率达到100%。钻进中可调（AWD）的卡片角状混合器和可调重力使R300系统将钻进液以300 gal/min（1135 l/min）流速上返到20微米的切削点，切削点使用三个水力旋流器，每个旋流器流速为100 gal/min（378 l/min）。
R300系统由电力驱动，使用三台用于搅拌的大功率离心泵、水力旋流进料装置和大泵量进料。使用*小为70 kW的小型发电机组驱动R300系统。R300系统可以在频率为50 Hz或60Hz的电流下工作。搅拌料斗可容纳4袋料，它将料送进同轴搅拌系统中，5个同轴喷嘴搅动2000加仑（7570 l）圆形箱内的原料。可选用电动液压泵将液体从折回点传送到R300中。
9 WYO-BEN
Wyo-Ben公司开发了钻进液产品和系统设备，以充分利用在定向钻进和微型隧道技术中的投资。公司开发了一种简单的三步工艺，可帮助钻孔施工者在困难条件下完成钻孔。**步是了解你的钻进液；第二步是产生并保持粘性；第三步是控制钻孔。利用这两个产品以及良好的新补给液，Wyo-Ben公司可以在粘土到砂土之间的多种地层钻进。
Tru-Bore是一种超浓缩膨润土钻进液，专为垂直和水平钻孔工程中较难的钻进施工设计。Tru-Bore可以迅速水化，只需一袋搅拌料，针对液体性质和不同地层而设计。这种材料能形成一层薄而硬的泥皮，减小对周围地层的漏失，保持地层稳定性，这对顺利完成施工极为重要。
使钻进效率*大是成功的关键，而且钻进液大量漏失到地层会引发一些钻孔问题。钻进液漏失越多，地层变得越脆弱，泥皮越厚。钻进液中加入Wyo-Ben公司的Uni-Drill后可在粘土层形成泥皮以减小漏失、提高润滑作用、增大屈服点并提高钻孔稳定性。
传统的膨润土产品在海水和漏失性较差的绿坡缕石粘土中不起作用。这种情况下，Wyo-Ben提供了一种可以和海水混合的膨润土材料SW101，它可在海水泥浆中充当粘度剂，液体漏失控制剂和普通钻孔的调节剂
目前顶管所常见的几种土质
1、淤泥质黏土：此种软土的形成是在较弱的海浪岸流及潮汐的水动力作用下逐渐形成的。土的颜色多呈灰色或黑灰色，光润油滑且有腐烂植物的气味，多呈软塑或半流塑状态。其天然含水量很大，一般都大于30%，饱和度一般大于90%，液限一般在35-60%之间，软土的天然重度较小，约在15-19KN/m3之间。孔隙比都大于1，因其天然含水量高、孔隙比大，就带来了软土地基变形大，强度低的特点。
2、砂性土：由于曾受到海水的冲击，部分地区沉积层含有海水所搬运的大量沉积物，其中主要为细砂及粉砂。由于含黏土的成分较少，我们可称之为砂性土。砂性土的土颗粒较一般的黏土大，一般在20μ以上，土颗粒之间的凝聚力较小，呈单粒结构。孔隙比较大，很容易在水动力的作用下产生流沙现象。
3、黄土：凡以风力搬运沉积又没有经过次生扰动的、无层理的黄色粉质、含碳酸盐类并具有肉眼可见的、大孔的土状沉积物成为黄土（也称原生黄土），其它成因的、黄色的、又常具有层理和夹有砂、砾石层的土状沉积物称之为黄土状土（也称次生黄土）。
4、强风化岩：强风化岩是指风化很强的岩石，此种土质的****结构已大部分破坏，矿物成分已显著变化，含有大量黏土质黏土矿物。风化裂隙很发育，岩体被切割成碎块，干时可用手折断或捏碎，浸水或干湿交替时可较迅速地软化或崩解。用镐或锹可挖掘，干钻可钻进。
5、微风化及中风化岩：微风化岩是指岩质新鲜，表面稍有风化迹象的岩石，强度大于50Mpa，硬度很高的岩石。在此地层中顶进较困难，而且一般顶进距离超过100米时需要更换刀头。中风化岩较软，其****结构部分破坏。矿物成分发生变化，用镐难挖掘。
以上介绍了常见的几种土质，从N值为3-40的土质都有。这就需要针对不同的土质情况选用不同类型的顶管掘进机。
对于淤泥质黏土，由于其土质较软，切削容易，因此我们可以选用以下所介绍的各种掘进机，对此我们先介绍多刀盘土压平衡式顶管机。多刀盘土压平衡顶管掘进机把通常的全断面切削刀盘改成四个独立的切削搅拌刀盘，所以它尤其适用于软粘土层的顶管。如果在泥土仓中注入些粘土，它也能用于砂层的顶管。另外，由于此机采用了先进的土压平衡原理，因此，采用此机进行顶管施工后，对地面及地下的建筑物、构造物、埋设物的影响较小。用它可以安全地穿越公路、铁路、河川、房屋以及各种地下公用管线。其*小复土深度可以相当于一倍管外径左右。从无数的施工实例证明，用此机进行顶管施工作业，不仅安全、可靠，而且施工进度快、效率高。与单刀盘土压平衡掘进机相比，此机具有价格低廉、结构紧凑、操作容易、维修方便和质量轻等特点。另外，它排出的土可以是含水量很少的干土或含水量较多的泥浆。它与泥水式顶管施工相比，*大的特点是排出的土或泥浆一般都不需要再进行泥水分离等二次处理。施工占地小，对周围环境污染也很少。它与手掘式及其他形式的顶管施工相比较，又具有适应土质范围广和不需要采用任何其他辅助施工手段的优点。如采用输土泵的方式出土，顶进效率也很高，平均24小时可顶进15-20米。但是它的缺点也很明显，由于不是全断面切削，切削不到的部分只能通过挤压进入机头，因此迎面顶力较大，只适合于软土地质情况下施工，如需穿越建筑物、构造物、埋设物等对地面沉降要求很小的情况可采用刀盘可伸缩式泥水平衡掘进机，此种机头的刀盘是一个直径比掘进机前壳体略小的具有一定刚度的圆盘。圆盘中还嵌有切削刀和刀架。刀盘和切削刀架之间可以同步伸缩，也可以单独伸缩。而且，不论刀盘停在哪一个位置上，切削刀架都可以把刀盘的进泥口关闭。刀盘加压装置是安装在主轴中的油缸，刀架伸缩油缸则安装在刀盘加压装置的上方。刀盘可伸缩式掘进机的工作原理如下：刀盘前土压力过小时，它就往前伸；刀盘前土压力过大时，它就往后退。刀盘前伸时，应减小进泥口开度并加快推进速度；刀盘后退时，应加大进泥口开度并降低顶速。这样，就可使刀盘前的土压力控制在设定的范围内。使用此种掘进机地面隆沉极小，优秀的操作人员可使地面隆沉控制在10mm以内。由于采用了泥水作为运输介质，在顶进的过程中无需停顿出泥，因此它的顶速也很快，24小时可顶进20-30米。缺点也很明显：由于进泥口开度限制，在含有直径大于6cm砾石的土层中无法施工。
对于易产生流沙现象的砂性土可根据其含水量及其标准贯入度选用不同类型的掘进机，当标准贯入度较小时可选用多刀盘土压平衡式掘进机，当标准贯入度较大时，除多刀盘土压平衡式掘进机以外的以上各种掘进机都适应此种土质。
对于地质为黄土的情况下我们可采用单刀盘土压平衡式掘进机和偏心破碎泥水式掘进机。单刀盘土压平衡顶管掘进机有以下优点：1．适用的土质范围非常广。2．施工后地面沉降小。3．弃土的处理比较简单。4。可在复土层仅为管外径0.8倍的浅土层中施工。5．有完善的土体改良系统和具有良好的土体改良功能。6．开口率达100％，土压力更切合实际。
对于地质为强风化岩的情况下我们可采用偏心破碎泥水式掘进机。此机种与普通泥水掘进机的*大不同点是其头部。壳体内的泥土仓是一个前面大、后面小的喇叭口，喇叭口的内壁是用耐磨焊条堆焊的一圈环形焊缝。安装在壳体泥土仓内的是一个前面小、后面大的锥体，锥上也堆有一环环形焊缝。切削刀呈辐条形焊接在该锥体上，且略微向前倾斜。刀盘的正面焊有坚固而且耐磨的切削刀头，所有这些构成一个刀盘。这样，在掘进机工作时，刀盘一边旋转切削土砂的同时还一边作偏心运动把石块轧碎。被轧碎的石块只有比泥土仓与泥水仓联接的间隙小才能进入掘进机的泥水仓，然后从排泥管中被排出。另外，由于刀盘运动过程中，泥水仓和泥土仓中的间隙也不断的由*小变到*大这样循环变化着，因此，它除了有轧碎小块石头的功能以外还始终能保证进水泵的泥水能通过此间隙到达泥土仓中，从而保证了掘进机不仅在砂土中，即使在黏土中也能正常工作。一般情况下，刀盘每分钟能旋转4--5转，每当刀盘旋转一圈时，偏心的轧碎动作达20-23次。由于此机型有以上这些特殊的构造，因此它的破碎能力是所有具有破碎功能的掘进机中*大的，破碎的*大粒径可达掘进机直径的40%--45%之间，破碎的卵石强度可达200Mpa。此机型的**个特点就是它几乎是全土质的掘进机。它可以在N值从0--15的黏土，N值1--50的砂土以及N值10--50的砾石层等所有土质中使用，而且推进速度不会有太大的变化。它的第二个特点是破碎粒径大，可达掘进机直径的40%--45%之间。它的第三个特点是施工精度高，施工后的偏差极小。它的第四个特点是由于有偏心运动，进土的间隙又比较小，即使用清水作为进水，也能保持挖掘面的稳定。它的第五个特点是可以进行长距离顶进，也可用于曲率半径比较小的曲线顶进。它的第六个特点是施工速度快，每分钟可进尺100mm--180mm之间。它的第七个特点是结构紧凑、维修保养简单、操作方便。无论在工作坑中安装还是在接收井中拆除都很方便。
如顶进管道轴线附近可能存在大的石块，桩基础等不明障碍物。我们采用排障方便、成本低廉的敞开式掘进机。地下水位较高的话可采取井点降水等辅助施工方法。另外，对于含水量较少并且N值大于18的黄土和强风化岩，也可采用敞开式掘进机顶进。敞开式掘进机在类似于农田对地面沉降要求不严格的情况下也可采用。此种机型的缺点是顶速慢、遇到流沙土层难以控制出土量，因此沉降也是大于以上几种顶管掘机的。
网格水冲式掘进机具有土压式以及泥水式顶管机的优点，这种掘进机头在遇到障碍物时工人可进入泥水仓排除障碍物，而且由于采用水力出泥，顶进速度也不受出泥速度的影响，因此当土质条件较好时是一种经济实用的掘进机。但这种掘进机也有它的局限性，首先要求土质比较软，土体的孔隙比要小，而且要求有足够的清水作为水源，泥浆处理以及用电量都很大，使用成本较高。当遇到沙土层时，由于沙土的透水系数很大，用于平衡正面土压力的气压很容易从沙土的间隙泄露，因此也就很难做到平衡，因此在沙土中顶进沉降很难控制。
中风化岩以及弱风化岩条件下如果地下水含量较高就只能采用岩盘顶管机了。该机型的刀头类似于牙轮钻，可以在岩石中顶进，也是一种全土质的机型，但该机种的造价很高，而且目前在国内是一项空白。
