CN102953683A - 水平定向钻进拉管施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平定向钻进拉管施工方法，利用定向钻机、导向钻头、连接定向钻机及导向钻头的钻杆和导向仪施工设备，按照设计的导向孔轨迹，采用定向钻进技术先施工一个近似水平的先导孔，待先导钻头在被穿越障碍物的另一侧露出后，卸下导向钻头换上大直径的扩孔钻头进行一次或多次的反向扩孔，末次扩孔的同时，在扩孔钻头的后方再连接一个直径小于该扩孔钻头的待铺管，同时将待铺设管线拉入钻孔，等全部的钻杆被拉回时铺管工作同时完成。该施工方法简单，可操作性强，且不污染环境，不影响交通，成本低，安全性好，施工周期又短。

Description

水平定向钻进拉管施工方法

技术领域

本发明涉及地下管线的施工方法，尤指一种水平定向钻进拉管施工方法。

背景技术

随着我国经济持续稳定地增长，城市化进程的进一步加快，我国地下管线的需求量也在逐年增加。加之现代文明意识和环保意识的逐渐加强，开挖路面进行地下管线施工导至的社会问题、交通问题和环境污染问题已越来越受到人们的关注，城市限制开挖施工的法规将陆续出台。非开挖技术地下管线施工具有不污染环境，不影响交通，施工周期短，综合成本低等优点，在地下管线施工中获得广泛应用。作为非开挖技术之一的水平定向钻进拉管施工，近几年来取得长足发展，在城市地下管网施工中得到越来越多的应用，本案发明人依据这一需求而设计的一套切实可行的施工方法，本案由此而产生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种施工工艺简单、可操作性强的水平定向钻进拉管施工方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

一种水平定向钻进拉管施工方法，利用定向钻机、导向钻头、连接定向钻机及导向钻头的钻杆和导向仪施工设备，按照设计的导向孔轨迹，采用定向钻进技术先施工一个近似水平的先导孔，待先导钻头在被穿越障碍物的另一侧露出后，卸下导向钻头换上大直径的扩孔钻头进行一次或多次的反向扩孔，末次扩孔的同时，在扩孔钻头的后方再连接一个直径小于该扩孔钻头的待铺管，同时将待铺设管线拉入钻孔，等全部的钻杆被拉回时铺管工作同时完成。

所述的水平定向钻进拉管施工方法包括如下步骤：

（一）施工准备：取得各种图纸、技术交底并进行现场勘察；

（二）导向孔轨迹设计及回拉力计算；

（三）工作坑控制井施工并固定钻机；

（四）导向孔施工，施工步骤为：探头装入探头盒内                                               

导向钻头连接到钻杆上

转功钻杆

测试探头发射是否正常

回转钻进2m左右

开始按设计轨迹施工

导向孔完成；

（五）扩孔施工；

（六）管材连接：钢管连接采用焊接，PE采用热熔连接，待铺管材是在回拉铺管前连接完成并试验合格后方可回拉铺管；

（七）回拉铺管：末级扩孔时，在回拉钻杆后接上扩孔钻头和旋转接头，在旋转接头后接上拉管头和待铺设的管线进行反扩铺管，当扩孔钻头到达钻机一侧地表时同时完成末级扩孔和铺管施工；

（八）钻进泥浆：在导向孔钻进、回拉扩孔及回拖施工时，应及时向孔内注入泥浆；

（九）配套设施施工、现场清理及撤场。

所述导向孔轨迹一般由三段组成，第一造斜段、直线段和第二造斜段，直线段是管线穿越障碍物的实际长度，第一造斜段是钻杆进入铺管位置的过渡段，第二斜段是钻杆出露地表的过渡段。

所述导向孔轨迹的计算公式为：

L₁=

；

=2 ；

L₂=

；

=2

；

式中 h—铺管深度m；

L₁—第一造斜段水平长度；

L₂—第二造斜段水平长度；

R₁—第一造斜段曲率半径，由钻杆曲半径决定；

R₂—第二造斜段曲率半径，由待铺设管线允许弯曲半径决定；

—入土倾角；

—出土倾角。

所述回拉力估算公式为：

F=；

式中：F-—计算的拉力；

L—穿越长度；

f—摩擦系数；

D—铺管直径；

—泥浆密度；

—铺管壁厚；

K—粘滞系数。

采用上述方案后，本发明具有如下优点：

1、施工工艺简单，可操作性强，容易组织实施；通过对现场勘察，设计好穿越线路，连接钻头和管道，钻机就位，即可开始施工。

2、不污染环境，不影响交通，对地层地面破坏小，能满足城市地下管网施工高环保的要求。

3、成本低，社会效益与经济效益显著，可减少开挖行政审批，便于施工组织，综合成本低。

4、安全性好，由于采用拉管施工，施工人员操作均在地面上进行，避免了深基坑作业等不良施工条件的影响，提高安全系数。

5、管道连接质量好，因管道连接均在地面上进行，单段管道连接合格后一次拉管铺成，提高了管道连接质量。

6、施工周期短，与传统“挖槽埋管法”相比，大大缩短了施工周期，无须运输和堆放土，只须运输少量泥浆。

附图说明

图1是本发明的施工方法原理图一（钻进导向孔）；

图2是本发明的施工方法原理图二（扩孔）；

图3是本发明的施工方法原理图三（回拉铺管）；

图4是本发明的施工方法流程图；

图5是本发明的导向孔轨迹设计图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

本发明所揭示的是一种水平定向钻进拉管施工方法，如图1所示，该方法利用定向钻机、导向钻头1、连接定向钻机及导向钻头1的钻杆2和导向仪等施工设备，按照设计的导向孔轨迹3（一般近似弧形），采用定向钻进技术先施工一个近似水平的先导孔，待先导钻头1在被穿越障碍物4（河流、公路等）的另一侧露出后，卸下导向钻头1换上大直径的扩孔钻头5进行反向扩孔，扩孔钻头5后方连接回拉钻杆6（如图2所示），有时根据钻机的能力和待铺设管线的直径大小可先专门进行一次或多次扩孔，再如图3所示，末次扩孔的同时，在扩孔钻头5的后方再连接一个直径小于该扩孔钻头的待铺管7，同时将待铺设管线拉入钻孔，等全部的钻杆被拉回时铺管工作同时完成。

所述的水平定向钻进拉管施工方法的具体施工流程包括如下步骤（如图4所示）：

一、施工准备：取得各种图纸、技术交底并进行现场勘察。

1、应取得管线工程平面图和相应施工图纸。

2、既有管线和地下管网图。

3、相关技术规范。

4、设计单位的技术交底。

5、现场勘察

二、导向孔轨迹设计及回拉力计算：

1、确定钻孔类型和钻孔轨迹的形式：钻孔类型和钻孔轨迹形式取决于拟铺设管线材料的性质和铺设要求、钻孔地质条件、施工单位设备的性能、现有地下管线的分布、地上地下障碍物的分布、水域覆盖面积和深度、施工安全性和经济性等条件。

2、确定出入土点和造斜段：出入土点是钻头始钻和出土的位置；造斜段是指同一孔身中由直线段变为曲线段的地段，造斜段宜选择在较硬土层中的孔段，同时要使后续轨迹避开现有管线和地下障碍物（如图5所示）。

3、确定钻孔孔身轨迹参数：参数包括各孔段的长度，各孔段起点和各点的倾角，采用计算法比较准确。

1）如图5所示，导向孔轨迹一般由三段组成，第一造斜段、直线段和第二造斜段，直线段是管线穿越障碍物的实际长度，第一造斜段是钻杆进入铺管位置的过渡段，第二斜段是钻杆出露地表的过渡段。

2）计算公式：　

L₁=

=2

L₂=

=2

式中 h—铺管深度m

L—定向钻铺管水平长度

L₁—第一造斜段水平长度

L₂—第二造斜段水平长度

R₁—第一造斜段曲率半径，由钻杆曲半径决定

R₂—第二造斜段曲率半径，由待铺设管线允许弯曲半径决定

—入土倾角

—出土倾角

2）由计算法得出各参数后，还应考虑其它因素对入口倾角和出口倾角的限制，其中钻机倾角可调节范围是限制入口倾角的主要因素，一般可在10°—45°之间调节，出口倾角对于PE管一般控制在0°—30°，对于小口径钢管控制在0°—15°以内，大口径管材一般用下管工作坑来代替第二造斜段。

4、回拉力计算：水平定向钻进回拉力计算是一个关键，直接关系到钻机与管材的选型，正确估算回拉力至关重要。

估算公式

F=

式中：F-—计算的拉力（T）

L—穿越长度（m）

f—摩擦系数0.1～0.3

D—铺管直径（m）

—泥浆密度（T/m³）

—铺管壁厚（m）

K—粘滞系数（0.01～0.03）

定向钻机选择宜根据上式计算值1.5～3倍来选择。

三、工作坑控制井施工并固定钻机：

1、为有效控制定向钻孔高程而设立的控制井，结构形式和间距由设计单位确定；

2、水平定向钻进铺管可以不开挖路面，可以穿越障碍物，但还需开挖起始工作坑（即定向钻进始发点）和出口工作坑（即定向钻头出土位置），同时也为满足施工过程积存泥浆和从孔中排出的渣土的需要，占用回拉管线入孔场所。

四、导向孔施工

1、施工步骤：

探头装入探头盒内

导向钻头连接到钻杆上

转功钻杆

测试探头发射是否正常回转钻进2m左右

开始按设计轨迹施工

导向孔完成。

2、导向钻头方向控制：导向孔钻进是通过导向钻头高压水射流或泥浆冲蚀破碎，旋转切削成孔的；导向钻头前端为15°造斜面，该造斜面作用是在钻具不回转钻进时，斜面对钻头有个偏斜力，使钻头向着斜面的反方向偏转，钻具在回转顶进时，由于斜面在旋转中方向不断改变，斜面周向各方向受力均等，使钻头沿其轴向的原有趋势直线前进。

3、导向头方向纠偏：导向孔施工多采用手提式导向仪来确定钻头所在空间位置。导向仪由探头、地表接收器和同步显示器组成。在施工中导向钻头的准确位置和造斜面方向是通过安装在钻头腔室内的信号发射器及地面跟踪导向仪来测定的，并显示在同步显示器上供操作人员掌握孔内情况，以此操作钻头纠偏。导向钻进应按设计轨迹的参数钻进，当发现偏离设计轨迹时，就通过调整钻头斜面的方向，进行造斜纠偏，直到钻头位置回到设计轨迹为止，这样就是钻出和设计轨迹重合或非常接近的导向孔。

五、扩孔施工：

1、扩孔是将导向孔孔径扩大至所铺设的管径以上，以减小铺管时的阻力。扩孔时将扩孔钻头连接在钻杆后端，然后由钻机旋转回拉扩孔。随着扩孔的进行，在扩孔钻头后面的单动器上不断加接回拉钻杆，直到扩至钻机同一侧的工作场地，即完成了这级孔眼的扩孔，如此反复通过采用不同直径的扩孔钻头扩孔，直至达到设计的扩孔孔径为止。

2、根据管道曲率半径、地层条件、扩孔器类型等确定一次或分次扩孔方式。分次扩孔时每次回扩级差控制在100—150mm，终孔孔径宜控制在回拉管节外径的1.2-—1.5倍。

六、管材连接：钢管连接采用焊接，PE采用热熔连接。待铺管材是在回拉铺管前连接完成并试验合格后方可回拉铺管。

七、回拉铺管：末级扩孔时，在回拉钻杆后接上扩孔钻头和旋转接头，在旋转接头后接上拉管头和待铺设的管线进行反扩铺管，当扩孔钻头到达钻机一侧地表时同时完成末级扩孔和铺管施工。

八、钻进泥浆：

1、在导向孔钻进、回拉扩孔及回拖施工时，应及时向孔内注入泥浆。钻进泥浆主要作用是稳定孔壁、降低回转扭矩和拉管阻力、防止管壁磨伤、冷却钻头和发射探头、消除钻进产生的土屑。

2、泥浆材料配比和技术性能指标应满足施工要求，并可根据地层条件、钻头技术要求、施工步骤进行调整。

1）钻进泥浆常用配料：水、膨润土，聚合物等。

2）钻进泥浆PH值应控制在8～10的范围内。

3）钻进泥浆的密度一般控制在1.12～1.25g/cm³，现场用标准泥浆比重计进行测量。

3、泥浆液应在专用的搅拌装置中配制，并通过泥浆循环池使用；从钻孔中返回的泥浆经处理后回用，剩余泥浆应妥善处置。

九、配套设施施工、现场清理及撤场

1、管线检查井、工作井、钻机工作坑、下管坑清理回填及地面复原。

2、配套设备撤场。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (5)

1.一种水平定向钻进拉管施工方法，其特征在于：利用定向钻机、导向钻头、连接定向钻机及导向钻头的钻杆和导向仪施工设备，按照设计的导向孔轨迹，采用定向钻进技术先施工一个近似水平的先导孔，待先导钻头在被穿越障碍物的另一侧露出后，卸下导向钻头换上大直径的扩孔钻头进行一次或多次的反向扩孔，末次扩孔的同时，在扩孔钻头的后方再连接一个直径小于该扩孔钻头的待铺管，同时将待铺设管线拉入钻孔，等全部的钻杆被拉回时铺管工作同时完成。

2.根据权利要求1所述的水平定向钻进拉管施工方法，其特征在于包括如下步骤：

（一）施工准备：取得各种图纸、技术交底并进行现场勘察；

（二）导向孔轨迹设计及回拉力计算；

（三）工作坑控制井施工并固定钻机；

（四）导向孔施工，施工步骤为：探头装入探头盒内                                               

导向钻头连接到钻杆上

转功钻杆

测试探头发射是否正常

回转钻进2m左右开始按设计轨迹施工

导向孔完成；

（五）扩孔施工；

（六）管材连接：钢管连接采用焊接，PE采用热熔连接，待铺管材是在回拉铺管前连接完成并试验合格后方可回拉铺管；

（七）回拉铺管：末级扩孔时，在回拉钻杆后接上扩孔钻头和旋转接头，在旋转接头后接上拉管头和待铺设的管线进行反扩铺管，当扩孔钻头到达钻机一侧地表时同时完成末级扩孔和铺管施工；

（八）钻进泥浆：在导向孔钻进、回拉扩孔及回拖施工时，应及时向孔内注入泥浆；

（九）配套设施施工、现场清理及撤场。

3.根据权利要求1或2所述的水平定向钻进拉管施工方法，其特征在于：所述导向孔轨迹一般由三段组成，第一造斜段、直线段和第二造斜段，直线段是管线穿越障碍物的实际长度，第一造斜段是钻杆进入铺管位置的过渡段，第二斜段是钻杆出露地表的过渡段。

4.根据权利要求3所述的水平定向钻进拉管施工方法，其特征在于：所述导向孔轨迹的计算公式为：

L₁=

；

=2

；

L₂=

；

=2

；

式中 h—铺管深度m；

L₁—第一造斜段水平长度；

L₂—第二造斜段水平长度；

R₁—第一造斜段曲率半径，由钻杆曲半径决定；

R₂—第二造斜段曲率半径，由待铺设管线允许弯曲半径决定；

—入土倾角；

—出土倾角。

5.根据权利要求3所述的水平定向钻进拉管施工方法，其特征在于：所述回拉力估算公式为：

F=

；

式中：F-—计算的拉力；

L—穿越长度；

f—摩擦系数；

D—铺管直径；

—泥浆密度；

—铺管壁厚；

K—粘滞系数。

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