CN106870819B - 一种高密度聚乙烯非压力管道水平定向钻进施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程施工技术领域，尤其涉及一种高密度聚乙烯非压力管道水平定向钻进施工方法，先进行地下管线探测，包括地下勘查和地表测量，对探测数据进行修正、判断和综合分析，提出探测成果；然后根据探测成果，确定钻孔轨迹，同时采用定向导向钻进系统，通过电磁波信号传输，按照钻孔轨迹，先钻进一个小直径的导向孔；随后在钻杆端部换接大直径的钻头进行多次扩孔；在最后一次扩孔的同时，将待铺设的管线拉入钻孔中指定的位置后，完成铺管施工；通过该施工方法就可以在错综复杂的城区施工中避开所在地下障碍，并且能够在一些松散破碎地层中采用非开挖铺管技术铺设管道，因此，该施工方法在城市非开挖施工中具有重要地位和作用。

Description

一种高密度聚乙烯非压力管道水平定向钻进施工方法

技术领域

本发明涉及工程施工技术领域，尤其涉及一种高密度聚乙烯非压力管道水平定向钻进施工方法。

背景技术

随着我国经济的持续稳定发展，为了满足人们日益增长的管道管线需求，各个大中城市的地下管网陆续进行大规模修建，还有一些地下管线需要维护更新。对于电力、通信等高密度聚乙烯管道采用非开挖水平定向钻进进行敷设时，常常需要同时敷设多管孔(几孔、十几孔甚至几十孔)管道。一般来说，根据水平定向钻机的设备能力(主要指回拖力)的大小，将拟敷设管道分为两组、三组或多组，每组单独施工一个导向孔，进行导向孔、扩孔和回拉拖管。为确保成功，每组管道的回拖力都必须控制在设备的能力范围内。同时，各个导向孔之间要保持一定的安全距离，以避免施工时管道受到损害。这种分组多导向孔的传统施工方式施工速度较慢，也占用了大量的地下空间资源。

由于城市地下空间资源有限，很多时候施工场地较为狭窄，并不具备多个导向孔施工条件，往往只能施工一个导向孔；而此种情况下，多管同时回拖又可能超出了设备的实际能力，拖管容易出现抱死或卡钻事故，从而导致工程失败。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种高密度聚乙烯非压力管道水平定向钻进施工方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种高密度聚乙烯非压力管道水平定向钻进施工方法，先进行地下管线探测，包括地下勘查和地表测量，对探测数据进行修正、判断和综合分析，提出探测成果；然后根据探测成果，确定钻孔轨迹，分别确定中间水平直线段和两端的造斜段，并按照设计的钻孔轨迹，同时采用定向导向钻进系统，通过电磁波信号传输，按照钻孔轨迹，先钻进一个小直径的导向孔，实现钻孔施工时的直线前行或方向改变；随后在钻杆端部换接大直径的钻头进行多次扩孔，对后续大管径管线进行铺设；在最后一次扩孔的同时，将待铺设的管线拉入钻孔中指定的位置后，完成铺管施工。

具体包括以下步骤：

第一步、地下管线探测；该地下管线探测方法包括物探法、查图法和查询法；

第二步、钻孔轨迹设计；根据上述步骤中的地下管线勘察成果、现场地形地貌和周边环境、钻杆最小弯曲半径以及施工经验综合考虑和选取各设计参数；

第三步、化学泥浆配制；施工中要根据不同地层使用不同的泥浆配比，以达到顺利成孔的目的；其中，采用马氏漏斗对泥浆粘度进行测量，马氏漏斗粘度(S/qt)，实际施工时泥浆粘度根据地质条件进行确定：淤泥、淤泥质土为35-45S/qt，人工填土为40-50S/qt，粘土、亚粘土为30-40S/qt，粉细砂质土为40-55S/qt，中粗砂质土为50-65S/qt；同时，泥浆的使用量以孔口有泥浆流出为宜，泥浆用量为：

V＝理论建筑空间×(300％～500％)；

第四步、导向孔施工；采用带水射流的斜面钻头和导向定位系统进行导向孔施工；

第五步、扩孔施工；在上述步骤的导向孔顺利完成后，用扩孔钻头对导向孔进行多次扩孔，以满足工程需要；其中，扩孔系数K为一重要参数，具体取值根据实际土质进行选取：淤泥、淤泥质土为1.0-1.1K，人工填土为1.1-1.2K，粘土、亚粘土为1.2-1.3K，粉细砂质土为1.3-1.4K，中粗砂质土为1.4-1.5K，卵砾砂质土为1.5-1.6K；扩孔钻头包括挤压式、流道式和开放式，挤压式扩孔钻头用于软土层，开放式扩孔钻头用于较密实土层，流道式介于两者之间，具体使用需根据实际施工土质进行选择；

第六步、高密度聚乙烯管道热熔对接；使用热熔对接机进行对接施工；在对接时根据不同规格、材质和性能的管道进行对接，对接时注意对应的对接参数，该对接参数包括加热温度、加热时间、接触压力和接触时间；在管道对接后在接口处将形成接口环，接口环采用“削倒角法”，具体是：在管道接口两端面刨平后，用刀片在内缘削倒角，从而在接口热熔对接前形成“V”字坡口，待对接完成后，“V”字坡口被焊缝填平；且采用不同壁厚管材搭配使用时，搭配原则包括：入钻端用厚管，出钻端用薄管；穿越距离越长，回拖力越大，管壁越厚；管径越大，越易扁管，管壁越厚；

第七步、拖管施工；在上述步骤的钻孔扩孔完毕后，进行管道回拖施工，从而最终完成铺管施工。

优选地，所述第四步中，导向定位系统包括手持式接收器、遥显仪以及安装于钻头内的信号棒，通过地面接收器和遥显仪显示钻头深度、倾斜度、工具面向角参数，供操作人员掌握孔内情况，并随时按设计的钻孔轨迹进行操作调整。

优选地，所述第六步中，热熔对接是将待焊管材两端面以一定压力靠在一个预置好温度的加热板上维持一段时间，在管材获得了足够的温度后，取出加热板，给待焊两端面施压，使两个焊接端面紧密接触，在一定的压力下维持一定的时间至冷却，整个焊接过程完成。

优选地，所述第六步中，在穿越距离较小(50m以内)时，可以完全或部分采用再生料管材；穿越距离较大(大于50m左右)时，可以部分采用再生料管材。再生料管材壁厚也可以进行搭配使用，搭配原则与原生料管材(俗称“新料管”)相同。与原生料管材也可以混合、搭配使用。

本发明具有以下有益效果：本发明所述的高密度聚乙烯非压力管道水平定向钻进施工方法，先进行地下管线探测，包括地下勘查和地表测量，对探测数据进行修正、判断和综合分析，提出探测成果；然后根据探测成果，确定钻孔轨迹，分别确定中间水平直线段和两端的造斜段，并按照设计的钻孔轨迹，同时采用定向导向钻进系统，通过电磁波信号传输，按照钻孔轨迹，先钻进一个小直径的导向孔，实现钻孔施工时的直线前行或方向改变；随后在钻杆端部换接大直径的钻头进行多次扩孔，对后续大管径管线进行铺设；在最后一次扩孔的同时，将待铺设的管线拉入钻孔中指定的位置后，完成铺管施工；通过该施工方法就可以在错综复杂的城区施工中避开所在地下障碍，并且能够在一些松散破碎地层中采用非开挖铺管技术铺设管道，因此，该施工方法在城市非开挖施工中具有重要地位和作用。

附图说明

图1为本发明的施工工艺流程图；

图2为本发明中水平定向钻进施工原理图；

图3为本发明中热熔对接接口示意图；

图4为本发明中管道接口端面削倒角形成V字坡口示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-4，一种高密度聚乙烯非压力管道水平定向钻进施工方法，先进行地下管线探测，包括地下勘查和地表测量，对探测数据进行修正、判断和综合分析，提出探测成果；然后根据探测成果，确定钻孔轨迹，分别确定中间水平直线段和两端的造斜段，并按照设计的钻孔轨迹，同时采用定向导向钻进系统，通过电磁波信号传输，按照钻孔轨迹，先钻进一个小直径的导向孔，实现钻孔施工时的直线前行或方向改变；随后在钻杆端部换接大直径的钻头进行多次扩孔，对后续大管径管线进行铺设；在最后一次扩孔的同时，将待铺设的管线拉入钻孔中指定的位置后，完成铺管施工。

其中，具体包括以下步骤：

第一步、地下管线探测；这里的地下管线探测方法包括物探法、查图法和查询法，物探法是用地下管线探测仪进行探测，包括有源探测和无源探测；查图法是到规划部门查规划图，以达到了解地下管线的目的；查询法是要求各管线单位派人到施工现场确认管线位置深度的方法；需要说明的是，对地下原有管线及设施的进行勘查，需查清待铺管线周围至少五百米范围内的各种地下管线和设施，如：污水管、自来水管、高压电缆、通信电缆、光缆、煤气管线等，从而根据施工区域的地形和路线范围，初步确定钻孔中线在地表面的走向；另外，对于一些城区，城市密集，历史悠久，地下管线管道种类繁多、错综复杂，如何确保既有管线管道安全，是非开挖施工的至关重要的环节。因此，该施工要求对不明地下管线必须采用“探槽法”，即在出入钻点设置探槽，将地下管线直接挖开暴露，以查清管线。

第二步、钻孔轨迹设计；根据上述步骤中的地下管线勘察成果、现场地形地貌和周边环境、钻杆最小弯曲半径以及施工经验等综合考虑和选取各设计参数；这里的钻孔轨迹通常分为“三段式”、“两段式”和“一段式”三种；“三段式”轨迹两端为弧线段(造斜段)、中间为水平直线段；设计参数包括入钻角、出钻角、入钻造斜段、水平段、出钻造斜段、穿越跨度、穿越深度等。

Lk＝Li+Lz+Lo

Li＝Σ(t*cosαi)

Lz＝n*t

Lo＝Σ(t*cosαo)

式中：αi—入钻角,一般取10-25度；

αo—出钻角,一般取20-40度；

H—穿越深度，管道最大埋深；

Lk—穿越跨度，出入钻点之间的水平距离(m)；

Li—入钻造斜段水平投影长度(m)；

Lo—出钻造斜段水平投影长度(m)；

Lz—水平段(m)；

t—单根钻杆长度，一般为3m、4.5m或6m；

n—水平段钻杆根数。

“两段式”和“一段式”轨迹是“三段式”轨迹的变种；当在工作坑内水平入钻时(αi＝0)，轨迹没有入钻段(Li＝0)；当在工作坑内水平出钻时(αo＝0)，轨迹没有出钻段(Lo＝0)；当穿越跨度较小时，轨迹没有水平段(Lz＝0)；当在工作坑内水平出、入钻时(αo＝0、αi＝0)，轨迹没有出、入钻段(Lo＝0、Li＝0)，只有水平段。具体施工时，首先，根据地下管线探测成果确定最可能受到伤害的管线，并以此作为控制点，确定安全距离和穿越深度，并进一步确定出、入钻段和出、入钻点，最后进行地下管线安全性核查。

第三步、化学泥浆配制；施工中要根据不同地层使用不同的泥浆配比，以达到顺利成孔的目的；这里泥浆的作用主要是：护孔；冷却钻具；排渣；切削泥土和润滑减阻等等，对于不同的地层，须采用不同性能的澎润土泥浆；泥浆粘度是一个非常重要的参数，通常采用马氏漏斗进行测量，马氏漏斗粘度(S/qt)，实际施工时泥浆粘度根据地质条件进行确定，可按下表取值：

另外，针对饱和松散的粉细砂、中粗和卵砾石层，需采用增粘、降失水、高稳定性等殊措施对泥浆进行改性，以提高钻孔稳定性。如选用美国捷高(CETCO)公司产的高造浆率和低失水量的易钻(Hydraul-EZ)牌膨润土，以及适当加入“万用王”增粘剂等外加剂。同时，泥浆配比要根据实际情况随时进行调整；在长距离、大孔径、多管孔时该化学泥浆主要以增强泥浆流动性、稳定性、润滑减阻等方面性能为主，以保持孔壁稳定，降低回拖阻力。同时，在实际施工时要注意泥浆的用量，泥浆的使用量以孔口有泥浆流出为宜，其以满足钻孔的需要又不要造成必要的浪费，经验的泥浆用量为：

V＝理论建筑空间×(300％～500％)。

在本实施例中，可采用以下三种配比：一、6％钙膨润土、0.3％纯碱和0.3％Na-CMC+0.3％植物胶；二、5％钠膨润土和0.3％Na-CMC+1.5％腐殖酸钾；三、3～4％Super Gel-X；经实践证明，采用上述泥浆配比，有效降低了导向孔的失水量，提高了钻孔孔壁的稳定性和松散破碎地层施工的成功率。

第四步、导向孔施工；采用带水射流的斜面钻头和导向定位系统进行导向孔施工；这里斜面钻头也称鸭嘴式钻头，利用该钻头可以实现钻孔施工时的直线前行或方向改变。若同时给进和回转钻杆，斜面失去方向性，实现直孔钻进；若只给进不回转，通过斜面的反力，使钻头改变方向，实现造斜钻进。在实际施工时，采用带水射流的斜面钻头和导向定位系统进行导向孔施工。斜面钻头钻取土层，高压水射流切割土层，同时起冷却钻头和携带钻屑作用。导向定位系统包括手持式接收器、遥显仪以及安装于钻头内的信号棒。斜面钻头后方安装有孔底探头，发出钻头位置和角度的电磁波信号，并通过地面导向仪接显示钻头深度、倾斜度、工具面向角等参数，供操作人员掌握孔内情况，并随时按设计的钻孔轨迹进行调整。

第五步、扩孔施工；在上述步骤的导向孔顺利完成后，用扩孔钻头对导向孔进行多次扩孔，以满足工程需要；扩孔直径一般要大于管道外包络直径，两者之间存在一个扩孔系数。

D扩＝K×D包

式中：D扩--扩孔直径(mm)；

D包--管道外包络直径(mm)；

K--扩孔系数

该扩孔系数K为一重要参数，具体取值根据实际土质进行选取，即可按下表取值：

另外，该扩孔钻头包括挤压式、流道式和开放式，挤压式扩孔钻头用于软土层，开放式扩孔钻头用于较密实土层，流道式介于两者之间，具体使用需根据实际施工土质进行选择：

研究表明，流道式扩孔钻头几乎可用于各种地层；开放式扩孔钻头在遇到大颗粒卵砾石或碎块石时，可以防止卡钻或将碎块石带出孔内，但因其结构单薄不耐磨，在含砂量大的土层中要慎用；挤压式扩孔钻头在软土地区最为常用，但有些地区使用时由于“水眼”易堵，以及地层含砂量大、压缩性差，施工速度较慢，有时甚至出现“糊钻”、“卡钻”等事故，应尽量少用。

扩孔钻头常见的规格有D250、D350、D450、D550、D650、D750、D850等，原则上以100mm为一级，逐级扩孔；当土纸较松软时，可以跳级扩孔。

第六步、高密度聚乙烯管道热熔对接；使用热熔对接机进行对接施工；在对接时根据不同规格、材质和性能的管道进行对接，对接时注意对应的对接参数，该对接参数包括加热温度、加热时间、接触压力和接触时间；在管道对接后在接口处将形成接口环；实践表明，按照下列尺寸控制成环的大小，一般可以保证接口的质量

环的宽度 B＝0.35～0.45S

环的高度 H＝0.2～0.25S

环缝高度 h＝0.1～0.2S

对上述系数的选取应遵循“小管径，选较大值；大管径，选较小值”的原则，其中，B--环宽、H--环高、h--环缝高、S--管材壁厚；

上述管材对接时所产生的“接口环”在管道内外产生了凸缘，内凸缘会导致管材有效内径缩小,造成“缩径”现象。内径缩小量△D等于管道对接前后内径之差，也即内凸焊环高度H的两倍。因此，对接时内凸缘应尽量避免。经实践经验，施工时总结出了“削倒角法”，以达到消除或减少管道缩径的方法。具体是：在接口两端面刨平后，用刀片在内缘削倒角，从而在接口热熔对接前形成“V”字坡口，待对接完成后，“V”字坡口被焊缝填平，内凸缘被削弱或消除，施工经验表明该方法操作简单、方法可靠、效果显著。

另外，实践表明，管道无需采用同一壁厚，可以根据工程实际情况，采用不同壁厚管材搭配使用。搭配原则包括：入钻端用厚管，出钻端用薄管，因为拖管时入钻端承受的拖力最大；穿越距离越长，回拖力越大，管壁越厚；管径越大，越易扁管，管壁越厚。

对再生料管材(俗称“旧料管”)进行了大量的工程实践，取得满意成效，研究表明：

①在穿越距离较小(50m以内)时，可以完全或部分采用再生料管材；穿越距离较大(大于50m左右)时，可以部分采用再生料管材。

②再生料管材壁厚也可以进行搭配使用，搭配原则与原生料管材(俗称“新料管”)相同。

③与原生料管材也可以混合、搭配使用，此时再生料由于强度稍低，用于拖力较小的位置。

具体的，热熔对接是将待焊管材两端面以一定压力靠在一个预置好温度的加热板上维持一段时间，在管材获得了足够的温度后，取出加热板，给待焊两端面施压，使两个焊接端面紧密接触，在一定的压力下维持一定的时间至冷却，整个焊接过程完成。

第七步、拖管施工；在上述步骤的钻孔扩孔完毕后，进行管道回拖施工，从而最终完成铺管施工。在实际施工时，需要注意的是，管道的回拖阻力必须小于钻机的最大回拖力，否则将出现管道被抱死导致工程失败。管道的回拖阻力一般管道自重分力和管道摩擦力。

F＝F1+F2

F1＝Li×G×sinαi

F2＝P0fL+2P(1+Ka)fL

式中：F—管道总回拖阻力(t)；

F1—管道自重分力(t)；

F2—管壁和孔壁之间的摩擦力(t)；

P0—每米管道重量(t/m)，；

f—管壁和孔壁之间的摩擦系数，一般是0.2-0.6；

L—管道全长(m)，130m

Ka—主动土压力系数，一般取0.3

P—土对管的压力，当孔内充满泥浆时，土对管的压力可以忽略不计。

同时由于地区地层复杂多变，地层摩擦力大，回拖阻力也较大，拖管头设计应引起重视，因拖管头拉裂或拉断导致拖管失败时有发生。

拖管头类型和式样有很多，按照其与管道的连接方式分，最常用的有锲块式和螺杆式。锲块式是通过一个锲块装置将管道咬住，越拉越紧。这种方式不伤害管道，但结构复杂，成本高，安装不好时易松脱，造成事故。螺杆式是通过螺杆与管道连接，结构简单、拆卸容易、连接可靠，建议采用螺杆式拖管头。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高密度聚乙烯非压力管道水平定向钻进施工方法，其特征在于，先进行地下管线探测，包括地下勘查和地表测量，对探测数据进行修正、判断和综合分析，提出探测成果；然后根据探测成果，确定钻孔轨迹，分别确定中间水平直线段和两端的造斜段，并按照设计的钻孔轨迹，同时采用定向导向钻进系统，通过电磁波信号传输，按照钻孔轨迹，先钻进一个小直径的导向孔，实现钻孔施工时的直线前行或方向改变；随后在钻杆端部换接大直径的钻头进行多次扩孔，对后续大管径管线进行铺设；在最后一次扩孔的同时，将待铺设的管线拉入钻孔中指定的位置后，完成铺管施工;具体包括以下步骤：

第一步、地下管线探测；

第二步、钻孔轨迹设计，根据上述步骤中的地下管线勘察成果、现场地形地貌和周边环境、钻杆最小弯曲半径以及施工经验综合考虑和选取各设计参数；

第三步、化学泥浆配制，施工中要根据不同地层使用不同的泥浆配比，以达到顺利成孔的目的；其中，采用马氏漏斗对泥浆粘度进行测量，马氏漏斗粘度（S/qt），实际施工时泥浆粘度根据地质条件进行确定：淤泥、淤泥质土为35-45S/qt，人工填土为40-50S/qt，粘土、亚粘土为30-40S/qt，粉细砂质土为40-55S/qt，中粗砂质土为50-65S/qt；同时，泥浆用量为：

V=理论建筑空间×(300%～500%)；

第四步、导向孔施工，采用带水射流的斜面钻头和导向定位系统进行导向孔施工；

第五步、扩孔施工，在上述步骤的导向孔顺利完成后，用扩孔钻头对导向孔进行多次扩孔，以满足工程需要；其中，扩孔系数K为一重要参数，具体取值根据实际土质进行选取：淤泥、淤泥质土为1.0-1.1，人工填土为1.1-1.2，粘土、亚粘土为1.2-1.3，粉细砂质土为1.3-1.4，中粗砂质土为1.4-1.5，卵砾砂质土为1.5-1.6；扩孔钻头包括挤压式、流道式和开放式，具体使用需根据实际施工土质进行选择；

第六步、高密度聚乙烯管道热熔对接，使用热熔对接机进行对接施工；在对接时根据不同规格、材质和性能的管道进行对接，对接时注意对应的对接参数，该对接参数包括加热温度、加热时间、接触压力和接触时间；在管道对接后在接口处将形成接口环，接口环采用“削倒角法”，具体是：在管道接口两端面刨平后，用刀片在内缘削倒角，从而在接口热熔对接前形成“V”字坡口，待对接完成后，“V”字坡口被焊缝填平；且采用不同壁厚管材搭配使用时，搭配原则包括：入钻端用厚管，出钻端用薄管；穿越距离越长，回拖力越大，管壁越厚；管径越大，越易扁管，管壁越厚；

第七步、拖管施工，在上述步骤的钻孔扩孔完毕后，进行管道回拖施工，从而最终完成铺管施工。

2.根据权利要求1所述的高密度聚乙烯非压力管道水平定向钻进施工方法，其特征在于，所述第一步中，地下管线探测方法包括物探法、查图法和查询法。

3.根据权利要求1所述的高密度聚乙烯非压力管道水平定向钻进施工方法，其特征在于，所述第四步中，导向定位系统包括手持式接收器、遥显仪以及安装于钻头内的信号棒，通过地面接收器和遥显仪显示钻头深度、倾斜度、工具面向角参数，供操作人员掌握孔内情况，并随时按设计的钻孔轨迹进行操作调整。

4.根据权利要求1所述的高密度聚乙烯非压力管道水平定向钻进施工方法，其特征在于，所述第六步中，热熔对接是将待焊管材两端面以一定压力靠在一个预置好温度的加热板上维持一段时间，在管材获得了足够的温度后，取出加热板，给待焊两端面施压，使两个焊接端面紧密接触，在一定的压力下维持一定的时间至冷却，整个焊接过程完成。

5.根据权利要求1所述的高密度聚乙烯非压力管道水平定向钻进施工方法，其特征在于，所述第六步中，在穿越距离小于50m时，可以完全或部分采用再生料管材；穿越距离大于50m时，可以部分采用再生料管材，再生料管材壁厚可进行搭配使用，搭配原则与原生料管材相同，与原生料管材也可以混合、搭配使用。