非开挖铺设地下管线技术.docx
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非开挖铺设地下管线技术
非开挖铺设地下管线技术（总15页）
序言
非开挖铺设地下管线十技术，国外称为TT技术，即TrenchlessTechnology,又称HDD,即HorizontalDirectionalDrilling,水平定向钻探。
是近些年来发展起来的一项新技术，是钻探工程技术的一项重要延伸。
在我国大规模进行交通、铁道、电力、地铁、水利以及城市规划和建设中，都是一项十分重要的，方兴未艾的非常有应用前景的，而且社会经济效益极为良好的技术。
实践证明，在大多数情况下，尤其是在繁华市区或管线的埋深较深时，非开挖施工是明施工的很好的替代方法.
而在实际工作中要保证工程的顺利进行，确保成孔的质量，就必须对钻进参数进行控制，即注意泵量、泵压、钻速、泥浆配比等等的选择和调整。
关键词：
非开挖管线钻进参数
第一章非开挖地下管线技术概况
第一节非开挖技术的定义
非开挖施工技术（TrenchlessTechnology或No-Dig）是指再不开挖地表的情况下探测、检查、修复、更换和铺设各种地下公用设施（管道和电缆）的任何一种技术和方法。
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，最终回扩直径按公式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~），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。
第二节非开挖技术的发展概况
对于大多数人来说，“非开挖”技术是一个十分陌生的词。
据北京市水利工程基础总队总工程师、中国非开挖协会（CSTT）会员丛蔼森先生介绍，非开挖施工技术是指利用各种岩土钻掘的设备和技术手段，在地表不开沟槽的条件下铺设、更换或修复各种地下管线的施工新技术。
与传统的挖槽施工法相比，非开挖技术具有巨大优点：
不影响交通，不破坏周围环境；施工周期短，综合造价低；可在各种复杂条件下如江底、河底、楼房地基下、铁路下施工，并对江河、楼房、铁路不产生影响。
据了解，现代非开挖施工技术是本世纪七十年代末首先在西方发达国家逐渐推广应用的，尤以美国和德国发展最快。
1986年，国际非开挖技术协会在伦敦成立，我国于1998年也成立了非开挖技术协会。
到目前为止，我国已有许多采用非开挖技术施工的成功先例。
穿越黄浦江底的1700米天然气输送工程、北京左安门－永定门4．7公里的水泥管铺设工程、重庆跨越长江江底的天然气输气遂道工程等都是利用非开挖技术而使工程大放异彩。
日前，我国非开挖技术协会会员有30多家，施工单位有10多个，1998年铺管75公里，还不到全国铺管总长的0．2％，而管道修复技术几乎为零，全部投资不到10亿元人民币。
但从发展速度看，1998年比1997年增长了％，令人瞩目。
据有关专家介绍，
2000年后我国需新铺自来水管道21．5万公里，排水管道18．5公里，天然气管道10万公里，还有大量电信、光缆、热力管线要铺设。
此外，还有大量旧管道需要修复和更换。
总之，非开挖技术施工的市场极大，前景令人乐观。
第三节非开挖的类型和应用领域
非开挖施工方法按其用途可分为管线铺设、管线更换和管线修复三大类每种非开挖施工方法的特点及使用范围见表1-1
非
开
挖
施
工
技
术
方
法
管
线
铺
设
施工方法
典型应用
管材
适用管径
顶管法
各种大口径管道，跨越孔
混凝土、钢、铸铁
900
隧道施工法
各种大口径管道
900
小口径顶管法
小口径管道，管棚，跨越孔
混凝土、钢、铸铁
150-900
导向钻进
压力管道，电缆，短跨越孔
钢、塑料
50-350
螺旋钻进
刚套管，跨越孔，
跨越孔
100-1500
顶推钻进
压力管套，钢套管
钢、混凝土
40-200
水平钻进
钢套管，跨越孔，水平降水井
钢套管
50-300
冲击矛法
压力管道，电缆线，跨越孔
钢、塑料
40-250
夯管锤
钢套管，跨越孔，管棚，打入桩
钢管套
50-2000
冲击钻进法
跨越孔
钢管、混凝土管
100-1250
管
线
更
换
碎管法
各种重力和压力管道
PE,PP,PVC,GRP
100-600
胀管法
各种重力和压力管道
PE,PP,PVC,GRE
150-900
吃管法
各种重力和压力管道
PE,PP,PVC,GRE
100-900
抽管法
管
线
修
复
内衬法
各种重力和压力管道
PE,PP,PVC,GRE
100-2500
改进的内衬法
各种重力和压力管道
HDPE,PVC,MDPE
50-600
软衬法
各种重力和压力管道
树脂+纤维
50-2700
缠绕法
各种重力管道
PE,PP,PVC,PVDF
100-2500
喷涂法
各种重力和压力管道
水泥浆，树脂
75-4500
第二章非开挖技术地下管线的原理
第一节定向钻进和导向钻进
定向钻进和导向钻进之间并没有严格的界限。
导向钻进技术的基本原理大致和定向钻进相同，即先钻一个小口径的先导孔，随后边扩边回拉铺设地下管线。
由于小类型定向钻进采用的钻孔轨迹量测、控制技术与大众型的不一样，因此，国际上通用的分类方法是将小型定向孔称之为“导向钻进”。
“导向钻进”一般是指用于铺设小直径、长度较短的管线；而将大中型定向钻进称之为“定向钻进”。
对于重型工程，直径较大（有些直径大于1米）的管线施工则属于“定向钻进”这一范畴，如穿越较大的河流、运河和高速公路施工。
定向钻进和导向钻进其优点为：
对于地表的干扰较小；施工速度快；可控制铺管方向，施工精度高。
定向钻进的不足之处在于对施工场地要求较大，再非粘性土和砾石层中施工比较困难，一般适合于不含大卵砾石的各种地层，包括含水地层。
导向钻进不适合于沙层和砾石层，一般适合于软土层；由于探测器的探测深度的限制，导向钻进的深度有限。
第二节导向钻进施工的原理
大多数时候的导向钻进使用一种射流式辅助切削钻头，钻头通常带有一个斜面，因此当钻杆不停的回转实则钻出一个直孔，而当钻头朝某个方向给进而不回转时，钻空发生偏斜。
导向钻头内带有一个探头或发生器，探头也可以固定在钻头后面当孔不断向前推进时，发生器发出的信号被地表接受器所接收和追踪，因此可以监视方向和其它参数。
导向钻进施工示意图如图2-1
图2-1导向钻进施工示意图
导向钻进的成孔方式有两种：
干式和湿式。
干式钻具有挤压钻头、探头室和冲击锤组成，靠冲击挤压成孔，不排土。
湿蚀钻具由射流钻头和探头室组成，以高压射流切割土层，有时辅以顶驱式动力头以破碎大快卵石和硬土层，这是目前使用最多的成孔方式。
两种成孔方式均以斜面钻头来控制钻孔方向。
若同时给进和回转钻杆柱，斜面失去方向性，实现保直钻进；若只给进不回转钻杆柱，作用于斜面的反力使钻头改变方向，实现造斜钻进。
钻头轨迹的监视，一般由手持式地表探测器和孔底探头来实现，地表探测器接收显示位于钻头后面探头发出的信号（深度、顶角、工具面向角等参数），供操作人员掌握孔内情况，以便随时进行调整。
第一节定向钻进成孔的方式
在松软地层中，靠高压水射流来切割成孔。
孔底钻具组合有一弯接头和一带喷嘴的钻头构成。
钻柱回转时，钻出的孔是直孔。
如果钻柱不回转，再给进力和水射流作用下，可产生定向的弧形孔。
在含有硬夹层的松软地层，孔内的钻具组合由弯接头和合金钻头或牙轮钻头组成。
若用三牙轮钻头，有时将三个喷嘴中的两个堵上，剩下的一个使水流以一定的方向进入地层。
若遇到较硬的夹层，可回转钻柱，靠三牙轮或合金钻头破碎岩石，穿越障碍。
在硬岩或卵石层中，射流成孔的方法会失去作用，此时，须钻进成孔。
空内钻具组合由弯接头、螺杆马达和钻头组成。
可根据地层情况采用刮刀钻头、牙轮钻头或金刚石钻头。
第一节定向钻进监视方法
采用定向钻进方式施工水平穿越孔的重要技术环节是钻孔轨迹的监视和控制。
目前一般采用随钻测量方法。
现有三类商品化的随钻测量系统可用于这种施工，其测斜传感器原理都相同，即加速度计测量顶角和工具面向角，磁通门测量方位角，其区别在于测量信息传输方式不同。
这三种系统是：
（1）有缆式随钻测量系统。
靠电缆传输测量信息。
水平钻进电缆操作十分困难，采用多接头钻头和“湿接头”方式予解决。
这种系统在定向钻进铺管施工中应用最多。
（2）泥浆脉冲式无缆随钻测量系统。
将测量信息转变成压力脉冲信号后传至地表，这种因为成本高，使用比较少。
（3）电磁式无缆随钻测量系统。
测量信息附载于电磁波上传至地表。
该系统目前测量范围还较小，在300米以内。
超过此范围后可装上电缆接头，转变成有缆系统。
第三章影响成孔的主要因素
第一节定向钻进设备的选择
1-1选择的标准
在对比一台定向钻机与其他钻机的性能时，尽管对比钻机的回拖力是最常用的一个方法，然而，回拖力不应该是最重要条件。
因为通过增加系统的压力或类似的方法可以容易的改变这项参数。
由于增加推进力与回拖力需增加发动机的功率很小，所以，提高钻机的回拖力很容易地做到。
钻孔的形成主要是是靠钻机的扭矩和钻井液的动力来完成，而不是钻机的推力和拉力。
如果导向孔和预扩孔完成的非常的理想，钻机本身可能始终用不到其标定的回拖能力。
扩孔器的扩孔情况与导向孔的直径和要达到的扩孔孔径成函数关系，而与回拖力无关。
回拖力只是用来移动穿越的管道重量。
而小口径的管道或塑料管，其重量不是很大，而且管道一旦被拖进孔内，由于孔内膨润土制成的泥浆对管道的浮力，管道被拖动将不需非常大的回拖力。
在施工中，钻机大部分时间要进行回转钻进，以实现土层的切削和在钻井液的作用下对土渣的外送，所以钻机的扭矩是选择钻机的一项重要指标。
1-2功率
在定向钻进施工中，考虑钻机的功率是一个非常重要的问题，钻机的功率决定了施工过程能否顺利穿越地层、完成管道回拖工作。
钻机大部分时间保持在额定功率状态下工作，只有在特殊情况下，钻机才允许超载运行，但不允许超钻机的最大功率，超载运行的时间不能太长，以免由于钻机的超载运行而损坏发动机。
所以，钻机的功率标志着钻机所具有得用于产生扭矩和回拖力的实际能力。
当然钻机的功率是容易改变的，通过改变发动机的功率可以方便的改变钻机的功率。
但钻机的扭矩的改变是一个复杂的问题，涉及到钻机的承受能力。
1-3钻杆
传递扭矩的钻杆是钻机与孔底机具之间唯一的也是最为重要的动力传动环节。
对于长距离的钻孔而言，钻杆的强度比柔度更为重要。
因此，大多选择较大直径的钻杆。
钻杆的规格决定必须选用什么样的扩孔器。
生产孔底机具的制造厂应根据给定的地层条件计算出旋转孔底钻具所需扭矩，获得这个参数后，便可根据这个参数选配钻杆。
然后再根据这个参数对比考虑选用不同的钻机。
钻杆的长度直接影响钻进的效率。
使用较长的钻杆，减少非生产性作业时间，进而减少连接的次数是明显提高效率的主要手段，在钻杆的选用中还应考虑钻杆的费用。
第二节泥浆的选择
在定向钻进中，钻进液可比拟为人的血液，而血液造成的问题需要花大量时间去解决，为确保顺利施工，施工时要经常检查钻井液的几个基本性能。
（1）配浆用水
PH值在8-9的水是膨润土造浆达到最佳状态，维持PH值最好的方法是加纯碱。
3800L的水提高PH值至要求值8，需加纯碱量。
大量使用时，应即可添加少量纯碱（）以维持PH值。
添加纯碱控制PH值的好处是减少膨润土的聚合物的用量。
（2）提高和保持黏度
经漏斗或文德里管加入高造浆率膨润土提高钻井液黏度，可用马氏漏斗检测黏度。
最佳黏度为，但有时还取决于用土的类型，当漏斗的筛网上无残留的小片膨润土时，膨润土的造浆达到最佳水平，钻井液黏度也将稳定。
第三节孔参数的选择
3-1泵量的选择
在冲洗液的排粉、冷却、润滑和护壁诸功能中，以排粉所需的泵量最大，故应以孔底岩粉量的多少为主要依据来选择泵量。
同时，还必须注意到液流的阻力与流速的平方成正比，如果泵量过大，引起的孔地脉冲举离力将抵消一部分钻压。
因此，合理的泵量值应在满足排粉的前提下兼顾其他工艺因素。
可根据下式来确定冲洗液的泵量：
Q=m
（D*D-d*d）v
式中：
v-冲洗液在外环空间的上返速度，dm\min;D、d-分别表示钻孔直径和钻杆外径，m-由于孔壁、孔径不规则引起的上返速度不均匀系数，m取。
上返速度的推荐值：
清水时取泥浆时取必须兼顾的其他技术因素是：
孔径大、钻速高、岩石研磨行强、钻头水口水槽宽者可取上限，反之，亦然。
为了提高钻素，在可能的条件下应尽可能的选用清水作冲洗液；若用泥浆时，其密度和粘度值宜小不宜大，并尽量采用低固相不分散泥浆。
3-2钻头压力的选择
钻压是决定钻头机械转速的最重要参数。
对不同的岩石而言，其钻速增长率对钻压的敏感程度不同，其中以中-硬硬岩石最敏感，也就是说，这类岩石增大钻压最有效。
而岩石如果钻压过大，将是孔底排粉何冷却条件恶化，从而阻碍钻速的成比例上升。
3-3转钻速对钻速的影响
转速是钻头旋转的速度，表示切削具运动的快慢。
由图可知：
（1）在软、塑性大、研磨性小的粘土岩层钻进时（曲线Ⅰ），钻速vm与转速n关系基本呈线性关系；
（2）在中等硬度、研磨性较小的岩层中钻进时（曲线Ⅱ），钻速vm与转速n的关系开始呈直线关系，但随着n继续增大而逐渐变缓，转速愈高，钻速增长愈慢；
（3）在中硬、研磨性强的岩层钻进时（曲线Ⅲ），开始时类似于曲线Ⅱ，但钻速随转速增大而增大的速率缓慢，当超过某个极限转速n0后，钻速vm还有下降的趋势。
在钻压和其他钻进参数保持不变的情况下，钻速可表述为
vm∝nλ
式中：
λ为转速指数，一般小于1，其数值大小与岩性有关
第三节成孔情况的初步估测（回扩阶段）
在扩若干次孔后我们怎么知道成孔情况呢？
我们只有通过泵压、流速的大小与参照值之间的关系来判别，泵压、流速的大小在成孔过程中起着极其重要的作用，从流体力学的角度来分析，根据伯努利公式：
+v1*v1/2g=
+v2*v2/2g
水泵的输入压力与流速以及输出压力有关，由于输入流量一定若想得到较为理想的孔径则应知道输入压力与输出压力的关系。
若借助一个压力传感器则可以知道其压力之间的关系，压力传感器测压力差的原理为：
则可以得到如下公式
压力差传感器
根据测得的压力差可得流速之间的关系，由于输入流量一定即可得：
v1=Q/A
其中Q为流量，A为钻杆的横截面积这样则可得到v2，在比较其值与经验值v之间的关系当v2v可知出现缩径，则需要再次扩孔。
这样我们可以根据所测流速值来调节泵压从而使成孔效果达到更为理想。
第四章实习工程概况
本次实习工程位于武汉市八一路小洪山附近，承建单位为武汉市拓展地下管道工程有限公司，甲方单位为中国移动通信公司、中国联通公司及电信相关部门。
工程铺管总长186米，其间穿越回填土层、粘土层、砂砾石层、少量岩层。
可以说施工难度是相当大的，包括中间事故处理阶段，整个工程历时29天。
中间最深处为6米左右，入射角为13º。
钻机类型的选择：
ZT-25（深圳钻通机电设备开发有限公司制造）
图1-5ZT-25钻机外形
表1-2ZT-25主要技术参数
动力
Kw
125
最大输出扭矩
Nm
8000
钻机回拖力
kN
250
钻进给进力
kN
250
输出转速
入射角
。
8-20
泥浆泵最大排量
L/min
250
泥浆最高压力
Mpa
8
钻杆规格
mm
φ73x3000
挤压式扩孔器
mm
φ160-680
切捎式扩孔器
mm
φ320-720
流道式扩孔器
mm
φ300-700
主机外型尺寸
mm
5500x2100x2250
总重量
kg
7800
ZT-25型定向钻进非开挖铺管钻机采用高强度橡胶履带底盘，动力站和钻机一体化结构，移动方便，机动性强。
钻机动力选用康明斯柴油机，动力充沛，性能稳定可靠。
动力头采用双马达驱动，回转平稳，扭矩大。
动力头设有卸扣自行浮动机构，以减少对钻杆丝扣的磨损，操作简便可靠。
随机液压管线集中于防护套内，提高了管线的使用寿命。
方便的角度调节油缸，入射角调节灵活。
给进回拉采用马达—链条机构，推拉力相同，便于长距离控向。
双夹持器拧卸钻杆，效率高。
全液压驱动，集中控制，操作方便、灵活。
扩孔器的选择：
Φ450mm牙轮式扩孔器Φ500mm凸轮式扩孔器
该工程采用回拉式扩孔，由于距离钻机5-45m段地层比较复杂，故采用Φ450mm牙轮式扩孔器施工时，出现了扩孔器被岩石卡固事故，延误了工期。
所以，作者建议在类似地层条件下，不宜采用牙轮式扩孔器。
铺设管材的选择：
Φ114mm×200m×8PVC管
由于铺设管材比较长（达200m），因此在拉管过程中采用特殊的回转装置在吊车和吉普车的提吊牵引下，人为扶正进行自行回转。
另外，施工工地狭长无居住带也为拉管的顺利进行提供了有利的条件。
施工组织：
由于非开挖机械化程度较高，因此除一名现场技术负责人外，仅需司机一人、钻井液配置一人、开孔处和出口处各两人负责拧卸钻杆即可。
但由于该工地施工两处距离较远，给钻杆的循环使用带来很大的不便，为此，承建方专门利用一辆吉普车来往复运送钻杆。
作者认为，由于施工过程中可循环利用的钻杆数目过少（扩孔初期仅两根，扩孔后期仅四根），制约了工程顺利进行。
往往因为钻杆不能及时到位，不得不叫停钻机，而且一旦叫停不及时，会将钻杆直接拖入水中，出现事故（曾经出现过一次）。
同时，可循环利用的钻杆过少势必导致循环频率增高，从而加大成本损耗，而且工地处于繁华路段易出现交通事故。
钻井液的选择：
易钻高造浆率/低滤失量膨润土
产品描述：
易钻是一种高造浆率，添加特制干粉聚合物的200目钠基彭润土。
在钻探过程中，它能够有效地保持钻孔的完整性。
推荐用途：
易钻是特别为倾斜钻进或水平钻进而设计制造的。
可以用于各种类型的淡水泥浆循环钻进，也可以作为用于顶管施工的润滑剂。
性能：
混合快速；
高浓缩、镐造将率；
作用时间长，混合后可以长时间保持泥浆的稳定性；
在不稳定地层中可以形成薄的、致密的滤饼层；
可以保持水平钻孔和垂直钻孔的稳定性；
消除粘土和页岩的水化膨胀、防止钻头糊钻和胶着的问题；
可以承受中度的硬水和低pH水。
混合：
加入易钻至喷射型混合器中，喷射循环一个以上的体积循环周期即可。
混合比率：
一般地层………………..20—30lbs/100gals（24-36kgs/m3）
砂砾石层………………..30—40lbs/100gals（36-48kgs/m3）
高漏失地层……………..40—60lbs/100gals（48-72kgs/m3）
混合比率以使用淡水为基础。
水的纯净度会影响彭润土的性能。
为达到最好的效果，用于混合钻井液的水应使用碳酸钠预先处理，使pH值达到—。
主要参考文献：
乌效明胡郁乐等，《导向钻进与非开挖铺管技术》，中国地质大学出版社，2004
袁恩熙，《工程流体力学》，石油工业出版社，1998
《机械说明书》深圳钻通公司
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