中国非开挖协会定向钻进技术规范合钉本.docx
《中国非开挖协会定向钻进技术规范合钉本.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中国非开挖协会定向钻进技术规范合钉本.docx（77页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
中国非开挖协会定向钻进技术规范合钉本
定向钻进管线穿越铺设
技术规范
中国非开挖技术协会
2002
目录
一、总则
二、技术概述
三、工程投标指南
四、施工合同（示范文本）
五、施工场地探测技术指南
六、工程施工技术规范
七、安全操作规程
八、名词及术语解释
九、参考文献
本规范由中国非开挖技术协会定向钻进专委会起草
执笔：
中国地质科学院探矿工艺研究所李山
总则
1.总则
采用定向钻进穿越地面及地下障碍物铺设管线技术正在我国蓬勃发展。
为规范我国定向钻进穿越铺设工程施工市场，统一施工技术质量标准，中国非开挖协会参照国内外已有的相关规范和标准，特制定本规范。
定向钻进穿越铺设管线工程无论大小，都必须进行设计和施工的质量控制。
中国非开挖技术协会希望通过应用本规范，促进我国的定向钻进穿越铺设管线技术水平提高，也使工程承包商的施工效益更高。
1.1目的
中国非开挖技术协会推荐本规范用于工程承包商与管线业主进行业务协商、用于工程承包商进行施工管理及其质量、安全控制。
1.2适用范围
本规范适用于采用任何机械回转钻进设备进行定向钻进，使各种材质的管道或缆线在障碍物之下穿越铺设的工程施工。
技术概述
2.技术概述
2.1发展与应用
始于二十世纪七十年代的定向钻进穿越技术，综合了传统的道路钻孔和地质勘探与油气井定向钻进技术。
现在，这项技术已成为一种完善的施工方法。
它已用于运输石油、天然气、自来水、污水及其它流体的管线铺设，也用于电力和电讯缆线的导管铺设，除穿越河流和水渠之外，还用于穿越街道、高速公路、铁路、机场跑道、海滩、岛屿、建筑物拥挤的地方、管线通道和运河。
2.2优越性
在非开挖技术行业中，定向钻进一直是主要的增长领域。
目前，在天然气、自来水、电力和电信部门，定向钻进已是一种得到广泛认可的施工工艺，最近由于在施工精度上的改善，定向钻进也被用于污水管和其它重力管线的铺设。
定向穿越与其它任何一种施工方法相比，对环境的影响最小，能提供障碍物下管线覆盖的深度最大，因此对管线的保护作用最大，维修费用最小。
由于大多数的工作都在道路的两侧进行，因而不会阻断交通。
定向穿越还有一个可预测的短期施工计划。
更为显著的是，定向穿越在许多情况下比其它施工方法费用更少。
2.3技术局限
定向钻进穿越铺设管线技术正在全世界广泛推广。
迄今为止，定向钻进最长的穿越距离已达到1831米（铺设管径600毫米）。
定向钻进用于均质土层的穿越能够取得满意效果，在杂填土、砂卵砾石层、冰渍层和硬岩层中的穿越也越来越多。
2.4技术工艺
定向穿越铺管普遍采用：
首先定向钻进导向孔，然后扩大钻孔，最后拉入铺设成品管的施工技术工艺。
2.4.1导向孔导向孔钻进一般采用小直径全面钻头，进行全孔底破碎钻进。
在钻头底唇面上或在钻具上，设置有专门的控制钻进方向的机构。
在钻具内或在紧接其后部，安装有测量探头。
钻进过程中，探头连续或间隔地测量钻孔位置参数，并通过无线或有线的方式实时地将测量数据发送到地表接收器。
操作者根据这些数据及其通过处理这些数据得到的图表，采取适当的技术措施调整孔内控制钻进方向的机构，从而人工控制钻孔的延伸轨迹以达到设计要求。
目前常用的孔内控制钻进方向的机构主要有两类：
一类是钻头底唇面采用非平衡结构设计，如常见的是带有一个斜面，当钻头连续回转时钻出一个直孔，而保持钻头斜面朝某个方向不回转加压时，则使钻孔发生偏斜。
这类方法因需要在不回转条件下破碎孔底，所以在软质的土层大多数采用钻进液喷射辅助破碎，而在硬质的岩层则采用冲击式碎岩方式。
另一类是钻具采用弯外管或弯接头，其弯曲方向即决定了钻头的钻进方向。
这类方法因钻具弯曲，所以导向钻进中钻杆是不旋转的，钻头破碎孔底的扭矩，来自于钻头后部的孔底动力机，如螺杆马达或涡轮马达。
这类方法通常用于钻进岩石等硬地层。
2.4.2扩孔导向孔完成后，必须扩大至适合成品管铺设的直径。
一般情况下，扩孔器是在钻机对面的钻头出土处连接于钻杆上，再回拉进入导向孔，随着扩孔器的回扩，要在其后不断地加接钻杆。
根据导向孔与适合成品管铺设孔的直径差异大小和地层情况，扩孔可一次或分为多次进行。
一般，推荐最终扩孔直径按下式计算：
Ｄ’＝K1Ｄ
式中：
Ｄ’——适合成品管铺设的钻孔直径
Ｄ——成品管外径
K1——经验系数，一般取K1=1.2～1.5，当地层均质完整时，K1取小值，当地层复杂时，K1取大值。
2.4.3拉管扩孔完成后，即可拉入需铺设的成品管。
管子最好预先全部连接妥当，以利一次拉入。
当地层情况复杂，例如钻孔缩径或孔壁垮塌，可能会对分段拉管造成困难。
拉管时，应将扩孔器接在钻杆上，然后再通过单动接头连接在管子的拉头上，单动接头可防止管子跟着扩孔器回转，从而保证其能够平滑地回拖进钻孔中。
2.5施工设备
2.5.1钻机钻机可据其工作位置分为两类：
地表始钻式和坑内始钻式。
地表始钻式钻机通常具有行走机构，可方便地迁移。
铺管施工时它们可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。
地表始钻式钻机有几种桩定方式将钻机锚固在地上，性能完善的钻机桩定系统可以是液压驱动的。
一些地表始钻式钻机是整装式的，载有钻进液用搅拌池和泵，以及动力辅助装置、阀和控制系统，有的还配置有一个钻杆自动装卸系统，定长的钻杆装在一个“传送盘”上，随钻进或回扩的过程而自动从钻杆柱上加、减钻杆；也有采用搅拌池和泵等设备分离配置的。
钻进液通过钻杆柱内孔泵送到钻头，再从钻杆与孔壁的环空内返回，并把破碎下来的钻屑携带至过滤系统进行分离和再循环。
坑内始钻式钻机一般体积较小，施工时在钻孔的两端都需要挖坑，但可在空间受限的地方操作。
坑内发射钻机固定在发射坑中，利用坑的前、后壁承受给进力和回拉力。
一些设计紧凑的钻机的发射坑，可只比接管所需的坑稍大一点就行。
钻杆单根的长度受坑的尺寸限制，这可能对铺设速度和钻杆成本造成影响。
2.5.2钻杆钻杆要求很高的物理机械性能，必须有足够的轴向强度承受钻机给进力和回拖力，足够的抗扭强度承受钻机施加的扭矩；要有足够的柔韧性以适应钻进时的方向改变；还要尽可能地轻，以方便运输和使用；同时，还要能耐磨损与擦挂。
2.5.3导向系统多数定向钻进技术要依靠准确的钻孔定位和导向系统。
随着电子技术的进步，导向仪器的性能已有明显改善，能获得相当高的精度。
导向系统有几种类型，最常用的如“走过式（walk-over）”系统，它以一个装在钻头后部空腔内的探测器或探头为基础。
探头发出的无线电信号由地面接收器接收，除了得到地下钻头的位置和深度外，传输的信号还往往包括钻头倾角、斜面面向角、电池电量和探头温度。
这些信息通常也转送到钻机附属接受器上，以使钻机操作者可直接掌握孔内信息，从而据此作出任何有必要的轨迹调整。
走过式系统的主要限制，是必须要到达直接位于钻头上部的地面。
这一缺陷可采用有缆式导向系统或装有电子罗盘的探头来克服。
有缆式导向系统用通过钻杆柱的电缆从发射器向控制台传送信号。
虽然缆线增加了复杂性，但由于不依靠无线电传送信号，对钻孔的导向就可以跨越任何地形，并且可以用于受电磁干扰的地方。
为使电子元件免受严重动载，一种基于磁性计的导向系统被用于有冲击作用的干式定向钻进上。
系统的永久磁铁装在冲击锤体上，当其旋转时即产生磁场，磁场的强度及变化由地表磁力计探测，数据交由计算机处理，从而得到钻头的位置，深度及面向角。
2.5.4附助设备大量的附属和辅助设备在定向钻进施工的成功中仍起着重要的作用。
拉管的拉头类型很多，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重要作用是防止钻进液或碎屑进入成品管道，这对必须无毒的饮用水管特别重要。
单动接头是扩孔和拉管操作中的基本构件，应设计成防止泥浆和碎屑进入的密封式轴承。
已有的单动接头的承载能力从低于5t至200t以上。
可使用“断路式接头”保护成品管，该接头上有一系列在预定载荷下断开的销钉，可根据成品管的允许拉伸载荷断开接头。
这种断开式接头不仅减少了疏忽造成损失的风险，而且对那些知道不能超过允许载荷的操作者，也有一种心理作用，不会去试图增大载荷而追求高效率。
其它重要的附助设备包括：
聚乙烯管焊接机、管道支护滚筒和电缆牵引器。
2.6冲洗介质及钻进液
多数定向钻机采用钻进液。
钻进液可以冷却、润滑钻头，减少磨损；可以软化地层，易于钻进；可以携带碎屑返回工作坑；可以在回扩过程中稳定孔壁；可以在回扩和拖管时润滑管道；还可以在钻进硬地层时为泥浆马达提供动力。
钻进液性能取决于其成分和配方。
膨润土/水的混合物是常用的钻进液或“泥浆”，它能使携带的岩屑处于悬浮状态，并能通过循环系统过滤。
导向孔施工完成后，触变泥浆可保持孔壁的稳定，以便于回扩。
在钻进岩石或其它硬地层时，也可用钻进液驱动孔底“泥浆马达”，在这种情况下，需要很高的钻进液流速。
一些钻进系统设计采用空气作冲洗介质，故又被称为“干式钻进工艺”。
其操作简单，废弃物少，不需要太多的现场设备，但要受到铺管尺寸和地层条件的限制。
与完全依赖推进力和回转扭矩不同，干式钻机施工导向孔时采用高频气动锤钻进。
与采用钻进液辅助钻进的设备一样，冲击锤前的钻头也有一个斜面，当在某个方位停止回转而冲击钻进时，也可控制钻孔轨迹。
铺设小直径的管道、导管或电缆线，可使用直接连接在钻杆上的镶有碳化钨合金齿的锥形扩孔器，这种扩孔器安装有空气喷嘴，气流通过钻杆柱进入，在回扩时高速气流有助于清除钻屑。
对于大直径管道铺设，采用气动锤扩孔器，同样在其后部用单动接头连接管道。
此时对扩孔起主要作用的是气动锤扩孔器的冲击作用，而不是钻机的回拉力，而且回扩过程中也可无须回转。
工程投标指南
3.工程投标指南
3.1施工条件
3.1.1一般条件
评价一项定向穿越工程时，委托方应当提供下列资料：
——适当比例的地形、地物图纸
——气象、水文资料（河流水位、潮汐涨落、雨、温度等）
——地面建筑物资料（房屋、道路、杆塔等）
——已有地下管线及构筑物图纸（管道、缆线、隧道、人井等）
——钻进区域的地质情况
——钻进区域的所有地层情况
3.1.2特殊条件
对一项工程进行详细评价时，应有下列条目及资料，如取得这些资料需要产生费用，应由工程委托方承担：
通道在管线穿越的两端都需要使用设备，甚至是大型设备，因此应给出施工现场的进出道路的详细资料（如桥梁和道路的重量限制、隧道和桥梁的最大高度等）。
为使费用最少，提供的到达穿越两端的通道必须距离已有的道路最近。
通常，管线施工的通道需办理道路使用权，所有关于通道的使用许可应由业主提供，在投标文件应当明确这些许可。
工作场地与传统的铺管方法完全不同，定向钻进只需要很小的施工场地。
场地大小取决于钻进长度、管柱直径和所钻地层情况。
定向钻进穿越工程需要两个分离的工作场地：
设备场地（钻机的工作区）和管柱场地（与设备场地相对的钻孔出土点工作区）。
设备场地安放设备和进行施工操作需要充足的工作面积。
这个面积应从穿越的入土点开始算起。
当设备是可分离的时，由于没有必须的相关位置要求，摆放设备位置也可由一些较小的、不规则的面积组成。
如果地面水平、坚实及上方无障碍物，就便于施工操作。
因需要大量的水搅拌钻进泥浆，所以附近有水源是必要的。
管柱场地应充分考虑并提供足够长的工作空间便于欲铺设管子的连接。
在穿越工程设计时，应尽量设法将欲铺设的管线做到以全长度一次拉入，并尽可能避免水平方向的弯曲。
足够的长度可确保回拉铺管的操作过程不被打断，回拉应连续进行，如果回拉时多次连接管线会大大地的增加施工风险。
地下水位当地下水位可能对施工产生影响时，应在设计钻孔轨迹左右宽度超过50m的范围内实施地下水位调查。
如果工作坑开挖需要降水，则降水工程的设计、施工及其费用应在标书中明确。
岩土勘察对大型的定向钻进穿越工程，设计施工前应当进行岩土勘察，勘察的目的是为了获得地层的全面详细资料、不同性质地层之间的边界位置和特殊物理性能。
一般，岩土勘察的费用应占工程总费用的3—5%。
岩土勘察可采用下列方法：
锥型贯入试验：
=CTP：
对于快而详细地测定软土、泥沙和泥炭土等不稳定堆积层，这是有用而方便的技术，在15分钟内一般可探测达10m深。
沿着钻孔轨迹轴线和轴线两边10m的距离每隔100m应作一次CPT试验，试验测量深度应达到设计钻孔轨迹之下5m。
对于常用的DutchCore贯入计，不仅要测量贯入点的阻力，而且还要测量与壳体周围的土壤相互作用产生的摩擦力。
标准贯入度试验：
这种方法靠落下的重物使取样器进入土壤，它提供有关原位土壤致密度等有限资料。
当不适合作CPT时，可采用这种方法，例如在河里或遇到岩质土时。
取心钻进：
用这项技术获得的原状岩心能提供全面的地层资料。
如果使用适当的设备，就能够钻穿粘性土壤和岩石。
在钻过砂层或卵砾石层时，可能会由于岩心松散取心层序混乱。
勘察孔的数量是由预定的穿越长度和地层的复杂性所决定的。
一般，可沿着钻孔轨迹方向每隔200m取一次岩心，如果勘察孔的资料表明穿越两端的地层均质，没有必要进一步取样；如果报告显示地层异常断裂，存在岩石和大量的砾石，建议增加钻孔以更好地确定地层。
显示有砾石、卵石、漂石或岩石的更长的穿越（特别是大直径管道），应在适当加密钻孔取样，为弄清全部异常还可增加更多的钻孔。
所有的钻孔都应沿着穿越轨迹方向布置，如果可能，这些钻孔应离开设计轨迹至少10m。
钻孔取心深度应达到钻孔轨迹之下5m。
钻孔结束后应进行灌浆，这将有助于防止在穿越钻进时的泥浆漏失。
采用地球物理勘察方法（例如地震法、地电法等）也可获得地层的三维连续资料，特别是采用该法对评价其它各种勘察方法的选点是很有用的。
实验室测试
取出的样品应进行实验室测试，以得出颗粒分布、抗压强度、石英含量（对岩层钻进）、以及绿泥石及其相关物质，所提供的资料以如筛分曲线和含量数据的形式给出结果。
3.2施工许可
3.2.1委托方
委托方应当免费提供下列各项：
施工许可证
——城市管理局和交通（包括河运）管理局许可证
环境许可证
——环境影响（如躁音）许可
——树或绿化带的砍伐及开挖的许可等
特殊许可证
——进出和穿过社会组织（如单位、工厂、农庄）的辖区、私人土地的许可证
——施工场地许可证
——燃料、钻井液材料存放地的许可证
——管线运输许可证
3.2.2工程承包方
下列许可应由工程承包商安排并承担费用：
工作时间
——加班工作
——晚上工作
——星期日工作
——法定假日工作
运输
——设备的进场和撤离
——适当变换工作场地
供水
——从室外水源取水用于钻井液混合物和成品管需要平衡的情况
降低地下水位
——降低地下水位并将其排入天然或人造水体及管道
钻井液
——清除不需要的钻进液
交通变化
——道路阻碍、交通车道绕道、车速限制
3.3工程施工
3.3.1代理人
在工程开工之前，由委托方和承包商共同确认的工程授权人，其对工程实施做出决定。
这些人在完成工程期间发挥作用。
3.3.2钻机
钻机在拉力、扭矩、泵量、泵压等方面应有足够的能力。
设计拉力应有足够的储备以便应付意料之外的、由于地层情况而增加的拉力。
3.3.3钻杆
采用强度足够的钻杆才能承受钻进扭矩和回拉所施加的机械负荷。
只有每年都进行过周期试验的钻杆才能使用。
3.3.4钻进泥浆——储存、循环和处理
A．背景定向穿越过程中需要大量的具有以下功能的泥浆：
1．冷却、润滑切削头；
2．把钻屑运送到地面；
3．稳定钻孔防止坍塌；
4．防止泥浆漏失到周围地层中
5．水力喷射破碎能力；
6．给钻井马达提供能量。
B．泥浆成分最常用的泥浆是膨润土泥浆。
膨润土是一种天然的怀俄明粘土，以其亲水性而闻名。
使用中往往添加一些聚合物来提高泥浆的某种性能。
泥浆材料的安全数据表（MSDS）很容易从供应商那儿得到，并应向管理/处理主管部门提交。
干膨润土粉的比重约为2.3kg/l，加量6%溶液的PH值在8—9之间。
C．储存泥浆被泵送到孔底，再循环到地表汇集在“返回池”中，池的容量至少应有5m3。
根据工程性质，泥浆从返回池泵送至“沉淀池和储存池”。
这些池子的大小应依据需处理泥浆的泵量和储存量而定。
D．泥浆回收泥浆从孔底循环回来并收集在储存池后，送到从泥浆中分离钻屑的机器上处理，这个过程涉及到一系列的振动筛和水力漩流器。
E．泥浆及钻屑的处理大量的泥浆通常在工程结束时才处理，处理的经济性依现场具体情况而定。
处理泥浆可用：
1．在另一钻进点再次使用；
2．分布到未开发的土地提高水土保持；
3．排放到垃圾场。
如果在地下有污染的地方作业，泥浆应进行污染测试并以满足法律法规要求的方式处理。
F．降低业主成本在投标前的进行详尽的设计和研究，可以使业主了解如何能节省大量的处理泥浆费用。
掌握和确定所有的泥浆处理问题是业主感兴趣的，尤其是：
明确将许可处理泥浆的场地作为工程特别条款的一部分；
由于很难估算处理量，因此处理费用应作为“附加成本”或“单位费率”成为单独的投标条款项目；
非故意的漏失常常发生且很难预测，因此施工前应将该问题实事求是地向管理机关指出。
意外污染的应对措施和非故意的漏失处理，应该作为单独的投标条款项目和施工协议。
3.3.4.5量测系统
用于控制钻进所需的量测数据是从安装在钻头后面的仪器得到的，这类仪器包括各种倾斜仪和磁方位计，仪器测得的数据通过无线或有线电缆传送到控制台，从而据此进行控向。
对仪器要求周围无磁性干扰时，仪器应装在无磁钻杆中。
附加的有线系统可以放在地面上并与钻孔轴线平行。
用这种方法可以测到更精确的钻头位置，与早期方法不同，它与距离和磁方位无关。
随着量测的连续不断进行，钻头的实际位置就可以对照设计轨迹图的而不断进行调整。
3.3.4.6钻进
定向穿越工程的钻进工作，一般分为三个阶段进行：
最初，是沿着预先设计的轨迹钻进导向孔。
完成该步钻进可用喷射式钻头或泥浆马达及钻头。
为控制钻孔方向达到设计要求，钻具上应安装有控向部件，通过它不断校正和控制钻孔方向。
钻进过程中，通过使用钻进液冲洗钻屑并保持孔壁稳定。
导向孔钻穿后，在出土点卸下钻头，把扩孔器连接在钻杆上，钻具在孔中旋转的同时向着钻机方向回拖扩孔器进行扩孔。
回拖扩孔时，为了保持钻杆在孔中的连续长度，在扩孔器的后部应加接单动接头和钻杆。
根据地层条件和铺管要求，扩孔可分多级进行。
在进行钻进作业的同时，在管柱场地（钻机的对面）对成品管、套管或管束进行焊接并测试。
在接好的管柱前端焊接拉管头，然后通过单动接头和扩孔器与保留在孔中的钻杆连接。
通过回转和向着钻机方向拉动钻杆及扩孔器开始回拖，单动接头使钻杆转动而管柱不回转。
拉管最好连续进行，一次拉完全管施工风险最小。
3.3.4.7测量和数据记录文件
随着新管线的铺设，地下管线的铺设和已有的穿越变得更加拥挤，保存准确的文件为将来作参考逐渐变得重要了。
钻进记录和计算机数据是这些文件的基础，它们既能用于“随钻”控制，又可为将来的参考建成一个信息库。
钻进记录是由定位人员和钻工都保存的记录，这些记录包括特定的日期、时间、位置、地层和钻进数据，如：
深度、角度、钻进速度和穿越的地下管线。
根据这些数据，钻孔轨迹可用手工绘出，也可用新的计算机软件生成CAD图。
不管是使用走过式还是有缆式定向系统，钻进记录都被推荐采用标准的操作程序。
3.4工程计划和公平补偿
一个完整的工程或单个钻孔，开始的设计受实际工地条件，包括地层、地形、已有地下设施和设备安装限制的影响，钻孔的长度和最终结果依据孔底钻具的限制和遇到的钻进条件可与原设计不同。
这可能产生委托人和承包人对支付费用的看法不一致。
工程师、探测人员、委托人和承包人的预先设计和评估，可最大限度地减少潜在的关于工作实施和费用支付问题的冲突。
在可能时，推荐进行完全的工程评估和应对意外的设计。
一次总付或单位价格——许多投标书对一个多样性的钻孔工程都要求一次总付，但不同的工程合同必不可少地需要不同的钻机，其它问题还有如土层可能有不同的孔间变化，从而影响钻进速度和价格。
因此推荐将单位价格明确列入合同增/删条款中。
土层条件——在投标之前，有委托人或工程师提供的岩样或岩心，能使承包人准备出更准确和更具竞争力的标书。
钻杆的限制和钻机的安装——对钻杆的限制必须给以特殊考虑，这一点在钻具和钻杆部分已作解释。
不推荐钻杆超出生产商建议的应力使用。
钻机的安装受许多环境因素的影响。
铺设管的限制——钢管和HDPE管都受组合应力因素的影响，包括拉力、钻孔轨迹、进入地下时管的弯曲半径以及过载应力和外部流体静压力。
钢管的强度不够，可能因屈服应力不足而造成变形或断裂。
HDPE管也可有碎裂或拉扁等不能使用的情况。
最小弯曲半径应是铺设管径的100倍。
弯曲率公差和允许应力的知识将有助于钻进的成功设计和实施。
已有地下管线和地表障碍物——这些东西会影响到钻孔设计和规划深度。
例如，标书特别要求铺设的最小深度为1.5m，但却未考虑已有的地下管线。
多数城市的地下管线包括天然气、自来水和电力线，它们的深度在0.6m～1.5m。
为了保持规定的间隔和最小深度要求，通常新管线的铺设深度必须≥1.5m。
深度0.5m～4.0m是典型的排水管和雨水管线的深度，这造成更长的钻孔需配合更大的深度。
在开始工作前，对所有可能受影响的地下管线都应掌握。
设计铺管与实际铺管——实际铺管与设计铺管长度之间存在差异是很平常的，投标书需要指明应如何支付铺管费用，承包人因此必须调整投标的实际内容。
在工程结束时，双方应立即共同确定实际铺管长度。
支付条款——在合同中，支付条款应明确具体，考虑支付的选择可能影响投标价格，推荐合同条文中要强调延期付款选项和提前支付折扣。
3.5合同问题
升级会员 