摘要：结合工程实例，介绍水平定向钻进技术的施工工艺和在城镇燃气管道(PE管)工程中的应用，探讨了施工的技术措施。
关键词：水平定向钻进；PE管；燃气管道穿越
Application of Horizontal Directional Drilling Technology to City Gas Pipeline Project
SU Qi
Abstract：Combined with an engineering example，the construction process of horizontal directional drilling technology and its application to city gas pipeline(PE pipe)project are introduced.and the technical measures of the construction are discussed.
Key words：horizontal directional drilling；PE pipe；gas pipeline crossing
始于20世纪70年代的水平定向钻进管道敷设技术，综合了传统的道路钻孔、地质钻探和油气井定向钻进技术，已成为一种完善的施工方法。它应用于穿越河流、水渠、街道、公路、铁路、海滩、岛屿、建筑群来进行燃气、石油、自来水、污水及其他管道敷设。
1 工程概况
本项目为广西南宁燃气管道工程，位于南宁市主干道民族大道与城市内河竹排冲的交叉处，为民族大道燃气管道工程的咽喉部位，需要穿越内河竹排冲。穿越的管道为Ø355mm、SDR11的PE燃气管道，管道水平长度为189m，其中穿越竹排冲河面宽度为81m。施工现场属于城市主干道，车流量大，施工场地狭小，人行道宽度仅有4m。现场已经敷设的管线有电信、供电、排水、雨水、有线电视等管线。
2 施工设备
非开挖导向孔钻机：GBS-25型，最大输出拉力为250kN，回转速度为0～80r/min，动力头扭矩为12kN·m；
高压泥浆泵：BW-250/50型；
导航仪：TRAK Ⅲ型；
导向钻头：Ø155mm斜拉式高压喷射钻头；
钻杆：Ø73mm×3000mm高弹性摩擦钻杆；
挤压式扩孔器：Ø110、210、310、410、610mm；
撸孔钻头：Ø650mm；
泥浆搅拌机：KLS2000型。
3 导向孔设计[1～3]
竹排冲水平定向钻工程导向孔轨迹剖面示意图见图1(图中尺寸单位为m)。
根据工程地质勘探资料，穿越竹排冲处的河道下有少量流沙层，为保证工程顺利实施，需减小河床段导向孔的坡度。具体设计原则如下：
① 根据资料，河底有0.5～1.0m厚的淤泥层，且由于该内河在2年前城市美化改造的时候将河床东移了43.6m，因此河西侧淤泥较深。以竹排冲桥面处地面作为基准面，标高定为±0.000(本文中的标高均以此作为基准面)，确定水平定向钻在河西侧为最低点，标高控制在-17.000～-18.000m范围内。
② 由于河床地层为淤泥质粘沙层，钻孔孔壁承受能力较弱，因此在河下段须以较小的入射角度和较大的弯曲半径钻孔，有利于导向孔施工和减小回扩孔铺管的阻力。入射角度控制在0～+5°范围内。
③ 由于穿越施工现场为南宁市的主要景观道路，政府不允许施工作业时间过长，因此导向孔在河床段设计为接近直线。这就需要在河西侧进入河水面以前就使导向钻头达到最低埋深，并保持接近水平状态直线向河东侧延伸，尽量减少在水面下的施工距离和时间。
④ 根据GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》[4]中6.3.11条的要求，导向孔设计水平长度为189m，其中入口段为45m，河床缓坡段为81m，出口段为63m，最低点为竹排冲西侧，其相对标高为-17.600m。这是南宁燃气管道工程一次性穿越敷设管道最长的工程。
4 导向孔施工
该工程一次敷设管道水平长度189m，导向孔施工至关重要，直接影响到拉管的难易程度和工程的成败。根据设计，结合实际导向钻进情况及同类地层施工的经验，选择定向控制能力大的导向钻头，即斜掌面大的钻头，并加大喷嘴口径，使泥浆在有一定的射流压力的同时，又保证有足够的流量，且使用优质泥浆，保证定向钻进时只需要提供较小的顶力。
① 导向孔入口段
在入口工作坑相对标高为-1.200m的点4以入射角为-18°开始入射施工，当钻头在水平方向前进9m后开始逐步缓慢增加钻头上翘角，并保持与设计轨迹一致。当到达水平距离为45m的点B时，相对标高为-17.600m，此时导向钻头已处于水平状态，入射角为0°，以较圆滑的曲线完成了入口段导向孔。
② 过河底的缓坡段
由于河床地层为淤泥质粘沙层，施工时不仅要保持泥浆射流的高压力和大流量，钻杆还需要以60～70r/min的转速均匀地给钻头输出顶进压力，并使钻头以较小的入射角度状态快速前进。此时导航仪在水面木船上，快速跟踪读出数据，判断出钻进基本为水平状态，入射角控制在0～4°，以3°居多。当钻到河东岸边水平距离到达126m的点C时，相对标高为-13.100m，向右偏出水平设计线的距离为0.23m。完全达到设计预期要求。
③ 导向孔施工出口段
当出口段开始施工5m后遇到坚硬的岩石层，经过咨询发现是废弃的防空洞顶部，现场分析核算后为了避开防空洞，修改施工方案为：钻头后退回到点C加大入射角度(控制在13～15°)，绕开旧防空洞顶部以后，再调整入射角度为8～100继续施工；施工采用缓慢顶进，并提高泥浆射流压力和流量配合钻头施工，保证施工质量。当钻头水平距离到达189m的出口工作坑时，出口点D的入射角度为9.4°，相对标高为-1.300m。
5 扩孔、撸孔
导向孔完成后，分4级即Ø210、310、410、610mm进行扩孔。扩孔过程中需要不停补充泥浆以保持泥浆的压力，保持钻孔孔径均匀和孔壁稳定，以满足回拉铺管的要求。
在施工中使用孔径为Ø650mm的撸孔钻头，比要拉入的PE管的直径大，这是因为水平钻孔只能把孔打出，部分土压向孔壁，还有部分土在孔内无法排出，不把孔扩大，就没有足够的空间穿入管道，也会大大增加回拉铺管的拉力。
6 回拉铺管
回拉铺管是非开挖管道施工的最后一道工序，若操作不当容易造成整个工程的报废。应对所敷设的燃气管道的抗拉强度及焊口抗拉强度分别进行力学实验，要求实验结果大于施工过程中理论拉应力最大值的2倍。在回拉施工过程中带上撸孔钻头，边回拉边回转钻头及燃气管道，保持铺管前方的钻孔畅通，减少摩擦阻力。为了保证工程顺利安全进行，需要控制拉管速度以保持适当的拉力，钻机输出拉力应保持在设计最大理论拉力的2/3以下。
7 施工技术措施
① 泥浆在施工中的作用
在水平定向钻进施工过程中，通常需要用泥浆泵通过钻杆中心孔(输浆管)向导向孔内注入膨润土和水的混合泥浆。泥浆的作用如下：冷却、润滑钻头、软化地层、辅助破碎地层、调整钻进方向、稳定孔壁、回扩和回拉时润滑管道、填充导向孔与管道之间的空隙以防止地面塌陷。拖管过程中，由于封闭的管道进入导向孔后占据大量的空间，导向孔内的泥浆压力急剧增加，部分泥浆从进出口外泄，大部分的泥浆在压力作用下向四周土层的缝隙渗透，此时四周的土层就如同一层又一层的滤网，泥浆中的大部分的水和颗粒较小的膨润土可以渗透到导向孔外的土层里，泥浆中大部分的膨润土留在导向孔内，在压力作用下以较密实的状态进行填充，达到防止导向孔塌陷的作用。
② 防止燃气管道表面划伤
在水平定向钻施工过程中，由于地下地质条件复杂，在回拖管道时经常出现管道表面划伤超过规范允许范围的情况。国内部分城市采用外加套管的做法，套管直径比燃气管大2号(至少大100mm)以上，并以套管外径确定扩孔直径。这样的做法不仅增加工程施工难度，还增加工程造价，延长施工工期。根据南宁市大量的定向钻工程的施工经验，导向孔直径大于管道外径1.5倍以上，并在回拖管道时保证导向孔内充满泥浆的情况下，在回拖管道时泥浆不仅可以润滑管道，直径大的导向孔还可以充分避免孔壁对管道的划伤。南宁市的水平定向钻工程完成后，通常对管头表面划伤深度进行检测，结果都小于壁厚的10%。
③ 施工过程中塌孔的处理
在河的西侧扩孔时出现塌孔。经分析，造成塌孔的原因是该部位为原来河床的最低点，淤泥堆积最深，土质条件最差，成孔较难。塌孔以后，重新进行扩孔，并将泥浆用量和压力加大。扩孔完成后，一直保持较高的泥浆压力，以保证孔的完整性，并马上开始拖管施工。
④ 燃气管道的保护
考虑到竹排冲附近将来可能进行大规模道路景观改造或者其他管线施工，如施工现场无法精确判断燃气管道实际位置，将可能出现因野蛮施工破坏燃气管道的事故。通常保证燃气管道不被破坏的做法是：在燃气管道附近水平间距5m范围内采用人工开挖，暴露出燃气管道后再进行下一步施工。这种施工办法比较保守，既增加燃气管道保护成本，又影响施工进度。经过长期工作实践，通过以下措施，不仅提高了管道的安全性，还可降低工程成本，缩短施工工期。
a. 整理施工过程中的数据报表，在绘制竣工图时按每2m标注一个水平定位尺寸和一个埋深，并在竣工图中标示详细的原始数据。
b. 随管道敷设8mm2铜示踪线4根(避免施工过程中被扯断)，并在入、出口坑引出地面作为运行过程中外加信号的接入点。在城市道路改造和其他管线施工需要寻找PE燃气管道时，通过详细的竣工图，配合仪器外加信号，精确定位管道具体位置。
⑤ 其他技术措施
a. 对用于水平定向钻进管材设专用仓库，进库前对管材按批次根据CJJ 63—2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》[5]的3.1.3条规定进行抽样性能检验，并规定库存期不得超过半年。
b. 采用PE管自动焊机，选择最优秀的PE管焊工作为水平定向钻进管道施工专用焊工，并每2个月对焊工按照CJJ 33—2005[6]中9.1.2条要求进行考核。
c. 拖管前对接焊口按照CJJ 63—2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》中5.2.4条要求进行100%翻边切除检查，并按CJJ 33—2005《城镇燃气输配工程施工及验收规范》[6]第12章要求进行强度、气密性试验。
8 结语
本工程施工控制全过程，从设备选型、就位到完成撤场，完全按照预期计划实施，达到安全、优质、高效。
① 本次敷设的PE燃气管道管径大、长度长、管道自重大，拖动阻力大，一般小型钻机无法满足工程需要。选择大型的动力头扭矩大、输出拉力大、动力行程大的钻机是工程顺利完成的前提。
② 在实地认真勘察的基础上，充分利用现有资料，精心设计导向孔轨迹，为工程顺利完成提供技术保障；在出现塌孔的时候，能及时调整施工方案，为工程按期完成扫清障碍。事前预见及施工过程遇到的问题因准备充分而顺利解决，是工程顺利完成的基础。
③ 施工过程中根据实际需要合理控制泥浆用量及压力是工程顺利完成的关键。
随着水平定向钻进管道敷设施工技术的不断发展，各行业对水平定向钻进管道敷设施工技术的利用也越来越广泛，该技术不仅对环境和城市交通的影响小，且修复费用少，工期短。
参考文献：
[1] 杨青.燃气管道水平定向钻穿越线路设计[J].煤气与热力，2008，28(1)：B10-B12.
[2] 刘延智.钢质燃气管道非开挖穿越河流工程实例[J].煤气与热力，2006，26(8)：4-6.
[3] 赵岚.水平定向钻在钢质燃气管道施工的应用[J].煤气与热力，2005，25(5)：49-51.
[4] 中国市政工程华北设计研究院.GB 50028—2006城镇燃气设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.
[5] 建设部科技发展促进中心.CJJ 63—2008聚乙烯燃气管道工程技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.
[6] 城市建设研究院.CJJ 33—2005城镇燃气输配工程施工及验收规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2005.
(本文作者：苏琪 中石油昆仑天然气利用有限公司南宁分公司 广西南宁 530022)
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