1、 121定向钻穿越与顶管穿越相结合施工法 陶建明，何 俊 （河南油田油建工程建设有限责任公司，河南 南阳 473132） 定向钻穿越与顶管穿越相结合施工工法是在长输管道工程在特殊环境下， 定向钻和顶管穿越不能单独完成的穿越工程，将定向钻穿越和顶管技术相结合，从而完成整个穿越工程的施工工法。通过工程施工实践，总结形成本工法。 1 特点 （ 1）本工艺能节省投资费用，减少了施工工序环节，加快施工进度。 （ 2）本工艺与单独完成定向钻和顶管穿越施工相比，由于减少了连头工作能更好的保证施工质量， 减少工程中的风险。 （ 3）本工艺与单独的穿越工程相比，由于减少了顶管接收坑的开挖，没有在特殊的区域地面进
2、行施工活动，具有很好的社会效益。 2 适用范围 本工法适用长输管道工程的大中型穿越工程， 或类似需要穿越的工程 （比如光缆或电缆工程不能跨越某个特殊的地方） ，不能单独一种施工工艺完成的穿越施工工程以及特殊的区域不能进行开挖施工的管道敷设工程。 3 工艺原理 在顶管顶进工作完成后，不进行接收坑的开挖，而在套管前段做必要的处理， 然后把顶管操作坑改造为定向钻施工的接收坑，再进行定向钻的导向和扩孔施工。待定向钻扩孔完成后， 在顶管穿越的顶管操作坑位置改造为定向钻的发送沟，进行回拖作业。确保主管穿越就位后，对相关的部位进行技术处理，从而保证穿越工程完成。 4 施工工艺流程，见（ 施工工艺流程图 1）
3、 5 施工操作要点 5.1 顶管操作坑的施工处理 目前国内对于普通的顶管技术有比较成熟的经验， 如图1 所示。但对于顶管施工与定向钻结合的施工还是有许多不一样的要求。主要有操作坑二次处理和后背处理等。 5.1.1 顶管操作坑的后背 施工工艺流程图 1 2010 年 第 9 期 2010 年 9 月 化学 工 程与装备Chemical Engineering & Equipment 122 陶建明：定向钻穿越与顶管穿越相结合施工法 123陶建明：定向钻穿越与顶管穿越相结合施工法 常规顶管施工的液压缸后的支撑受力采用枕木或现浇混泥土，特别是现浇混凝土比较常用。而定向钻的回拖刚好要经过后背的位置，如
4、图 2。因此现浇混泥土做后背不易拆除，因此采用钢结构的后背，如图 3。也可以采用成型的钢板箱做后背，钢板箱做后背需要加装垫片，加强垫片，如图4。采用钢结构的后背，在顶进施工需要进行找正，才能确保套管在液压缸的压力下不易顶偏。 使用用经纬仪和水准仪进行测量放线找出套管的中心线和标高， 以此核对后背的位置，并顶管前进行基坑的修理和后背进行预压。确保正式顶进过程中方向稳定。 5.1.2 顶管操作坑的处理 因为地下地质资料一般是间距 20m 的钻孔取样分析，顶管的地质资料为地面一下 3m 的范围。因此两种施工具有很高的风险， 不可能同时进行， 只有待顶管施工完全结束后，才可能进行定向钻的施工。 由于顶
5、管结束后需要等待定向钻的导向和扩孔施工，因此顶管结束等待时间长；另一方面顶管操作坑还是定向钻穿越的出土点位置。 所以顶管操作坑在施工结束后要做特殊的处理。 顶管操作坑一般尺寸为 5m7m，而定向钻的出土点的泥浆坑常规也需要 5m5m。为了确保套管部分的稳定和安全，在顶管操作坑的后背角开挖一个泥浆坑，保证定向钻施工时在顶管操作坑内更换扩孔头和拆装钻杆的施工条件。 当操作坑内溢流的钻井液影响钻具更换作业时， 多余的钻井液应即时运走。 5.2 套管头的处理 套管头的处理也是确保施工安全的重要措施。 具体做法是在套管端部浇筑强调较低的砂浆 M10，厚度为 0.3m,如图5 所示。目的是在定向钻施工时保
6、证套管端部的地层稳定 ,不造成泥土大量的垮塌，同时也不影响定向钻的导向和扩孔。 5.3 定向钻钻井液的配制 钻井液是钻进过程中确保导向头或扩孔器冷却和润滑必不可少的液体，如果配合比不恰当，粘度不合理必然会影响钻进速度、损坏钻具。然而好的钻井液由于粘度在 40s80s 区间，流动性非常好，绝大多数情况需要降失水剂、提粘剂和防塌润滑剂等配制， 尽管从环保角度来说对环境影响已降低到很低，但对一般人来说还是了解很少，不利于技术的处理。由于顶管操作坑的位置是钻进导向曲线的最低点，必然会大量的钻井液流入。 实践证明在导向曲线在 200m 内的定向钻（主管 DN350） ，地质以粘土为主的地层 ,考虑对钻井
7、液的处理的即时性，可以采用清水作为钻井液。这样钻井液即时排走或就近转存，有利于在顶管操作坑的钻具拆装工作。但会降低钻进的速度 5 10%，同时对钻具磨损较大，应慎用。 5.4 套管端部准确方位及深度的核实 当顶管施工结束后， 使用仪器测量出套管端部的准确方位和深度尺寸， 必要时可以使用洛阳铲人工找出套管端部的位置。为定向钻的导向施工做好有力的保障。 5.5 定向钻导向孔施工 当顶管施工基本完成在套管端部进行临时砂浆层凝固后即可进行定向钻的导向空施工作业。 导向孔施工根据入土点到套管的端部位置的距离及穿越管道的规格 （不同规格的管道自然弯曲的曲率半径不同） ，即时调整钻头的方位，包括深度和平面上
8、的方向。确保钻头最终对准套管的中心。 5.6 定向钻的扩孔施工 定向钻施工导向、扩孔的出土点为顶管施工的操作坑。当顶管操作坑处理好排浆后， 定向钻施工就按正常的安全技术操作规程和相关程序进行扩孔施工。 5.7 发送沟的开挖 由于顶管操作坑的深度最少在 2m 3m，深的能达到10m。管道回拖必须顺畅，并且不能让套管擦伤管道的防腐层和随管同时回拖的其它设施（比如聚乙烯光缆套管） ，因此需要对原操作坑到管子头之间的现场进行开挖处理， 如图7 所示。对于粘土地质管沟的开挖的坡比系数（高宽比）不得小于 1： 0.5，这样才能保证安全。施工时根据现场不同的地质情况，再决定开挖坡比系数。 5.8 管道的回拖
9、 扩孔完成后，即时清理套管内和顶管操作坑内的钻井液。在套管内中心线上每隔 15m 放置沙袋一个，沙袋不宜太小（最少为 50Kg 编织袋） ，作为管道临时的软支撑。当回拖条件具备，回拖头和管道已经连接好后，即可进行管道的回拖作业。这种穿越施工，套管内的的管道可以不再安装聚乙烯管道支架。 5.9 套管与定向钻结合部的处理 由于穿越施工可能造成管段头的泥土松动， 防止松动泥土在某些特殊情况窜入到套管， 引起顶部的塌方或塌陷的可能， 因此回拖管道结束后在套管内部靠近端部的位置砌筑砖混结构（如图 7） ，砖墙的沿管道长度方向的长度为 1m，管道保护采用 10mm 的橡胶板包裹。 以此密封套管内部与外部的
10、土壤层，确保套管端部周围地层的稳定，从而更好的保护管道的安全运行。 5.10 穿越管道的坚硬支撑的施工 管道确认完全就位以后，为了防止管道以后的悬空，使用砖混硬支撑取代沙袋软支撑，拆除并转移到套管外。在管道与支撑之间使用 0.3m0.3m10mm 厚的胶板隔离， 如图 6所示。砖混结构的厚度以 0.24m 为宜，高度根据现场管道到套管内的高度而定，确保管道不能悬空。 5.11 牺牲阳极施工 124 陶建明：定向钻穿越与顶管穿越相结合施工法 套管内泥浆清理干净， 根据有关的设计技术要求进行管道其他附属设施的安装，比如牺牲阳极的锌带或镁带安装等。 5.12 管口的封堵 根据相关要求对套管进行封堵，
11、比如砖混结构或油麻沥青割刀等。 5.13 地貌回复 穿越管道稳定下来以后，进行穿越两端的连头施工，同时清理两端的泥浆坑的污泥，并进行地貌恢复。 6 材料及机具设备 6.1 定向钻专用设备机具 表 1 定向钻专用设备机具 序号 名 称 单 位 数 量 备 注1 DDW320 钻机 台 1 2 3HS-250泥浆泵 台 2 3 泥浆罐 座 2 4 89 钻杆 m 600 5 75KW 发电机 台 1 6 工具房 座 1 7 钻具 套 1 8 地锚 个 1 6.2 顶管施工专用设备机具 表 2 顶管施工专用设备机具 序号 机械名称 单位 数量 备 注1 2TG 60/210 注浆泵 台 1 2 25
12、 吨吊车 辆 1 3 500 吨千斤顶 套 2 4 50mm 口径替水泵 台 12 5 高压油泵 台 2 6 50 千瓦发电机 台 2 7 插入式震动棒 套 2 8 客货车 辆 1 9 9M3/MIN 空压机 个 2 10 100 型地质钻机 套 1 11 导向刀角 个 2 12 自卸车 台 2 13 切割机 台 1 14 50L 砂浆搅拌机 2 15 钢筋切断机 台 1 6.3 通用机械 表 3 通用机械 序号 名称 单位 数量 备注 1 专用水泵及机具 套 4 2 16t 吊车 台 1 3 5t 五十铃 台 1 4 指挥车 台 1 5 PC220 挖掘机 台 1 6.4 其他机械 表 4
13、其它机械 序号 名称 单位 数量 备注 1 焊条烤箱 台 1 2 外对口器 台 1 3 355mm 清管球 个 1 4 试压泵 台 1 5 上水泵 台 1 6 试压表 块 4 7 试压管阀 套 2 8 焊机 ZX700 台 2 7 劳动组织 125陶建明：定向钻穿越与顶管穿越相结合施工法 管线施工处人员配备表 序号 人员 人数 序号 人员 人数 1 工程队长 1 6 电 工 1 2 技术员 1 7 管 工 2 3 起重工 1 8 火 焊 1 4 机 械 1 9 防腐工 2 5 电焊工 4 10 炊事员 1 合计 15 人 定向钻施工人员配备表 序号 人员 人数 序号 人员 人数 1 工程队长
14、1 8 起重工 1 2 技术员 1 9 司 机 2 3 控 向 2 10 机械手 1 4 司 钻 2 11 电焊工 1 5 泥 浆 2 12 火焊工 1 6 电 工 1 13 维修工 1 7 炊事员 1 14 普 工 3 合计 20 人 顶管施工人员配备表 序号 人员 人数 序号 人员 人数 1 工程队长 1 6 电 工 1 2 技术员 1 7 火 焊 1 3 起重工 1 8 测量工 1 4 机 械 1 9 操作工 12 5 电焊工 1 炊事员 1 合计 21 人 8 质量控制 该种工程涉及的线路较长，包含主管道预制焊接现场、顶管现场、定向钻施工现场，往往社会环境或地质条件比较复杂。因此，为了
15、确保工程质量，从实施开始对整个过程中的每个施工环节的质量至关重要。 8.1 主管道施工 组焊、防腐、无损检测必须符合输油输气管道线路工程施工及验收规范 (GB50369-2005)的要求， 工业金属管道工程施工及验收规范 （ GB50235-97） ，穿越施工符合石油天然气管道穿越工程施工及验收规范 (SY/T4079-95)技术要求。还必须符合相关的设计要求。 8.1.1 焊接 每个工程都有不同的焊接工艺评定， 因此管道焊接电流参数，焊后处理、返修及连头严格执行焊接工艺指导书的要求， 还必须有不利条件比如雨雪低温等恶劣气候条件下的质量保证措施。 8.1.2 防腐 防腐层的结构每个工程差异较大
16、，主要有液态环氧粉末、 3PE 层等防腐结构等，主管道除了补伤外，还应做好补口及加强收缩套的施工，确保回拖时补口收缩套（带）不被损坏。 主要的施工规范有埋地钢质管道聚乙烯层防腐技术标准（ SY/T0413-2002 ） ，埋地钢质管道聚乙烯胶粘带防腐技术标准（ SY/T0414-98） 。 8.1.3 无损检测 焊接的无损检测除满足石油天然气钢质管道无损检测（ SY/T4109-2005）以外，还必须符合设计规范和业主的要求。 8.2 顶管施工 8.2.1 地下障碍物 处理好地下顶管前探明各种地下管线及构筑物， 保证管壁外围 50 以内的净空间距。 8.2.2 操作坑开挖 开挖时，严格按照要求
17、操作，顶进偏差走出要求及时汇报， 由施工负责人、 技术人员研究纠偏措施， 严禁隐瞒蛮干。采用专门调控设备进行纠偏，确保顶管方向及质量。 8.2.3 降水 根据现场地下水位的情况，操作坑需要设置引水井，必要时需要采取井点降水。确保施工顺利进行。 8.2.4 纠偏 调整顶进设备完好，保证昼夜不间断施工，防止顶进中停止而造成套管抱死现象的发生。顶进时随时测量，即时纠偏，防止偏差过大。 8.2.5 注浆 准备好高压灌浆设备， 一旦顶进流沙或建筑垃圾造成管壁上周边悬空，在短时间采取喷入水泥浆，以防逐层下沉，导致底层塌陷。 8.2.6 环缝处理 顶管完成后，要及时处理管节接缝，确保套管的整体密封。 8.3
18、 定向钻施工措施 在我国的原油、成品油、天然气的长输管道工程以及市政工程中的电缆、光缆穿越中大量使用，已经比较成熟。但是对于定向钻与顶管相结合的穿越， 由于导向的高精度及钻井液的可控性特殊要求，还应采取更加可靠的措施，才能保证整个穿越工程的成功。 8.3.1 控向参数 按操作规程标定控向参数， 要求细心并尽可能多测取参数并做好记录， 进行对比， 选择最佳参数值。 在钻机试钻时，126 陶建明：定向钻穿越与顶管穿越相结合施工法 先钻进 1-2 根钻杆后检测各部位运行情况，以验证各种参数的准确性，正常后才按次序钻进。 8.3.2 导向 定向钻开钻后， 应导向头准确进入预定的套管中心的一个范围。目前
19、常用的有线导向和无线导向都可以采用。但采用这些方法的同时，由于地貌高低不平的问题，可能会影响导向参数的准确性， 因此还需使用水准仪辅助确保导向调整的即时性。同时需考虑到在某点决定改变方向，实际的变化滞后的特点，应提前位置调整。目前地磁控向在国内逐渐在定向钻行业开始使用，它是一项新的技术，对于导向精度的提高有着重要的作用。 8.3.3 预扩孔 施工前应对钻具进行合理的组配。 扩孔器的形式和尺寸应齐全合理，使用高效。 8.3.4 管道回拖 回拖的组配方式应进行设计， 万向节与主管之间连接的加强板焊接形式应可靠。万向节转动灵活，防止多管回拖时相互的缠绕和挤压。 8.3.5 钻井液的配制 钻井液是定向
20、钻穿越施工的关键因素， 它的性能对于定向钻的成功起着至关重要的作用， 钻井液的作用贯穿于定向钻的导向、扩孔、回拖的整个全过程。在地质条件较好，比如成体系的粘土层地质构造贯穿在整个穿越曲线， 且穿越长度不超过 200m（主管 DN350） ，可以考虑使用清水作为钻井液，但必须慎重。但对于比较复杂的地质条件，必须要现场配制、使用环保型的钻井液。 （ 1）初步确定配桨方案 根据所了解和获取的地质资料，认真分析钻井曲线的每个区间的地质特点。 因为同一个曲线的区间在导向、 扩孔、回拖钻井液所要求的性能不一样，配方（主要是钠土、防渗漏剂、胶结剂的体积比）也不一样。因此针对曲线的每个地质情况接近的区间地质特
21、征，进行初步的配方，并就此配方进行实验，印证钻井液的性能。 （ 2）配制工艺 根据导向曲线的经过的不同地质状况，划分不同的区间。每个区间做一个配方，然后分别进行实验。根据合适的实验结果制定不同的添加剂加入方案。 尽管定向钻在钻进、扩孔、回拖的过程中经历多种地质，比如粘土、粗砂、卵石、风化岩或硬岩等，但是在每道工序进行的钻井液的性能必须保证， 如果不能保证就应立即调整钻井液的配方和添加剂的加入方案。 泥浆在各个阶段所起的作用如下： （ 1）钻导向孔阶段要求尽可能将孔内的泥沙携带出孔外，同时维持孔壁的稳定，减少推进阻力； （ 2）预扩孔阶段要求泥浆具有很好的护壁效果，防止地层坍塌，提高泥浆携带能力
22、； （ 3）扩孔回拖阶段要求泥浆具有很好的护壁、携砂能力；同时还有很好的润滑能力，减少摩阻和扭矩。 9 安全措施及环保要求 采用本工法施工时， 除应执行有关安全施工及环保措施规定外，尚应遵守注意下列事项： （ 1）施工作业人员必须了解和掌握本工艺的技术操作要领，特殊工种（如电焊工、起重工电工等）应持证上岗。 （ 2）该种工法涉及管道组焊、顶管施工及定向钻施工，施工区域线路较长， 因此确保施工范围内的环境符合当地政府的管理要求。主要包括自然环境保护，施工及结束后环境地貌的回复。 （ 3）施工现场安全。施工现场使用圈围的形式，确保安全。主管道组对焊接施工时可以使用标志牌；顶管和定向钻施工由于吊装频
23、繁，又有机械电器设备，且现场设备材料较多，因此施工现场必须增加设立警戒线，防止非施工人员进入现场。 （ 4）现场用电。施工现场用电设备较多，电缆的连接需要规范，开关箱不能露天设置，漏电保护设施齐全防止触电事故的发生，特别是雨天。 （ 5）该工法涉及到起重和交通安全。管道的布置，设备的转场均有起重作业， 因此操作严格按照安全技术操作规程进行，确保人员和设备的安全。材料和设备的运输可能超长，需要采取相应安全的标识，并且到公安交通管理部门办理相关的手续，方可上路；出发时需要引导车，防止碰挂空中的障碍物，车辆运行时减少对当地交通正常秩序的影响。 （ 6）废弃物的处理。管道焊接过程中产生的焊条头、防护玻
24、璃片、碎橡胶片、补口的废弃物等不能遗留在工地；顶管的施工产生的废渣应倒运到指定的位置， 不能散落在施工现场；定向钻施工的钻井液进行收集和过滤，与相关的单位和部门结合，进行填埋或运走，最终实现无害化处理。 （ 7）地貌的恢复。该工法施工涉及的主管道施工、顶管施工、定向钻施工均对现场的地貌有所影响。因此施工结束后，除了应做好工完料尽场地清工作，还要做好场地的平整，操作坑的分层回填，确保现场环境达到施工前的条件。 10 效益分析 （ 1）采用本工法的最大效益是社会效益。许多穿越连头的位置较为复杂， 要么是人口稠密区域， 要么是交通要道，采用本工法减少了连头， 对穿越线路区间内生产生活秩序的影响降低到
25、最低限度。 （ 2）采用本工法，减少了施工工序，也就减少人员、设备进场，避免顶管与定向钻的连头施工，节省工程投资，加快了工期。 127陶建明：定向钻穿越与顶管穿越相结合施工法 （ 3）采用本工法，由于没有顶管与定向钻连头操作坑，降低了施工安全风险。 （ 4）采用本工法与常规的定向钻和顶管施工相比，具有良好的综合社会经济效益。 以石（家庄） -太（原）成品油管道工程 -管道穿越国道 G107（ K301+350m）和京广铁路为例，效益分析如下： （ 1）由于定向钻的出土点是在顶管的操作坑改造而来的， 因此减少了一个定向钻的出土坑的施工。 节省费用如下： 征租地费用。 1 台 32t 的定向钻钻机
26、施工出土点现场为： 30m（长） 20m（宽） 。拆除公路设施，费用为 50000元。 基坑开挖费用： 20000 元； 恢复费用： 50000 元； 协调费用： 5000 元； （ 2）减少一次连头施工，节省的费用如下： 人员设备进出场费用： 10000 元； 安全措施费用： 25000 元； 施工费用： 10000 元； （ 3）单纯经济上节省投资 170000 元，更主要是对常规需要连头区域的环境不造成影响， 有利于当地生产生活秩序正常进行，同时减少了事故的风险。 11 工程实例 石家庄太原成品油管道工程 定向钻穿越 G107 国道及顶管穿越京广铁路 。 工程概况：穿越钢管规格分别为 3
27、55.68.7mm，1108 PE管穿越（内含 40/33 硅芯管）各 1 根，长度分别为 164m 和 165m；顶管长度为 54m,砼套管规格DN1200；该处定向钻穿越水平长度 90m，管底最大埋深均为 6.65m。 该定向钻在铁路顶管完成后进行， 入土点为三环立交桥东侧辅道的边界位置。导向孔施工时，导向孔施工 50m 后，导向头成水平向前进入到已顶完的套管内， 然后沿套管推进到顶管的操作坑，在此坑内完成回拖头的安装工作。扩孔完成后，再把预制好的管道进行回拖就位。 建设地点：石家庄鹿泉市寺家庄镇平白村。 由于该处穿越位置同时经过京广铁路、 G107 辅道、新建 G107 国道石家庄三环平白立交桥的上下行桥及三环辅道。地形较为复杂。根据铁路局的有关规定，穿越该处只能采用顶管施工， 而穿越公路部分又是属于石家庄市南的交通要道。 常规的定向钻施及连头必然会影响石家庄市往南的公路交通。 采用此工法避免了在 G107 国道与京广铁路接壤位置的连头，产生了良好的社会效益和经济效益，同时确保了石家庄太原成品油管道工程按期投油运行。 工程至 2008 年 10 月投入使用以来，运行良好
