摘要：我国基础设施的建设已迈入了白热化阶段，人民群众对于生活的基本需求也越来越高。本文对水平定向钻施工技术的要点进行分析，并探究水平定向钻技术在燃气管道穿越工程中的应用情况，并得到结论。
关键词：水平定向钻；燃气管道穿越工程；施工工程
前言：随着我国经济社会的持续发展和城市化进程的不断加快，在县级以上城市，各种市政管线在地下纵横交错、层叠密布，地面上的市政建筑也越来越多。常规管道施工安装，多采用开挖技术施工，往往导致道路等设施破损，影响环境和交通，给人们的生产、生活带来诸多不便，而且施工成本越来越高，施工难度越来越大。为了克服施工困难，降低施工成本，避免和减少管道工程施工对市政设施、自然环境等的破坏，诞生了一项新的施工技术--非开挖技术。该技术能在地表干扰极小的情况下，无须挖掘就可以铺设、修复、更换、探测地下管线，具有不破坏环境、无泥尘污染、不干扰交通、不破坏道路结构、铺管精度高、工期短、施工安全性好等优点。该技术广泛应用于穿越公路、铁路、建筑物、河流以及在闹市区、古迹保护区、农作物和植被保护区等不允许或不能开挖的条件下铺设、修复、更换管线。适用于电力、电信、石油、天然气、热力、排水等领域。
在非开挖技术中，水平定向钻施工一直是主要的增长领域。定向钻施工具有先进的导向系统，中靶精确，机械回转扩孔速度快、噪音低、机械占用场地小、不阻断交通、不影响环境等特点。
1、水平定向钻施工技术
燃气是现代城市居民必不可少的设备，所以，近年来燃气管道施工量也在不断增多。而在这种情况之下，我国燃气管道的施工的质量水平还有待提高。施工过程中使用的技术对工程施工的质量有决定性的作用，因此，对于施工工程中使用的技术必要持严谨的态度。在天然气管道的穿越工程中，经常会受到多种因素的影响，可能是天然障碍，也可能是人为障碍，而在此时，为了保障燃气管道施工的顺利，提高管道的施工的效率和质量，就需要使用科学合理的技术避开这些影响因素，找到避免障碍的方法。水平定向钻技术的基本工作原理和主要施工特点如下：
1.1 水品定向钻技术的工作原理
在我国进行燃气管道施工的初期，由于技术落后，资金储备不足，都是运用传统的方式进行施工，在施工期间，会遇到各种阻碍因素，例如遇到不可避免的障碍，一般都是进行障碍开挖，虽然不影响整个施工工程，但是直接开挖的速度较慢，而且会耗费大量的精力，增加施工人员的使用率，同时，还会增加施工的时间，提高资金的投入，从而导致施工企业耗费更多的成本，虽然开挖能够在一定程度上解决遇到障碍物的问题，但是有时效果并不理想。不过经过国家不断投入研发，水平定向钻施工技术就应运而生了。
水平定向钻施工技术的工作原理为在施工过程中出现障碍时，能够智能地分辨障碍物的类型，若无法规避障碍物，就会利用水平定向钻向地面钻孔，再将地面钻孔不限地扩大，从而实现燃气管道的铺设。水平定向钻施工技术能够有效地避免直接开挖，从而提高施工工程的效率。水平定向钻施工技术中导向孔的弯曲半径是其中重要的参数，对于燃气管道水平穿越工程的施工质量影响也比较大，所以，一般在燃气管道穿越施工中的泥浆压力是保障工程顺利的关键性因素。在整个工程施工中，导向孔中的泥浆压力要控制在导向孔壁的临界值之内，若超过临界值，很容易导致孔壁压力的不稳定，容易在施工过程中出现故障。
1.2 水平定向钻技术的施工特点
1.2.1 稳定性较高
在进行燃气管道工程的施工过程中，使用水平定向钻施工技术能够有效保障施工的稳定性。在施工过程中，水平定向钻施工技术能够智能地避开障碍物，在发现障碍物的同时，能够直接将信息传输到地面并开始作业，而且不会影响到附近的道路交通，给工程施工带来极大的方便。同时，水平定向钻使用技术的的预设为曲线，打破了过去施工工程的固定性，使施工作业更加灵活的同时，更能保障施工工程的安全，增加施工工程的稳定性，保障使用工程周围地面上的环境质量。
1.2.2 效率较高
燃气管道工程建设的效率一直以来都是施工工程中的主要问题之一，利用水平定向钻能够提高施工的效率。水平定向钻自带定位系统，能够为施工方向提供良好的导向，在施工作业的过程中对施工的路线进行合理地设置，从而提高施工的效率。提高施工效率不仅仅意味着缩短施工的时间，而且还能够在高效的施工过程中节省资金成本，从而提高经济效益。
1.2.3 适应性强
水平定向钻施工技术在进行施工过程中能够随时改变施工的路线，在进行施工时，可以明确地对地下的地质进行勘测，之后便可避开不利于工程施工的水文地质，同时，水平定向钻施工技术还能深入水文地质之中，对于各种地质的适应性极强，且不会受到地质变化的影响，及时在河流的汛期也能正常进行工程施工。
1.2.4 节省企业成本
施工工程耗费的资本较大，因此，节省施工成本已经成为建筑施工行业内普遍关注的问题。而在燃气管道使用的过程中使用水平定向钻施工技术，能够加强施工的质量，虽然此技术并非全自动化技术，但是对于施工人员的需求量较少，而水平定向钻使用技术的效率也较高，一般会将施工工程控制在3个月之内，为施工企业节省人力和物力，从而达到节省施工成本的目的。
2、水平定向钻在燃气管道穿越工程中的应用分析
2.1 现状调查
采用水平定向钻技术进行燃气管道穿越施工，必须对拟穿越路径及影响范围进行详细的现状调查，特别是要掌握该区域地下管线及设施（备）的具体状况，该项前期准备工作往往耗时长、搜集困难，但却至关重要。
2.2 地质条件要求
总的来说，水平定向钻适用于粘土、砂土、粉土、风化岩等地质条件，不宜在卵石地质条件采用。具体要求可见《油气输送管道工程水平定向钻穿越设计规范》（SY/T6968-2013）的规定。
在不适宜地层中应用时，应根据具体情况采取精确控制导向、优化泥浆配置、注浆固化、加设套管、地质改良、开挖换填等处理措施，如遇出土或入土处有卵石层时，可采取注浆加固、加设套管、开挖换填等措施。
2.3 管道选择
（1）材质：管道材质的选择应根据压力等级、地质条件、环境条件、输送燃气组分等因素，依据相关规范在设计时选定。一般可选用PE管，并宜采用SDR11PE100系列管材；当穿越管道的管径大于DN400或长度大于300m时，宜采用钢管。
（2）管径：水平定向钻适用于直径1m以下的管道铺设，超过1.2m直径管道的铺设受到限制。
（3）壁厚：铺设管道长度和直径越大，管壁应越厚。设计时，可参考中国非开挖技术协会编制的《水平定向钻进管线铺设工程技术规范》的推荐值，最终依据《油气输送管道工程水平定向钻穿越设计规范》（SY/T6968-2013）计算出不同工况下拉、弯曲、环向、轴向及组合应力并进行校核而选定。
2.4 穿越轨迹确定
穿越轨迹一般由入土直线段（L1）、入土弧线段（L2）、水平段（L3）、出土弧线段（L4）、出土直线段（L5）组成，如图1所示。
穿越轨迹和对应地面直线段的长度可按照《城镇燃气管道穿跨越工程技术规程》（CJJ/T250-2016）列出的公式计算。
从所列公式可以看出，要确定穿越轨迹，须结合地下管线及其设施（备）现状和地质条件，选择穿越位置，确定以下参数：
（1）入（出）土角（α、β）：入土角宜为8°--18°，出土角宜为4°--12°。对坑内始钻式，入（出）土角一般应采用0°或近似水平。
（2）曲率半径（R1、R2）：曲率半径由欲铺设管道的弯曲特性确定，管径越大曲率半径越大。当采用钢管时，曲率半径不宜小于管径的1500倍，且不应小于1200倍；当采用PE管时，曲率半径不应小于管径的500倍。
（3）敷管深度（H）：确定敷管深度需要考虑的因素包括钻孔施工对地面道路、建（构）筑物，该位置地下已有管线、设施或河流的影响。推荐穿越的最小敷管深度大于最终扩孔直径的6倍；在穿越河床时，燃气管道至规划河床的覆土厚度不宜小于3m。
另外，按相关规范要求，入（出）土直线段的长度均不宜小于10m。
2.5 钻头、钻机选择
在水平定向钻施工机械设备的选择中，主要是选择合适的钻头和钻机。一般先针对穿越地层的地质条件选择钻头，后结合已选钻头、穿越管道和地质条件选择合适的钻机。
（1）钻头选择。按照钻头在水平定向钻施工过程中的功用，钻头可以分为导向钻头和扩孔钻头；按照钻头与地层接触力表现形式的不同，钻头可以分为挤压型、切削型、组合型三种。
①导向钻头：导向钻头一般分为铲形（即挤压型）和梅花形（即切削型）两种。前者一般用于软质到中等硬度并且硬度较为均匀的粘土、或者松散到致密的沙土；后者适用于单靠推力无法穿透的质地较为坚硬的地层，在岩层中应用时，须加以泥浆马达或压缩空气提供足够动力。具体类型和尺寸，如表1所示。
②扩孔钻头：具体类型，如表2所示。
（2）钻机选择。水平定向钻机通常分为小型、中型、大型三类，如表3所示。
应根据不同的穿越管道和地层条件，通过计算最大推拉力、预测扭矩和功率进行选择。具体步骤如下：
①管道回拖拉力计算：钢质、PE燃气管道回拖时的拉力分别按《油气输送管道穿越工程施工规范》（GB50424-2015）和《城镇燃气管道穿跨越工程技术规程》（CJJ/T250-2016）所列公式计算。
②扭矩预测：计算水平定向钻施工工程中的扭矩涉及多方面（包括地层、设备、施工参数等）因素，且这些因素之间是相互作用和影响的。一般来说，扭矩的计算可以分为三个类型进行建模计算：①基于钻头受力分析的扭矩计算；②基于能量平衡的扭矩计算；③考虑各因素的扭矩经验公式。不论哪一种计算模型，都存在一定的假设或理想化条件，计算出的预测值和施工实际值存在一定的偏差。目前，已可用相应的数值软件通过模拟，计算出较为准确的扭矩预测值。
③功率预测：要准确预测功率，必须对施工力学过程有准确掌握，分清施工中是否存在推拉和旋转同时存在的状态，如有则功率为这两者功率的叠加，如无则取推拉或旋转功率的大值。
④综合确定选型：根据水平定向钻机的最大回拖力不宜小于计算值的2倍（一般取2--3）确定其类型，进一步根据预测扭矩和功率综合确定其具体型号。
3、结语
根据国家有关部门规划，未来15年我国的能源消费结构将会有较大改变，从我国天然气的储量、消费结构比重以及国家环保政策等方面分析，天然气产业存在巨大的发展空间。在天然气管网建设中，水平定向钻作为一项先进高效、安全可靠、社会效益和经济效益显著的施工技术，将得到越来越广泛的应用。
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论文作者:罗雄辉
论文发表刊物:《防护工程》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/27
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