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摘要：定向钻技术是一项新型的燃气管道非开挖施工技术，具有施工周期短、不影响交通、不影响环境等优点，日渐广泛的应用于管道施工中。本文通过论述非开挖技术，对非开挖定向钻技术作简要介绍，探讨非开挖定向钻技术在燃气管道施工中的具体应用，分析了该技术的优劣势，并总结出实际操作中需要注意的问题。
关键词：管道；定向钻技术；施工；优势；注意事项
引言
近年来，随着经济社会的持续发展和城市化进程的不断加快，人们对燃气的需要也越来越大，管道建设项目也日益壮大。但是由于各种市政管道在地下纵横交错，再加上燃气管道施工的危险性，因此，我们需要高度重燃气管道的穿越施工。现今管道建设多采用传统管道施工技术，该方法是采用开挖沟槽铺管，开挖作业面大，对交通影响大，且因长期建设给周边居民及道路交通带来很大的不便。而非开挖定向钻技术具有工期短、安全可靠、对环境影响小、成本低、不受施工季节影响的特点，在燃气管道施工过程中占据明显优势。本文就非开挖定向钻技术在管道施工中的具体应用做简要阐述。
1 非开挖技术概述
随着我国城市建设的快速发展，各地市政配套设施要求越来越高，公用设施地下管网工程遍地开花，而传统开挖方式不但会造成交通堵塞、环境污染，同时重复建设也浪费了大量人力物力，影响了城市整体形象。随着城市建设规划日益完善，城市内开挖手续的审批将更加严格。在此前提下，非开挖技术从国外引进，并在各类市政工程中迅速得到了推广应用。
非开挖技术是指利用岩土钻掘手段在地表不挖沟的情况下，铺设、修复和更换地下管线的施工技术。按其施工方式不同可分为顶管法、爆管法、水平定向钻法等。其中水平定向钻法利用高压泥浆配合整个施工顶进过程，具有适应土质范围广、施工速度快、对周围环境影响小、安全系数高等特点，与其他施工方法相比，具有环保效果好、工程造价低、施工质量好等优势，特别适合小管径的各类市政管线施工。
2 非开挖定向钻技术简介
非开挖定向钻施工法也称往复式潜钻施工法（Horizontal Directional Drilling，简称HDD），是指利用水平定向钻机以可控钻进轨迹的方式，在不同地层和深度进行钻进并通过定位仪导向抵达设计位置而铺设地下管线的施工方法。一般而言，非开挖定向钻施工法的施工工艺主要包括：物探→穿越轨迹设计→测量磁方位角→钻机定位→钻导向孔→扩孔→回拉铺管→清理现场→恢复地貌。其中，物探是指地质勘探，物探方法按定位原理有：电磁法、直流电法、地震波法和红外辐射法等。水平定向钻铺管工艺流程主要工艺是钻导向孔、扩孔、回拉铺管这3个步骤。具体的说，就是水平导向钻机在起点位置先斜向下钻进地表，按照预先设计好的钻孔轨迹（一般为弧形）一路钻进，到达终点位置后斜向上钻出地表，形成1个两端翘起，中间近似水平的导向孔，然后在导向钻头后接上大口径的扩孔钻头和直径略小于扩孔钻头的待铺设管线，进行反向扩孔，同时亦将待铺设管线回拉入钻孔内，当全部钻杆被拖回时，铺管工作也就同步完成了。
3 非开挖定向钻技术在燃气管道施工中的应用
相对于水、热网及电网等基础设施的发展，燃气管网的发展普遍相对滞后。积极发展管道燃气用户与大范围、大影响的开挖施工，形成了现阶段燃气管线发展过程中的重要矛盾。燃气管道管径一般不超过1m，非常适合采用非开挖定向钻法施工。因此，采用定向钻机铺设管线成为许多城市在新建道路和繁华区域铺设燃气管线（特别是PE材质管道）最理想的选择。
3.1 案例一
某城市天然气管道系统分支线路中压燃气管道工程，所处地域地形相对平坦，管道途径地区少河流、山脉，经过综合分析研究最终决定选择非开挖定向穿越施工技术。该燃气管道工程总长度为1km，划分为5 大标段，桩号为：G+16（0+000）→G+21（1+000）。
3.1.1 穿越施工工艺流程
必须明确定向穿越施工工艺流程，具体应该根据燃气管道工程所处位置先做好工程地质勘察工作，具体工艺流程为：前期勘察与筹备→测量放线→钻机就位与调试→调配泥浆→分级扩孔与清理→管道回托→焊接试压→密封性试验与检测→回归修复地貌。
3.1.2 前期勘察与准备
燃气管道定向穿越施工的前提是做好相关准备工作，只有强化前期准备，才能为正式的定向钻越施工打好基础，从工程所在地的地质勘察、机械检查、地形测量等都要有规则、有规范、有秩序地展开。
3.1.3 钻越方案与过程
（1）钻机到位与调试施工
待前期一切准备性工作就绪后，则要让辅助定向钻越施工的主体机械设备：钻机与附属机械设备到位，对钻机进行调试、检查，确保其正常运行、无任何异常问题。接下来则要进行泥浆调配，这一施工环节具有一定的技术性、工艺性，在整个工程中处于关键位置，通常来说要想获得高质量的定向钻越施工效果，首先应保证泥浆性能，具体从以下方面衡量：泥浆的动切力、静切力、润滑度等。基浆材料：膨润土（5～8%），碳酸钠，二者搅拌然后水化形成，要参照水质特性来选择碳酸钠的用量。
（2）导向钻越钻孔
①钻越轨迹。当Dn<75，钻杆R=75m，对应所选塑料管，要科学掌握其入土与出土曲率半径，分别为：100m，120m。具体的导向孔钻越轨迹如图1 所示。
图1 导向孔钻越轨迹图
②根据管道定向钻越的要求，掌握好钻进的入土角度，根据本工程所选燃气管道信号、钻孔直径等决定入土角=12.85°，根据所选管材直径大小，所打导向孔预定d=200。
③ 实际的钻进中必须认真、细致地把握好方向，按照预期的设计、数据等掌控钻入速度、速率、深度等，同时，也要维护导向孔的干净、整齐。
3.2 实例二
某市燃气管线工程全长约3824m，管线材质为PE100，壁厚SDR11，管径为φ315，输送介质为天然气，设计压力0.7MPa。考虑到管线所经过地区地面大部分是当年新铺装的硬覆盖路面，计划燃气管线施工全部采用非开挖方式。由于燃气管道为PE管材，挠度较好，因此选定水平定向钻法施工。在工程前期物探时发现，该路东侧部分地段地下为流砂区，无法形成稳定钻孔，因此该工程东西两段不得不分别采用了开挖和非开挖2种不同的方式施工，其基本情况对比见表1、2。
表1 2种施工方法成果对比
施工方式 长度/m 埋深/m 坡度/% 折点/个 低点/个 所用设备 开挖 1871 1.32～3.18 0.50～3.38 19 5 挖掘机1台 非开挖 1953 1.17～5.84 0.03～19.24 38 16 水平定向钻1台，拉水车1辆
表2 2种施工方法费用对比
施工方式 施工人员/人 工期/d 作业坑/个 破路面积/m2 破路费用/万元土方量/m3 直接施工费/万元 平均单价/（元/m） 开挖 27 28 6 1499 77.3 80.5 430 非开挖 6 15 15 72 3.7 52.8 270
注：施工费中不含主材费用。
3.3 非开挖定向钻技术的优势
（1）施工场地小，不干扰地面交通，社会影响小。采用开挖方式施工，管沟的平均宽度在0.8m以上，若加上一侧返土和周边设置的防护围栏，平均宽度在2.0m左右。这对于本就狭窄的城市道路而言，无疑增加了巨大的交通压力，也给附近居民的出行造成不便。而采用非开挖定向钻技术施工不用开挖长距离管沟，施工场地较小。工作坑面积一般在3～6m2，为了保障施工质量及便于后期的维护保养，工作坑间距一般在200m左右，也就是说每米管线的开挖面积不足0.03m2，土方量较少。而且由于施工速度较快，一般可随施工随回填，对周边环境、交通安全、社会秩序、居民生活的不利影响也降到了最低限度。
（2）施工障碍少，避免干扰其他地下设施。科技路地处繁华的老城区，原有地下管线多而且杂，由于原始资料缺失，部分地下管线甚至无法确定具体位置。在开挖施工过程中，采用机械挖掘很容易损坏到已埋管线，而人工开挖的人力和时间成本又都过高。如果选择非开挖定向钻方法施工，则能有效绕开障碍物，只需确定工作坑附近的地下管线位置，将打孔深度定位在一般管线平均埋地深度以下（即地下2～3m左右），避开原有埋地设施即可。
（3）受地表现状影响小。在日常市政燃气管线施工过程中，最限制施工的往往是各类地表现状，比如河流、池塘、公路、铁路、树林等等，甚至一些铺装良好的硬覆盖地面也会成为管道开挖施工的难题。而非开挖定向钻技术的最大优点在于可以直接从地下穿越河流、公路、铁路等且不破坏地表的原有地貌。采用非开挖定向钻技术铺设燃气管道，最低埋深可以在地下5～10m，甚至更深。既没有水上、水下作业而影响江河航道的问题，也不会破坏江河两侧堤岸及河床结构；既不会对公路路面产生破坏，也不会影响轨道交通，而且施工一般不受季节限制。因此，该方法特别适合于穿越江河、公路、铁路等设施的施工。
（4）速度快，效率高。由于非开挖铺管无须开挖管沟，省下了道路开挖和回填后维护保养这两项工期最长的工序。以该工程为例，东西两段管线长度基本一致，西段非开挖施工只用了15d，而东段开挖铺管则用了28d，两者比较，非开挖铺管技术在工期方面具有非常大的优势。这是因为，采用定向钻机铺设地下燃气管线作业面比较小，操作简单，一般只需机手1名，辅助人员4～5名即可完成施工作业。每班平均进度基本都在50m以上，既可连续作业，亦可多台分段作业。因此，非开挖定向钻方法具有用人少、速度快、效率高、方法简单的优点。特别是在工期比较紧张的工程中，非开挖定向钻方法可以列为首选方式。
（5）工程造价较开挖施工略低。非开挖定向钻法施工价格构成中最大的支出是设备购置费昂贵导致的折旧费，一般按每延长米单价计费，但因作业坑少，破路面积小，综合造价反而会较低。以该工程为例，该市政部门收取的同类路面破路费为172元/m2，由于是当年新修道路，破道费用还要乘以3倍，开挖方式施工需破路面1499m2，共计77.3万元，再加土方施工（开沟、回填）11.82元/m3，按平均沟深1.8m计，共2698m3，共计3.2万元，两项相加总共为80.5万元；而非开挖方式施工作业坑破路面积72m2，费用3.7万元，大约只相当开挖施工方式的5%，土方施工共0.3万元，再加上管道施工费用48.8万元，总共为52.8万元。折算成单价相比较，在不计算人工费用差异的前提下，开挖铺管平均造价为430元/m，非开挖铺管的平均造价为270元/m。两者比较，非开挖定向钻法施工比传统开挖施工节省费用近40%。
3.4 非开挖定向钻技术的劣势
（1）管道定位困难。采用非开挖定向钻法所埋设的燃气管线一般并非水平敷设，大部分管段纵向呈弧形甚至部分管段水平方向也呈弧形，如果现场施工记录不清楚，会导致后期管道定位非常困难。
（2）弧形埋管容易形成积水管段。采用非开挖定向钻法铺设的燃气管线呈波浪形起伏，埋深随地质情况或为避让其他管线而变化，坡度不等、弯点及低点较多，容易形成积水管段，从而影响供气稳定性，所以一般只适用于天然气等干气。
（3）管线埋深较深，后期维护困难。采用非开挖定向钻法施工的管道埋设较深且深浅变化较大，一旦发生问题不利于抢修。虽然在施工过程避免了与其他管道及地下设施的交叉碰撞，但也造成了后期管道连接、维护、维修困难的后果。
（4）直观性差，检测难度大。以非开挖方式铺设的燃气管线由于其埋设较深，一般都在2.0m以下，个别复杂区域埋设深度更大，因而很难敷设警示带或示踪带，同时管位上方的土质和地形地貌没有任何变化。因此，常规的探测方法很难探测，必须通过专业仪器来判断其质量、位置等条件是否符合要求。
（5）施工环境要求较高。非开挖定向钻技术一般用于匀质土层的穿越，而在杂填土、砂卵砾石层、冰漬层和硬岩层中的穿越难度很大。
（6）施工风险较高。考虑到在施工过程中，回拖管线时有可能造成管道表面划伤等意外风险，目前非开挖施工作业很少提前进行强度和气密试验后再引入地下，大多数是在管线铺设完成后再做压力试验，一旦检验发现有泄漏等问题，受施工工艺限制，又很难判定准确位置，往往只能整段报废，重新进行敷设。另外，由于定向钻施工技术要求高，一旦开始就不能中途暂停，因而对现场水源、电源的要求极为严格，否则很容易出现前功尽弃的局面。
4 注意事项
由上所述，无论开挖或是非开挖的施工方式都各有利弊，怎样选择要依据现场实际情况，通过分析与评价进行综合判断。客观地说，每项非开挖工艺都具有一定的风险，一旦选择了非开挖技术施工，就要做好以下3方面工作：首先，要做好前期地勘，详细了解所穿越地段地质风险，认真研究地勘报告，采取相应措施，有效提高管道穿越的成功率。其次，非开挖技术中的水平定向钻穿越需要提前对轨迹曲线进行设计，这个设计属于全面的系统设计，它涉及的面非常广，其中包含了管道安装、地质、力学、材料等学科知识。设计的前提是通过物探采集所需数据，进行管道设计轨迹优化。最后，非开挖施工能否成功很大程度上取决于施工人员的经验。只有精心安排施工的各个环节，严谨规范操作，把握细节，才有可能一次成功。有效的管理，严谨、规范的操作永远是成功的保证。
5 结束语
总之，燃气管道的合理布局施工，直接关系到人民生命财产安全和社会稳定发展。非开挖定向钻法铺设埋地燃气管线是一种适应城市发展形势的新工艺、新方法，在缩短施工工期，节约时间成本，减轻对周围交通、居民生活的影响方面有着更加完善的效应。而且在任何恶劣或非恶劣气候条件下该技术都能持续正常进行，为施工的正常作业提供了有力保证得同时，也确保了管道铺设的安全运行，有利于推动我国经济效益和社会效益。因此，在实际的施工过程中，我们需要重视对定向钻孔施工技术的应用，做好质量监控的工作，以提高定向钻孔的施工质量，从而保证城市燃气管道的安全施工。
参考文献：
[1] 钟运彪.水平定向钻技术在高压燃气管道施工中的应用[J].地球.2013
[2] 曾胜钟.水平定向钻施工技术在燃气管道穿越工程中的应用[J].城市建筑.2014
[3] 赵鹏.水平定向钻施工技术在燃气管道穿越工程中的应用[J].科技视界.2013
论文作者:周廖文
论文发表刊物:《基层建设》2016年20期
论文发表时间:2016/12/12
标签：管道论文; 管线论文; 燃气论文; 非开挖论文; 技术论文; 作业论文; 万元论文; 《基层建设》2016年20期论文;