顶管施工方案

一、工程概况：

S324线K28+2处施工工程概况如下：

1、工程名称：乌伦古河临时供水工程T1施工供水管线S324线K28+2处穿越施工

   2、穿越地点：S324线K28+2处

3、拟穿越方式：本次穿越拟采用非开挖水平定向钻工艺穿越敷设。

4、预计工程量：穿越长度为36米。穿越套管选用DN400mm、壁厚7mm的钢管。

5、穿越地质：根据勘探结果显示该段地形略有起伏、相对开阔，为丘陵地貌，表层为第四系全新统洪积碎石土层，厚度一般0.2-0.4m，土黄色—青灰色。结构松散，含植物根系，局部土层中含盐量较高，见有盐碱析出。下覆青灰色泥盆系凝灰质砂岩，挖深2.5m左右，均无地下水。

勘察期间，场地无地下水。根据相关区域资料，地下水水位随季节变化，一般年变化幅度为0.30-0.70 m，如若出现地下水，施工单位在施工时应注意降水，保证工程的安全实施。

管线工程穿越的S324线K28+2处的管道埋深均按照自然地面1.7m控制，项目区域内标准冻土深度参照当地最大冻土深度1.9m，因1.7米以下为岩石，无法使用水平定向钻施工，由管线单位后期回填后盖帽处理。

S324线K28+2处施工工程概况如下：

1、工程名称：乌伦古河临时供水工程T2施工供水管线G216线K298+460处穿越施工

   2、穿越地点：G216线K298+460处

3、拟穿越方式：本次穿越拟采用非开挖水平定向钻工艺穿越敷设。

4、预计工程量：穿越长度为42米。穿越套管选用DN400mm、壁厚7mm的钢管。

5、穿越地质：根据勘探结果显示该段地形为河谷地带，北岸陡峭，第四系土层覆盖较薄，南岸较缓，第四系土层覆盖较厚，相当于部分分布为第三层泥岩。河谷地带地表为第四系冲洪积砂土覆盖，下伏沙砂石，厚度由几米至十几米不等。

勘察期间，场地无地下水。根据相关区域资料，地下水水位随季节变化，一般年变化幅度为0.30-0.70 m，如若出现地下水，施工单位在施工时应注意降水，保证工程的安全实施。

管线工程穿越的G216线K298+460处的管道埋深均按照自然地面下1.7m控制，项目区域内标准冻土深度参照当地最大冻土深度1.9m，因1.7米以下为岩石，无法使用水平定向钻施工，由管线单位后期回填后盖帽处理。

二、施工总体部署

2.1质量及安全目标：

     确保单位工程一次合格率100%，施工安全零伤亡、零事故，认真贯彻“安全第一，预防为主，以人为本”的方针，全面落实安全生产管理制度，实现安全生产无重大事故。

2.2 工期及施工进度安排：

    1、工期：自开工之日起5日内

2、施工进度安排：详见施工进度计划表

2.3 总体部署

    本次拟穿越公路施工，管道拟呈90º正交穿越公路，操作面及导向坑设置于公路一侧，导向坑需采用人工开挖，在公路另一侧开挖回拖接收坑。导向钻进时水平定向钻入钻角设定为18º，在导向坑18米以外提前入钻，进入导向坑前调平，套管穿越段水平外进，采用三级扩孔：DN200扩孔，DN300扩孔，DN4000扩孔，用DN400清孔一道，一次性回拖成功。

2.4 组织机构及职责分工

   成立水平定向钻穿越施工机组，负责本次穿越施工组织工作。

机组长：黄永刚

安全员：吴首成

特种操作手：机手1名、导向手1名、泥浆手1名；

普工人员：4人

2.5 拟投入本工程的主要机具及钻机主要技术参数

1、施工机具及检测仪表配置表

2、DDW-180水平定向钻机技术参数

3.1施工原理：

A、定向钻进敷管施工法是在不开挖地表面的条件下，利用导向钻进技术先钻出导向孔，再经过反复回拉扩孔直至达到孔径要求，最终通过回拖敷设多种地下公用设施(管道、电缆等)的一种施工方法。

B、选用设备的主要原则是：根据施工需求设计或选择一定拉力范围的钻机，然后将钻机输出的扭矩和钻杆的参数及配套泥浆泵量作为关键参数进行对比，同时考虑发动机持续功率的大小。

C、全液压工程钻孔机的调速方法有以下三种：

 1）节流调速控制回路，由流量阀改变进入或流出执行元件的流量来实现调速。

2）容积调速控制回路，即通过改变变量泵的供油量或改变液压马达排量来实现执行机构的调速。

3）分合流调速控制回路，有两泵三速回路和分流阀回路两种形式。

D、钻机的保护设计，非开挖钻机设计时，需要考虑钻机本身的安全和司转人员的安全。如支撑油缸的自锁设计，保护钻杆丝扣的动力头浮动机构设计以及防碰地下高压电缆的感应线圈设计。

 3.2 施工技术方案

本方案似采用水平定向钻拖管法对全线管道进行施工，拖管施工对场地的要求主要是在管道熔接时，需要有场地摆放管道，两井的前后（出钻和入钻方向）无障碍物，方能满足施工段的正常拖拉。

3.2.1  施工工艺

水平定向钻进铺管的施工顺序为：地质勘探、规划和设计钻孔轨迹、配制钻液、钻先导孔、回拉扩孔、回拉铺管。

3.2.2 关键技术

（1）地层勘探及地下管线探测

地层勘探主要了解有关地层和地下水的情况，为选择钻进方法和配制钻液提供依据。其内容包括：土层的标准分类、孔隙度、含水性、透水性以及地下水位、基岩深度和含卵砾石情况等。可采用查资料、开挖和钻探方法获取。

地下管线探测主要了解有关地下已有管线和其它埋设物的位置，为设计钻进轨迹提供依据。一般采用物探法，按其定位原理分为：电磁法、直流电法、磁法、地震波法和红外辐射法等。

（2）钻进轨迹的规划与设计

导向孔轨迹设计是否合理对管线施工能否成功至关重要。钻孔轨迹的设计主要是根据工程要求、地层条件、地形特征、地下障碍物的具体位置、钻杆的入出土角度、钻杆允许的曲率半径、钻头的变向能力、导向监控能力和被铺设管线的性能等，给出最佳钻孔路线。

目前我单位有制造商提供钻机轨迹规划设计软件，通过采集所需的全部信息，利用计算机进行最优化钻孔轨迹。大大提高了轨迹的科学性和施工效率。

（3）配制钻液

钻液在施工中起着非常重要的作用。钻液是指在钻进施工中用来与钻孔过程中切削下来的土（或沙石）屑混合，悬浮并将这些混合物排出钻孔的一种液体，而泥浆则是钻液与钻孔中钻屑的混合物。钻液具有冷却钻头（冷却和保护其内部传感器）、润滑钻具，更重要的是可以悬浮和携带钻屑，使混合后的钻屑成为流动的泥浆顺利地排出孔外，既为回拖管线提供足够的环形空间，又可减少回拖管线的重量和阻力。残留在孔中的泥浆可以起到护壁的作用。

在不同的地质条件下，需要不同成份的钻液。钻液由水、膨润土和聚合物组成。施工中用水做钻液的主要成份，膨润土和聚合物用做钻液添加剂。钻液的品质越好与钻屑混合越适当，所制造的泥浆的流动性和悬浮性越好，回扩成孔的效果越理想，成功的概率越大。

本工程施工中施工人员配制适合地层性能的钻液，在类似工程中我们已能够熟练正确使用钻液。特别是当施工中遇到不同地层时，能及时调整钻液的性能以适应工程要求。

（4）钻导向孔

钻导向孔的关键技术是钻机、钻具的选择和钻进过程的监测和控制。可根据不同的地质条件以及工程的具体情况，选择合适的钻机、钻具和钻进方法来完成导向孔的钻进。

导向孔施工钻具具有钻孔、变向、通磁和输送钻液的功能。通过人机协制，严格按已设计的轨迹完成导向孔施工。钻孔施工是以高压钻液射流和钻头板切削共同完成的；钻头板以及安装板上的钻牙，在钻头旋转钻进时起辅助的切削作用，在钻杆推进时起变向作用；发射器容纳管（探棒室）用来放置发射器（探棒），在容纳管上开有通磁槽，并用非金属材料密封以防止高压钻液进入，发射器发射的电磁波经通磁槽向外发射。钻杆和钻头内部应提供足够大的通道以满足对钻液流量的需求。导向钻头的组成部分如图3.3-1所示。

图3.3-1  导向钻头

钻机与钻具的选择：钻孔主要靠钻机产生的推力、旋转扭矩以及所提供的钻液的流量、压力来完成施工。特别是长距离穿越，一方面，由于管线及钻杆自重较重，钻杆与地层之间产生的摩擦阻力较大，因此，钻机的回拉力及扭矩必须足够大；另一方面，为了确保本工程的顺利进行，应尽量避免工程施工中途停钻，钻机连续运转时间相对较长，就必须要求钻机具有良好的性能，因此，在我单位的技术人员的研讨下特意为本工程拟定了一台适合本工程地理条件的钻机。

（5）回拉扩孔铺管

在回拉扩孔铺管施工中的关键技术是根据不同的土层、地下水位以及最终成孔直径正确地选择回扩钻具和每次的进刀量，正确的选配钻液和确定钻液的流量。

当导向孔钻进完成后，卸下导向钻头、发射器容纳管，接上反向扩孔钻头和旋转接头（分动器），然后在旋转接头后接上回拉钻杆，进行回拉扩孔钻进。对直径较大的孔，可进行多次扩孔钻进，使钻孔直径逐渐扩大至尺寸要求。扩孔钻具如图3.3-2所示。

图3.3-2  钻具组成图

扩孔器类型有桶式、飞旋式、刮刀式等：穿越淤泥黏土等松软地层时，选择桶式扩孔器较适宜，扩孔器通过旋转，将淤泥挤压到孔壁四周，起到很好的固孔作用；当地层较硬时，选择飞旋或刮刀式扩孔器成孔较好。一般要求选择的最大扩孔器尺寸为铺设管径的1.2～1.5倍，这样能够保持泥浆流动畅通，保证管线能安全、顺利的拖入孔中。

水平定向钻进铺管中，泥浆作用尤其重要，因此钻孔中不可缺少泥浆。一般地层泥浆较易漏失，泥浆漏失后，孔中缺少泥浆，钻杆及管线与孔壁间的摩擦力增大，导致拉力增大。要保持在整个钻进过程中有返浆，这对回拉扩孔施工的顺利进行尤其重要，在本工程中如遇到地层条件是硬岩、泥灰岩和砾石交替变化，施工技术人员可及时调整钻液以产生不同的泥浆。

当扩孔钻进完成后，在回拉钻杆后接上回扩头和旋转接头，在旋转接头后接上拉管头和待铺设的管线进行反扩铺管。回拉铺管的钻具组成如图3.3-3所示。

图3.3-3  回拉铺管钻具图

本次穿越采用三级扩孔：DN200扩孔，DN300扩孔，DN400扩孔，用DN400清孔一道，一次性回拖成功。依该处穿越土特点本次扩孔采用挤压式扩孔头。

3.2.3  工程施工

、 测量定位

根据施工图纸要求和现场踏勘情况，放出入土点、出土点和管线中心轴线的位置，在入土点端测量并确定钻机安装位置。同时，确定穿越管道东、西两侧管头的具体位置。

为了施工过程中不能出现任何差错。因此首先对施工区域进行地下障碍物探测，对穿越沿线进行详细地质勘查，采取有效地措施确保穿越施工的顺利进行。

、钻机就位和调试

① 钻机安装在入土点和出土点的连线上。钻机导轨与水平面的夹角一般比设计的入土角大1°。因为在钻孔时，钻杆来回抽动，钻杆要下沉，所以事先留1°的余量。

② 钻机安装牢固、平稳，经检验合格后进行试运转，并根据穿越管径的大小、长度和钻具的承载能力调整拖拉力。

③ 对控向系统进行仔细准确校正，校正至完全准确。

、泥浆配制

钻液在施工中起着非常重要的作用。钻液是指在钻进施工中用来与钻孔过程中切削下来的土（或沙石）屑混合，悬浮并将这些混合物排出钻孔的一种液体，而泥浆则是钻液与钻孔中钻屑的混合物。钻液具有冷却钻头（冷却和保护其内部传感器）、润滑钻具，更重要的是可以悬浮和携带钻屑，使混合后的钻屑成为流动的泥浆顺利地排出孔外，既为回拖管线提供足够的环形空间，又可减少回拖管线的重量和阻力。残留在孔中的泥浆可以起到护壁的作用。

① 采用清洁的淡水来配制泥浆，用水量为1.5m3/min。

② 泥浆由膨润土加泥浆添加剂与水搅拌而成，因所用泥浆在施工中有较大的损耗，即在搅拌膨润土泥浆时需拌制原有泥浆量的1.5倍。

③ 泥浆的粘度符合下列要求：

a．根据地质情况和管径大小确定泥浆粘度。

泥浆粘度值表

粘度值（s）

、钻液混合搅拌与泵送系统

（1）钻液混合搅拌与泵送系统是钻机施工系统的重要组成部分。混合搅拌系统是将水、膨润土、聚合物等按一定比例加入混合仓，而后进行充分搅拌形成钻液。泵送系统是由钻液泵将钻液通过中空钻杆输送至孔底钻头，并与孔中钻屑混合形成泥浆在孔底流动。其发展趋势是能够回收泥浆，经再生处理可反复循环使用，既节省资源又实现环保。

搅拌系统应具有搅拌快速均匀、提供大流量泥浆、可调节泥浆配比、搅拌与输送同时进行等功能，搅拌系统装置包括料斗、汽油机泵、搅拌罐、车载泥浆泵、相关管路等。

（2）水平定向钻的泥浆泵送系统由随车泥浆系统与泥浆搅拌系统组成；泥浆搅拌系统用于泥浆混配、搅拌、向随车泥浆系统提供泥浆，随车泥浆系统将泥浆加压，通过动力头、钻杆、钻头打入孔内，以稳定孔壁，降低回转扭矩、拉管阻力，冷却钻头、发射探头，清除钻进产生的土屑等。

各泵送系统如下图所示。    

、 泥浆污染的防范措施

泥浆是水平定向穿越的血液。其主要功能包括润滑、冷却钻头钻具、稳定孔壁和悬浮、携带泥屑等。由于在较大口径管道的水平定向穿越泥浆使用量非常之大（一般都在3000m3/条次以上），除出、入土两端的泥浆池存储的泥浆需要之外，穿越沿程的冒将、跑浆可能造成路面的污染。

因此，在施工中主要的防范措施是控制泥浆压力、减少泥浆总量、及时清收和控制跑冒的泥浆，选择适宜的弃浆场所，有效地覆盖作业场地。

泥浆循环、处理泥浆程序如下框图所示。

水

                            弃渣外运

出、入土端泥浆坑内的泥浆用返输泵分别通过循环管或直接返输进泥浆处理装置，经过处理后的部分清浆可以重复使用。弃渣外运至当地有关部门指定的地点存放。如对穿越沿线由于地层或其它原因造成的跑、冒泥浆，采用人工及时清收或就地控制，最后统一处理。

、 导向孔钻进、回扩和管线回拖

、导向孔钻进

a．导向孔根据设计曲线钻进。施工过程中，谨慎处理控向数据，并适当控制钻进速度，保证导向孔光滑，钻孔导向剖面示意图如图4.7.1所示。

入钻坑的大小为：2.0×3.0×2.5m，引沟的大小为2.0×14.0×2.5m，管道埋深约为2.5m，入钻处倾斜角为18度。

     b. 每根钻杆折角约为0.27度；由于每根钻杆方向改变量较小，为保证左右方向，在出、入土点之间每隔10米设一明显标记。每钻进一根钻杆，方向探测3次。对探测点要做好标记。认真记录钻进过程中的扭矩、推力、泥浆流量、泥浆压力、方向改变量。

c.导向孔完成后，根据钻孔轨迹和数据记录，确定此导向孔是否可用。导向孔曲线与设计曲线的偏移量半径不大于2m。出土点沿设计轴线的纵向偏差不大于穿越长度的1%，横向偏差不大于穿越长度的1%。

回拉扩孔

钻孔导向完成后，采用三级反拉旋转扩孔成孔： DN200扩孔，DN300扩孔，DN400扩孔。在扩孔后，应进行清孔作业，清孔作业仍用DN400回扩头，意在清除孔内余土，清孔过程中应密切关察回拖力变化，若仍出现回拖力较大情况，应分析原因采取相对应措施，且不可草草拖管。

扩孔剖面示意图如图4.7.2-1所示。

图4.7.2-1  带长槽回扩头

在本工程中将采用带长槽回扩头它适用于普遍的工程条件，在第四系全新统洪积碎石土层，凝灰质砂岩中施工，兼有飞旋刀式切割器和锥形挤扩器的复合功能，具有很高的施工效率。回拉扩孔如图4.7.2-2所示。

   管线回拖

扩孔结束后，立即进行管线回拖，管线回拖施工连续进行直至回拖到设计位置。

  监测与控制

A、 原理

采用先进的导向探测仪对地下钻头的前后倾角、深度、导向板面向角等进行测量，根据测量结果人为预定其导进方向，并不断地调整钻头面角进行推进或继续钻进。

在钻进导向孔时能否按设计轨迹钻进，钻头的准确定位及变向控制非常重要。钻进过程中对钻头的监测方法主要通过随钻测量（MWD）技术获取孔底钻头的有关信息。孔底信号传送的方法主要有：电缆法和电磁波法。电磁波法的测量范围较小，一般在300m以内水平发射距离，测量深度在15m左右。电磁波法测量的原理为：在导向钻头中安装发射器，通过地面接收器，测得钻头的深度、鸭嘴板的面向角、钻孔顶角、钻头温度和电池状况等参数，将测得参数与钻孔轨迹进行对比，以便及时纠正。地面接收器具有显示与发射功能，将接收到的孔底信息无线传送至钻机的接收器并显示，以便操作手能控制钻机按正确的轨迹钻进。

B、  钻孔轨迹的控制

钻进的轨迹一般考虑以下三方面的要求：

（１） 铺设管线的深度和水平距离；

（２） 避开的地下管线和石块等障碍物；

（３） 钻进角度或出钻角度的弧度变化控制。

钻机置于公路边缘一定距离外，钻机以一定的钻进角度开孔，向下偏导向钻进，希望经过一定长度的弧形轨迹，达到铺管设计深度时钻头的方向恰好调整到水平方向，再保持水平方向旋转钻进，保正钻孔达到设计准确高程。

C、 安全保护系统

由于施工中的地质情况复杂、距离较远等特点，在施工中必须设置必要的安全保护措施，主要有：

（1）防触电报警系统，一旦地下钻头触及电缆等带电体后，钻机发出触电报警，此时操作手必须坐在座椅上不得离开，以免触电。报警解除后，操作人员方可离开钻机。

（2）远距离遥控紧急停机装置，随钻跟踪测量者应时刻保持与钻机操作手的联系，一旦发生意外应及时处置。目前我单位在本工程中采用无线通信联络方式，有时由于受到当时当地环境的影响这种方式己不能应付紧急突发事件。所以在施工中应由随钻跟踪者采用紧急措施停止钻机工作，待处理完后，由后者解除对钻机的后，方可启动钻机。

D、 防范措施

为避免回拖失败、扩孔报废、防止塌孔，应采取以下措施：

（1）选择适宜的钻机，通常选择钻机所要考虑的主要参数是最大推、拉力和最大输出扭矩。管道回拖力主要与穿越的地质条件、回拖管段的规格和长度、预扩孔的直径和质量有关。好的地质条件，预扩孔的质量相对容易保证；回拖管段的规格越大，长度越长，回拖力越大；预扩孔的直径越大，质量越好，回拖力越小。一般情况下钻机的最大回拖力应不小于回拖管段自重的1/2。

（2）在回拖管道时采用水浮法发送穿越管段。

确保导向孔质量，导向孔是预扩孔的基础。导向孔的基本控制指标是出、入土角、曲线偏移和造斜段曲率半径。其中，钻机出、入土角一般比较容易控制。为确保拖管高程达到要求，在施工前应搞清施工作业区的地质情况。进行导向作业时，应确保穿越曲线的圆滑，防止出现反向弯曲的现象发生。

（3）在满足管道回拖要求的前提下尽可能选择较小的扩孔直径；选用适宜的泥浆；选择适宜的钻具和钻具组合，并尽可能缩短施工周期。

E、 管壁及造斜段注浆

由于施工扩孔直径大于设计管道直径，拖管完成后，在管道外壁及造斜段压注水泥浆，使水泥浆与拖管过程中的泥浆充分结合，加固土体硬度。

压浆系统设备包括：①注浆泵（螺杆泵，排量1000L/min，压力3Mpa）；②搅拌器；③注浆管道（主管Φ50mm钢管，支管Φ25mm）；④管道阀门和压力计。

水泥浆配合比为（重量比）水泥：水=1：2。

压浆量为管道外围环形空隙的1.5倍，压注压力根据管顶水压力而定。

四、HSE技术措施：

1、水平定向钻敷管前由技术人员对全体施工人员进行安全质量教育和安全技术交底，按要求穿戴劳保用品，严格遵守操作规程。

2、为了确保水平定向钻敷管工作的准确性和安全性，自始至终地坚持“安全第一”的施工作业原则，进行水平定向钻敷管施工前，应确定所穿越地带处是否有油、气、水管线，是否有电、光缆，如有油、气、水管线或电、光缆应及时与有关部门取得联系，征得同意后方可施工。一旦伤及地下设施轻则设施损坏，重则机毁人亡。

3、水平定向钻作业是多人、多岗位密切配合作业施工，若配合不当或操作失误很容易造成安全事故，在作业前必须落实机组长安全喊话，手势、旗帜等信号方式培训统一，还须配备通信对讲机。

4、水平定向钻敷管作业前应对穿越带的土质、高程进行认真测量，操作坑与接收坑要采取放坡开挖，放坡系数要达到规范要求，穿越套管上沿与地面最低处要达到设计要求。必要时要在操作坑两侧设挡土板。

5、水平定向钻敷管作业前应进行安全防护，对操作坑、接收坑和钢管穿越地带进行全封闭。穿越地带若有车辆经过，应在车辆行驶的右侧栽设交通安全警示牌（所有警示牌必须是反光膜材料），内容为：“前方施工，请减速慢行”。必要时设专人持旗在道口处对车辆进行指挥，导向人员需在路面上作业时需预先向交通主管部门申请办理临时占道手续，作业时在路面上设置明显标识，如：路锥、道路施工交通警示牌，夜间尤为重要，以防车辆冲入作业区内伤人。

6、正式起吊设备前应试吊，吊离地面10cm左右检查重物捆扎情况和制动性能，确保安全后方可起吊，严禁超负荷吊装设备。

7、施工现场吊装设备、焊接设备必须由专人操作，严格按操作规程作业。

8、水平定向钻敷管穿越作业时，每班必须有一名安全员，保证现场安全作业，如有意外发生，应及时报告项目部，同时采取急救措施。

五、施工进度控制：

1、工程进度计划制定时，应避免将上述段落安排在雨季施工，如施工因其它因素不可避免时应制定详细防汛、防洪施工措施及施工计划，上报上级单位批准。得到批准后，监督检查施工措施、设备及材料的落实情况，确保全部齐备后方可进行施工。

2、全天候实行与工地保持联系，了解工程的进展情况，随时进行人力和施工条件的平衡和协调，确保施工的正常进行。

3、布置施工现场的防洪、防汛措施。全面掌握施工动态和施工进度，密切关注天气预报，及时了解一周内的天气变化情况及当天的天气情况，并扩时通知施工前线人员。

4、及时协调解决施工现场出现的各种问题，确保工程施工有序、高效地进行。

5、协同技术、质量部门检查安全生产施工情况，发现问题及时向领导汇报，调整作业。

6、协调工序衔接，维护正常施工秩序，迅速准确传达业主、工程项目部对现场施工作业的各项决定，并及时执行。

六、质量保证措施：

1)主管焊接安装以及防腐处理均要严格按照相关施工规范进行。

2)接受现场监理的监督检查，发现问题及时解决。

3)特殊工种必须持证上岗，严禁无证操作。

4)认真做好记录，认真贯彻三检制度。

                                                         下载本文