定向钻施工法

定向钻施工法也称为往复式潜钻施工法HDD（Horizontal Directional Drilling）,是指无法以传统开挖、推进及作业人员无法进入工作区，须用机械方法来操作钻掘、排土、清渣及方向控制，并同时在扩孔后将各种管材埋入地下的施工方法。
定向钻施工法的优点有：1、需要的作业空间小，对交通影响小；2、采用机械化施工，施工迅速，工期短；3、减少因施工发生路面下陷及房屋龟裂；4、对已有 埋设物的障碍物处理减至最小限度；5、所需开挖空间少，安全防护容易；6、工人不需进入危险区作业，可保护工人安全；7、在人口密集地区，对市民生活影响 小；8、适合穿越铁路、公路、高速公路、河流、等处的埋管施工。
一、定向钻施工及工作原理
定向钻施工法工作原理为：钻头先喷射高压水柱将泥土松开，钻杆再施转前进。同时采用高科技制造的钻头可击碎直径30cm以下的石块，钻杆在最大弯曲半径 33m内可360度调整其行进方向。采用无污染的天然粘土细粉作为润滑剂，混合在水柱中喷入土壤，不但可稳固孔道壁且有润滑作用，将拉管时的摩擦力降至最 低，日后泥浆形成一圈干燥的粘土裹覆管线。钻头内装置精确的导向及探测仪器（信号发射器），当其在地下潜挖时，地面上的接受器可由其电磁波显示钻头所在的 位置及深度，进而可转绘成精确的地下管线图表。
二、设备组成
钻机 钻机可大致分为两类：地表发射的和坑内发射的。地表发射钻机通常为履带式，可依靠自己的动力自行走进入工地。铺设新管时它们不需要发射坑和接受坑，但管线 连接时仍需要开挖。如果要求在地下相同深度连接其它管线，则可能会造成新管的开头几米废弃。坑内发射钻机在钻孔的两端都需要挖坑，但可在空间受限的地方操 作。一些设计更紧凑的钻机的发射坑，可只比接管所需的坑稍大一点就行。钻杆单根的长度受坑的尺寸限制，这可能对铺设速度和钻杆成本造成影响。坑内发射钻机 固定在发射坑中，利用坑的前、后壁承受给进力和回拉力。地表发射钻机有几种桩定方式将钻机锚固在地上，性能完善的钻机桩定系统可以是液压驱动的。一些地表 发射钻机是整装式的，载有钻进液用搅拌池和泵，以及动力辅助装置、阀和控制系统；也有采用搅拌池和泵等设备分离配置的。钻进液通过钻杆柱内孔泵送到钻头， 再从钻杆与孔壁的环空内返回，并把破碎下来的钻屑携带至过滤系统进行分离和再循环。尤其是地表发射钻机，配置有一个钻杆自动装卸系统，定长的钻杆装在一个 '传送盘'上，随钻进或回扩的过程而自动从钻杆柱上加、减钻杆，这种操作与一个自动的螺纹

拧紧和卸开装置配合进行。由于钻杆自动装卸系统加快施工速度、提 高施工安全和减小劳动强度，因而应用日益普遍，即使在小型钻机上也是如此。根据钻进地层的类型，选择定向钻机的能力可有很大不同。通常，均质粘土地层最容 易钻进；砂土层要难一些，尤其是其位于地下水位之下或没有自稳能力时；砾石层中钻进会加速钻头的磨损。不带冲击作用或泥浆马达的标准型钻机，一般不适用钻 进岩石或坚硬夹层，因为一旦遇到此类障碍物，钻头会无法进尺或偏离设计轨迹。
钻杆 钻杆要求很高的物理机械性能，必须有足够的轴向强度承受钻机给进力和回拖力，足够的抗扭强度承受钻机施加的扭矩；要有足够的柔韧性以适应钻进时的方向改变；还要尽可能地轻，以方便运输和使用；同时，还要能耐磨损与擦痕。
导向系统 与短距离施工的坑内发射应用不同，多数定向钻进技术要依靠准确的钻孔定位和导向系统。随着电子技术的进步，导向仪器的性能已有明显改善，能获得相当高的精 度。导向系统有几种类型，最常用的如'手持式(walk-over)'系统，它以一个装在钻头后部空腔内的探测器或探头为基础。探头发出的无线电信号由地 面接收器接收，除了得到地下钻头的位置和深度外，传输的信号还往往包括钻头倾角、斜面面向角、电池电量和探头温度。这些信息通常也转送到钻机附属接受器 上，以使钻机操作者可直接掌握孔内信息，从而据此作出任何有必要的轨迹调整。手持式系统的主要限制，是必须要到达直接位于钻头上部的地面。这一缺陷可采用 有缆式导向系统或装有电子罗盘的探头来克服。有缆式导向系统用通过钻杆柱的电缆从发射器向控制台传送信号。虽然缆线增加了复杂性，但由于不依靠无线电传送 信号，对钻孔的导向就可以跨越任何地形，并且可以用于受电磁干扰的地方。
扩孔器 扩孔器一般的形状是一个在切割面焊有切割牙的圆筒，这圆筒并装有可以输送钻掘液到切割面的钻掘液喷管。扩孔器可依地质状况及孔径大小而增大，当扩孔器抵达 进入坑时就会从导杆组上拆除，假如扩孔器一次无法到达预定管径需求，则可依上述扩孔程序重复进行扩孔达到所需孔径。一般而言扩孔的孔径须比预埋管的外径大 35%，如此可以避免预埋管在回拉过程中有所阻碍。钻掘液会提供地下孔可以抵抗地面压力的液压，替代地下孔在扩孔过程中因被刮除与钻掘液形成泥浆，而被挤 出地表所减少的土壤，消除造成地底中空的疑虑。
辅助设备 虽然许多注意力都集中在设备的主要内容上，但大量的附属和辅助设备在定向钻进施工的成功中仍起着重

要的作用。1、拉头 用于聚乙烯管的拉头类型很多，包括压力密封式拉头和专用于定向钻进的改进型拉头，定向钻进拉头的一个作用是防止钻进液或碎屑进入工作管道。2、旋转接头 旋转接头是扩孔和拉管操作中的基本构件，应设计成防止泥浆和碎屑进入轴承。已有的旋转接头的能力从低于5t至200t以上。一些承包商使用'断路式接头' 保护工作管，该接头上有一系列在预定载荷下断开的销钉，可根据工作管的允许拉伸载荷断开接头。这种断开式接头不仅减少了疏忽造成损失的风险，而且对那些知 道不能超过允许载荷的操作者，也有一种心理作用，不会去试图增大载荷而追求高效率。 3、其它重要的附助设备包括：聚乙烯管焊接机、管道支护滚筒和电缆牵引器。
三、定向钻施工计划的制定
虽然每个项目条件与状况不同，但是水平导向钻掘设备具备了各种不同的大小尺寸与规格。
制定定向钻施工计划时应注意的事项：
1、置与通路位置是影响计划与执行定向钻工程最重要的因素。在计划时须先了解要穿越的是何种类型障碍，例如：河流、公路等。
2、预埋管道
事先知道所要埋设管道的材料（PE管），因为材料的不同，管件受地表压力或因地心引力而产生特殊的倾斜角度也是考虑的重点。
3、钻掘长度依据地质状况及考量钻掘装置与设备，作为钻掘长度设计的重点考虑。
4、 位置限制该地区的地质情况，例如附近构筑物的状况报告，这些信息包含：①已有管线：在钻孔线路或钻孔设施附近，任何地下的管件、管道、电缆线或其它埋设物 的详细信息。②计划管线：在钻孔线路或钻孔设施附近，任何规划将埋设的地下管件、管道、电缆线或其它埋设物的详细信息。③计划建筑物：规划将兴建的建筑 物、桥梁、隧道、河流拓宽、疏浚或、港湾建设等建物的详细信息。④该区历史资料：该区构筑物资料或土地使用情形的历史信息，尤其是该区有钻掘过又回填的旧 有信息。⑤地形考察：地形的考察当然包括现有已存在的构筑物及既有设施等，钻掘线路上既有设施也是钻掘前应考虑的因素之一，这些因素会影响到钻掘的进入 点、出口点以及定向钻孔的整个轮廓。⑥地质测量资料：地质测量非常重要，通常所需的地质报告要非常接近钻孔路线，但并不一定是沿着定向钻施工路线一一取 得。这份报告须陈述取得的重点地质的实际位置与方法，并详述此一重点地质的样本，至于所须重点地质的数量与深度，则取决于钻掘的长度及所经过的地质变化。 重点地质取样的深度范围须比计划装设定向钻的深度还深。这份详细而广泛的地质报告是钻掘计划中最

重要的信息。
当完成位置考察后则钻掘的轮廓也就大致完成，一般钻掘轮廓土会标示出进入点角度、钻掘曲率及出口点的角度，钻掘曲率是依据钻掘长度、深度、预埋管种、直径、材质等因素而决定。
四、施工方法
大多数定向钻机采用钻进液辅助碎岩钻头钻压从钻杆尾部施加。钻头通常都带有一个斜面，所以钻头连续回转时则钻出一个直孔，而保持钻头朝某个方向不回转加压 时，则使钻孔发生偏斜。探测器或探头可以安装在钻头内，也可安装在紧靠钻头的地方，探头发出信号，被地面接收器接收或跟踪，从而可以监测钻孔的方位、深度 和其它参数。在那些从地表不能稳定跟踪钻孔轨迹的地方，或因钻孔深度太大，用无线电频率方法难以保证定位精度的地方，也可采用有缆式导向系统，其缆线通过 钻杆连接。
膨润土／水的混合物是常用的钻进液或'泥浆'，它能使携带的岩屑处于悬浮状态，并能通过循环系统过滤。导向孔施工完成后，触变泥浆可保持孔壁的稳定，以便于回扩。工作管一般为聚乙烯管，在扩孔的同时跟在扩孔器后一起拉入。
1、轨迹设计 根据铺管设计标高、地层及地形情况，根据钻杆曲率半径、工作场地、地下管线分布情况，PE燃气管的弯曲曲率半径，确定定向钻进过程中钻头的顶角、方位角、 工具面向角、计算出测定空间坐标，设计出定向钻进的轨迹图及对特殊地层、地段制订特殊施工方案，并且要把常用和应急材料准备一定的库存量，以防特殊情况的 发生，保证施工各阶段的顺利进行。

2、钻机锚固 钻机在施工中如锚固不好，钻进拖管过程中发生事故的情况非常多。在钻机锚固前，对锚固区域用仪器进行地下管线检测，防止将锚杆打在地下管线上。合理钻机锚 固是顺利完成钻进及回拖管的前提，钻机锚固能力反映了钻机在钻进和回拖施工时利用本身功率的能力。一台钻机推力再大，钻机在定向中发生了移动，也会导致钻 机无法按预定的计划完成钻进工作。在回拖管时，如锚固不好，钻机移动，需进一步锚固，从而导致了管道有可能拖不动，进一步加大钻机拖力，会出现钻机的全部 功率作用在钻机机身上，容易发生设备破坏和人员伤亡。

3、导向钻孔 采用射流辅助钻进方式，导向孔钻进是通过定向钻的高压泥浆射流冲蚀破碎旋转切削成孔的，以斜面钻头来控制钻头方向。钻头内的发射器，发射钻头的位置、顶 角、深度、钻头的温度、面向角、发射器内电池的状态等参数，这些参数由地面手提定位示踪仪接收，供操作人员能及时准确确定钻头的具体位置、深度，并随时通 过钻机调整钻进参数，以控制

钻头按设计轨迹钻进。
4、路线引导 信号在钻进过程中，由于地磁信号强(建筑物、高架桥屏蔽作用)，使定向信号无法接收。依靠在信号消失之前的钻进斜率与点数在钻杆上作标记进行盲钻，在盲钻 过程中，由钻杆上的标记及计算钻杆的斜率来完成造斜及整个钻进，直至信号出现。新型的引导系统则利用'磁性导引系统'监控钻头组的位置，钻头最前端的水平 及垂直正确方位会通过位于导杆组内的电缆直接传给钻掘工程师控制室。这些信号通过导引系统工程师的计算机显示，这些信息在导孔过程会一直回馈，以便随时修 正钻头组位置，使导管组能依既定路线钻出最正确的导孔。
此一连接'磁性导引系统'及'导引系统工程计算机'的PVC包覆电缆线会被卷放在一个防热的套筒内，并依次每个钻掘长度而增加，而在施工过程中增加每一段导杆时会先切断联机，待导杆安装系统在导杆组后即重新连上。
磁性导引系统传回地表的信息是由随时提供DC电流由铅制成的通信线所传递，经由磁性导引系统所传回的信号可完全排除原有埋设电缆管线或其它构筑物所产生的干扰信号。
5、出口 当钻头组钻出出口点，则取下钻头组并在导杆组上换装扩孔器。
6、扩孔 为成功的埋设管线，在导孔后必须扩孔，在管件端将扩孔器装在导杆组的尾端，扩孔器由钻掘机组以旋转方式沿已形成的导孔回拉，回拉时钻掘液泵也会通过导杆提 供钻掘液给扩孔器，扩孔器会使用本身的喷嘴喷出钻掘液，这些钻掘液不但有润滑及暂时支撑已扩大之孔效果，并会与扩孔过程中所刮下土块混合，一起挤出到两端 的泥浆坑。这些泥浆在管件端会被集中到泥浆池，在钻掘机组端则会马上被分离再回收利用，为确保钻孔中随时有导杆组，所以当在钻掘机组端取下一支导杆时，会 由管件端在扩孔器后面增加一支导杆。
7、预埋管回拉安装 扩孔器的尾端固定一只旋轴并将预埋管连结在旋轴上，管件端的工程师在预埋管准备好可以回拉，并重复检查完每个环节是稳固及可以活动的部分可以旋转之后，即 可以用对讲机通知钻掘机组端的工程师。 在钻掘机组回拉下扩孔器会先进入管件端的出口坑，在此之前先使用泵将钻掘液经由导杆组送进扩孔器以确定扩孔器中所有的喷嘴都是畅通的，通过连续的泵压力、 旋转及控制即可进行预埋管的安装，当所有的导杆在钻掘机组端一一被取下后预埋管即可完成安装。当扩孔器穿过地下孔抵达钻掘机组时操作者必须谨慎控制旋转扭 力及钻掘机组的拉力负载，以确保预埋管不被拉坏。
8、钻掘讯息 有关长度、深度及穿越位置等定向钻穿越的资料，会在导孔

时一一被记录，这些精确的记录会被绘制在钻掘竣工图中，以确保日后此埋管不会被挖掘。当预埋管安装完成，所有钻掘机具现场施工场地应一一复原。
五、相关问题
1、卡钻的出现及解决方法 在(砾石、糖粒砂、钙质层)钻进中，会出现卡钻的现象。应及时调整泥浆配比，使用最大泥浆泵排量，与挖掘机配合，将钻杆撤出卡钻区。总结卡钻出现的原因， 调整泥浆配比，使用进口澎润土，增加泥浆切力与粘度，使用扭矩大、推力大的钻机及相匹配的钻头，完成导向孔的钻进。
2、钻掘液性能与钻孔、回拖的关系 定向钻穿越施工，由于钻孔处于地表(一般位于地表层以下3m～20m)，地质松软，所以不易形成孔洞，钻孔易塌方，这就要求所用泥浆的护壁性要好，泥饼质 量高，控制失水性要好，以保证钻机性能的很好发挥。由于地层结构不同所需泥浆性能也不相同。
泥浆作为钻进冲洗液，使用优质的膨润土和添加剂，严格按照比例经搅拌系统搅拌成泥浆注入洞内，具有润滑钻具、稳定孔壁、降低回转扭矩和回拉力，降低拖管时管道和洞壁的摩擦系数、冷却钻头和发射器、携带土屑、减少腐蚀、固孔护管等作用。
长距离穿越，泥浆的作用尤其重要，孔内缺少泥浆往往是钻孔失败的重要原因。保持整个过程中有反浆，对工程顺利进行至关重要，为改善泥浆性能，需加入适 量地添加剂来配制成不同性能的泥浆。纯碱，可增粘，增静切力，调节pH值，投入纯碱量一般为钠土量的2％。为成孔良好，增加孔内润滑，可加入适量的 Drispac。为提高泥浆携带土屑的能力，将孔内的土屑带出，可在钻孔过程中的某一段加入一定量的Flowzen，能够达到很好的使用效果。
为了保证穿越工程的顺利进行，切实保证泥浆的性能才能保证穿越管线的成功。
(1)认真研究地质构造图，制定完善的的泥浆配比方案，并认真实施，对特殊地段应提前采取特殊措施，及时加入添加剂，调节好泥浆性能，尽量保证孔内状况良好，形成良好的孔壁。
(2)在易塌方的地段，一方面改进泥浆的性能，另一方面，改变钻孔和回拖工艺等，尽量缩短停钻时间，加快钻进速度，保证钻孔不塌方。
(3)加强泥浆循环。停止钻进时，仍要注入适量泥浆，保证孔内始终存在正压，使泥浆把孔内切削物尽量多的携带出来，防止沉积于孔内。

3、 在拖管过程中出现管拖不动的情况 拖管途中出现管道拖不动，应及时将钻机移到管道入地端，与挖掘机配合，使拖力达到原来拖力的两倍，将管道拖出地面。总结拖不动的原因，审查各个工程环节及 相关保障措施，并加以改善，如采

用更大的回扩头、使用进口粘土和添加剂，更大动力的钻机，完成穿越。
六、总结
用定(导)向钻机穿越，不仅对钻机的能力，钻机的锚固、钻具的选配、导向孔的轨迹、回扩头选择有所要求并对泥浆的性能要求也很高，必须根据不同的地层配制不同的泥浆。此外，还需要有丰富的穿越实践经验，以便能及时解决现场出现的问题。