水平定向钻技术简介

水平定向钻技术是采用水平定向钻机按设计线路和穿越曲线钻进一个口径较小的导向孔，然后将钻头更换为扩孔器进行一次或多次回拉扩孔，当钻孔孔径扩至设计尺寸后，回拖敷设成品管道。对于穿越距离较长的工程，多采用双钻机对接技术进行导向孔施工。该技术是集多学科、多技术、多种设备于一体的系统工程，任何一个环节出现问题，都将影响整个工程进度或增加工程成本，甚至造成工程的失败。水平定向钻技术可以细分为前期设计和准备工作、导向孔施工、回拖扩孔、管道回拖及现场清理和恢复五个步骤。

1.1.1 前期设计和准备工作

水平定向钻的前期设计工作包括线路初勘、详勘、线路设计、轨迹设计和钻机选型；前期的准备和检查工作包括场地测量、钻机定位、施工现场布局、工程场地的出入口通道设置、交通锥标布设、施工标志悬挂和粘贴。准备和检查工作属于工程组织管理内容，本书不具体讨论，读者可以查阅水平定向钻的施工指导或管理类参考书了解相关内容，水平定向钻的线路和轨迹的设计内容涉及到较多的理论知识，在第二章中将对其进行详细的讨论。

1.1.2 导向孔施工

导向钻孔施工是采用水平定向钻机和导向仪按照设计的线路、轨迹、出入土点等参数钻进导向孔的过程。其主要步骤包括：锚固钻机，安装和标定导向探头，连接钻杆和导向钻头，测试探头发射，检查钻头喷嘴处的钻孔泥浆流动是否通畅，导向钻进，钻进成孔，检测并调整钻进斜度和深度使钻进轨迹符合设计要求。整个钻进轨迹首先为造斜段，然后从造斜段进入到水平段，直到钻头进入出土坑造斜段。导向孔施工原理如图1－1所示。

图1－1 导向孔施工原理

整个导向孔钻进过程中都需要采用导向仪对钻头进行定位和导向。导向仪通过安装在钻头容纳腔中的信号发射器发射电磁信号，地表信号接收器接收信号并监测钻头位置实现导向，导向仪可以确定钻头位置并计算得到钻头深度、钻头俯仰角、钻具面向角和钻孔的方位角。导向孔相关的技术和理论将在第七章中详细介绍。

1.1.3 回拖扩孔

回拖扩孔是采用扩孔器在水平定向钻机回拉作用下将导向孔扩径至设计直径的过程，如图1－2所示。其主要步骤包括连接扩孔头与钻杆、回拉扩孔和清孔。对于孔径较大的工程，扩孔级数需要根据终孔直径、地质条件和钻进性能参数来确定。因此扩孔阶段的扩孔扭矩、扩孔极差设计以及孔壁的稳定都是需要考虑的重要因素，这部分内容将分别在第三章和第四章中进行详细的讨论。

图1－2 钻孔回拖扩孔过程

1.1.4 管道回拖

管道回拖是扩孔后将成品管道回拉拖入孔洞中并完成铺设的过程，管道回拖原则上要求最后一级扩孔与铺管同步进行，以减少因钻孔暴露时间过长而引起孔壁垮塌的危险。管道回拖时首先在成品管道前端安装一个回拉头。回拉头与扩孔器之间安装分动器，避免回拉头带动成品管道回转。成品管道进入钻孔前需要进行合适的固定和支撑。对未拖入的成品管道进行支撑，避免管道回拖过程中管道外壁的磨损和擦伤。水平定向钻铺管工艺中，一般采用顶推或回拉的方法将待铺的管线就位。在导向孔平直度差、铺管阻力大的情况下，采用顶推与回拉相结合的方法可取得好的效果。管道回拖阶段管道的力学分析计算和铺管工艺选择是水平定向钻设计的两个重要问题。只有计算出当前工艺条件下的铺管阻力后，再根据实际情况，选择正确的铺管方法才是成功的关键，这部分内容将在第五章中详细介绍。管道铺设过程如图1－3所示。

图1－3 管道铺设过程

1.1.5 现场清理和恢复

管道回拖安装完成后，需要将出土端和入土端的废弃泥浆和渣土进行清理并采用原土壤或选定的土体进行回填压实，最后对地表废弃物、破损工具和设备必须进行清理。对未开发区域进行地表平整、播种、绿化恢复；对开发区域，地表修复包括更换、人行道基础压实、压实材料和人行道铺砌等。