输水管道定向钻穿越技术研究

输水管道定向钻穿越技术研究

黄智  潘金堂 刘籍熙  闵红刚 蔡倩

（中建新疆建工集团第三建设工程有限公司  四川省阿坝藏族羌族自治州  623100）

摘要：输水管道定向钻穿越技术，作为现代管道工程领域的一项重要技术创新，其在复杂地质条件下的应用日益广泛。本文旨在系统探讨定向钻穿越技术的基本原理、施工步骤、关键技术及其在实际应用中的优越性。通过对地质条件适应性、施工效率、环境影响等多个方面的深入分析，本文揭示了定向钻穿越技术在输水管道建设中的独特优势。同时，本文还就施工过程中的关键控制点和技术难点进行了阐述，为相关工程实践提供了理论参考和技术支持。

关键词：输水管道；定向钻穿越；地质条件；施工效率

1 引言

随着我国城市化进程的加快，输水管道作为城市基础设施的重要组成部分，其建设规模和技术要求不断提高。在输水管道建设中，穿越河流、山川等复杂地质条件成为一大难题。传统的开挖敷设方式不仅施工周期长、环境影响大，而且在某些地质条件下难以实施。定向钻穿越技术作为一种非开挖敷设方式，以其独特的施工原理和显著的技术优势，在输水管道建设中得到了广泛应用。

2 定向钻穿越技术概述

定向钻穿越技术是一种利用水平定向钻机在地下形成孔道，并通过扩孔和回拖等工序完成管道敷设的非开挖技术。该技术具有施工周期短、环境影响小、地质条件适应性强等优点，在输水管道建设中具有显著优势。

2.1 定向钻穿越技术的施工原理

定向钻穿越技术的施工原理主要包括导向孔钻进、扩孔和回拖三个步骤。首先，利用水平定向钻机在地下按照预设轨迹钻进导向孔；其次，通过扩孔器逐步扩大孔道直径至满足管道敷设要求；最后，将管道连接至钻杆上，通过回拖工序将管道敷设至孔道内。

2.2 定向钻穿越技术的关键设备

定向钻穿越技术所需的关键设备包括水平定向钻机、钻杆、扩孔器、泥浆系统等。水平定向钻机是施工的核心设备，负责提供钻进动力和导向控制；钻杆作为钻进和回拖的载体，其质量和性能直接影响施工效率和管道敷设质量；扩孔器用于扩大孔道直径；泥浆系统则用于冷却钻头、携带钻屑和稳定孔壁。

3 定向钻穿越技术在输水管道建设中的应用

3.1 复杂地质条件的适应性

输水管道穿越河流、山川等复杂地质条件时，定向钻穿越技术展现出显著的适应性。该技术通过选择适宜的钻机、钻进工艺和泥浆参数，能够在不同地质条件下实现稳定施工，确保管道敷设的质量和施工的安全性。例如，在砂层穿越过程中，通过增加菱形耐磨口和扩孔刀头，不仅提高了钻具的耐磨性，还增强了扩孔效率和孔洞成型的质量。此外，对于岩石层穿越，定向钻技术能够通过调整钻头类型和泥浆配方，有效应对岩石的硬度和裂隙发育情况，确保钻孔过程的顺利进行。

3.2 施工效率的提升

与传统的开挖敷设方式相比，定向钻穿越技术显著提升了施工效率。采用非开挖方式，定向钻技术避免了大量的土方开挖和回填工作，从而大幅度缩短了施工周期。不仅如此，通过科学的施工组织和管理，定向钻穿越技术能够实现多岗位、多人员的协调作业，进一步提高了施工效率。例如，在大型河流的定向钻穿越施工中，通过优化施工流程和控制施工节奏，可以有效避免停工和重复作业，确保施工过程的连续性和高效性。

3.3 环境影响的减小

定向钻穿越技术在输水管道建设中的应用，显著减小了对周边环境的影响。由于采用非开挖方式，该技术避免了地表开挖对植被、土壤和水体的破坏，有效地保护了生态环境。同时，定向钻穿越技术的施工周期较短，产生的噪音和扬尘较少，对周边居民的生活和出行影响较小。此外，该技术还能够在不影响河流通航和防洪安全的前提下完成管道穿越施工，确保了河流的生态环境和通航安全。

4 定向钻穿越施工中的关键控制技术

4.1 地质条件适应性分析

在定向钻穿越施工之前，对穿越区域的地质条件进行详细调查和适应性分析是一项至关重要的工作。这一过程涉及对地层性质、地下水位、土壤类型及其物理力学特性的全面评估，以确保所选钻机、钻进工艺和泥浆参数能够适应特定的地质环境。对于砂层穿越，需要特别关注砂粒的粒径分布、含水量以及渗透系数等因素，因为这些参数直接影响到钻具的选择和泥浆的配比。在岩石层穿越的情况下，则需重点考察岩石的硬度、裂隙发育情况及风化程度，以确定是否需要使用硬质合金或金刚石钻头，并相应调整泥浆的密度和粘度，确保钻孔过程中能够有效冷却钻头、携带钻屑并维持孔壁稳定。通过详尽的地质条件适应性分析，可以为后续施工提供可靠的数据支持，从而优化施工方案，提高施工效率和安全性。

4.2 导向孔钻进控制

导向孔钻进作为定向钻穿越施工的核心环节，其精准度直接关系到整个工程的成功与否。在钻进过程中，导向系统能够实时采集钻头的深度、位置和角度等关键数据，并通过无线传输或有线连接的方式将信息反馈至地面控制中心。基于这些数据，操作人员可以迅速作出判断，适时调整钻头的方向和姿态，确保导向孔轨迹严格按照设计图纸的要求进行。此外，钻进速度和钻压的控制同样不容忽视，过快的钻进速度可能导致地层不稳定，而过大的钻压则会增加钻具磨损，甚至引发卡钻事故。因此，合理设定钻进参数，保持适当的钻速和钻压，对于保护地层结构、延长钻具使用寿命具有重要意义。通过精细的导向孔钻进控制，不仅可以提高施工精度，还能有效降低施工风险，保障工程顺利进行。

4.3 扩孔工艺优化

扩孔工艺的优化对于提升定向钻穿越施工效率和管道敷设质量至关重要。在扩孔阶段，需依据孔道直径和地质条件精心挑选扩孔器，并确定合理的扩孔级数。对于不同直径的管道穿越，扩孔器的选择需兼顾强度与灵活性，以确保在扩孔过程中既能有效破碎地层，又不会对孔壁造成过度损伤。同时，扩孔速度和泥浆参数的控制亦需严格遵循既定标准，以防止因扩孔速度过快而导致孔壁坍塌，或因泥浆性能不佳而影响扩孔效果。例如，在执行大口径管道穿越任务时，采用大级差扩孔工艺可以显著减少扩孔次数，提高施工效率。通过不断优化扩孔工艺，不仅能够加快施工进度，还能有效提升管道敷设的质量，为后续运营维护奠定坚实基础。

4.4 泥浆参数调整

泥浆在定向钻穿越施工中扮演着至关重要的角色，其主要功能包括冷却钻头、携带钻屑以及稳定孔壁。针对不同的地质条件和施工阶段，适时调整泥浆配方和参数显得尤为必要。例如，在穿越砂层时，选择具有良好悬浮性和流变性的泥浆材料尤为重要。这是因为砂层中颗粒间的空隙较大，容易导致泥浆中的固相物质沉降，进而影响泥浆的稳定性。为此，需要选用具有低滤失率、高悬浮能力和优良流变性能的泥浆，以确保钻屑能够被充分携带出孔道，同时对孔壁形成有效的支护作用，防止孔壁坍塌。而在岩石层穿越时，则需注重泥浆的润滑性和冷却效果，适当增加泥浆的密度和粘度，以减少钻头与岩石之间的摩擦力，延长钻具使用寿命。

5  结束语

综上所述，输水管道定向钻穿越技术作为一种非开挖敷设方式，在复杂地质条件下的应用中展现出独特的技术优势和广泛的应用前景。通过深入研究和不断优化施工技术和工艺参数，定向钻穿越技术将在未来输水管道建设中发挥更加重要的作用。在实际应用中，需充分考虑地质条件、施工效率和环境影响等因素，科学制定施工方案和措施，确保施工质量和安全。同时，还需加强施工过程中的监测和管理，及时发现和解决施工中的问题，提高整体施工水平和效益。

参考文献

[1]王强,吴国强,林皆良,等.底拖与定向钻组合技术在海底输水管道铺设中的应用及优化[J].中国港湾建设,2024,44(08):88-92.

[2]马晓未,刘屹,李爽.水平定向钻在输水管道穿越保沧干渠工程中的应用[J].水科学与工程技术,2023,(01):36-40.