水平定向钻穿越管道敷设施工工艺

技术领域

本发明涉及管道非开挖穿越施工技术领域。更具体地说，本发明涉及一种水平定向钻穿越管道敷设施工工艺。

背景技术

在市政工程中，市政供水管网的传统施工工艺为开挖沟槽敷设地下管道方法，传统施工工艺工序繁琐且成本费用较高，对道路交通和环境影响很大，给人们生活带来不便，引发的社会、交通、环境保护问题愈来愈受到人们的关注，城市限制开挖施工的法规也陆续出台。同时，传统开挖沟槽敷设地下管道在城镇化日益突出的时期所消耗的人员、机械、材料相对都比较突出。而新型水平定向钻穿越敷设管道相对传统施工工艺不但施工成本费用较低，而且施工工艺简单高效，在施工安全性、质量保证、工期、经济方面的优势明显，具有很大的应用前景。

水平定向钻穿越管道敷设施工主要存在两个重难点：一是管道上浮，即管道在拖拉过程中由于管道内空且比重小于泥浆比重，管道始终悬浮于孔道上部，造成拖拉力过大或高程偏差超过规范要求；二是路面沉降，即由于本申请针对的项目所处地质条件，该施工区间土质为粉质粘土及流砂，且地下水丰富，极易出现孔道塌方等，造成路面塌陷。针对上述两个重难点，如何设计水平定向钻穿越管道敷设施工工艺是本申请所要解决的技术问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种水平定向钻穿越管道敷设施工工艺，使地下管道敷设施工的难度降低，施工过程中的安全系数提高，施工效率也明显的提高。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种水平定向钻穿越管道敷设施工工艺，包括如下步骤：

步骤一、导向孔钻进施工，调整水平定向钻的导向杆到略高于设计管道位置中心高程的位置，水平定向钻入土，按照设计的钻孔曲线进行导向孔施工；

步骤二、扩孔施工，当导向孔施工完成，全面贯通后，将水平定向钻的钻杆与扩孔器联接，扩孔器后联接防护管，沿着导向孔的钻孔曲线一次性完成扩孔施工，扩孔器的扩孔孔径略大于防护管的外径，在扩孔施工时，将防护管拖入至完成的扩孔内；

步骤三、牵引管道施工，待管道焊缝和管道强度检验合格后，将管道联接至水平定向钻的钻杆上，通过水平定向钻牵引管道穿设于防护管内，在管道全部敷设完成后，在防护管与管道之间的间隙中注入砂浆，完成管道的敷设施工。

优选的是，所述扩孔器后端通过连接箱连接所述防护管，所述连接箱为中空结构且内部设置有吸泥泵，所述吸泥泵连接所述连接箱外部的吸泥管，所述吸泥管沿着所述防护管内部延伸至地面上。

优选的是，所述步骤二中还包括在防护管外侧进行注浆，以加强防护管与扩孔之间的联接强度，所述防护管顶面沿其长度方向竖直向内均匀间隔设置有数组注浆孔，每组注浆孔均为一对且对称设置，所述防护管在其侧面的不同高度均设置有一对贯通至所述防护管外侧的贯通孔，一对贯通孔恰好一一对应贯通每组注浆孔对应的一对注浆孔，所述吸泥管延伸至地面上后联接至外部的泥浆过滤箱，经过过滤箱处理后的泥浆用于通过所述防护管的注浆孔对防护管外侧进行注浆。

优选的是，所述扩孔器联接水平定向钻的钻杆的前端为锥形，所述扩孔器前端的切削刀盘上设置有泥浆喷嘴，泥浆通过水平定向钻的钻杆连通至喷嘴上后喷出，喷出的泥浆与扩孔器扩孔形成的钻屑混合后通过连接箱内的吸泥泵吸入至连接箱内，并通过吸泥管排出。

优选的是，所述步骤二中扩孔形成的钻孔直径大于管道外径的1.5倍。

优选的是，所述步骤三中，牵引管道时，焊接管道时预留足够长度，使管道尾部露出地面，并连接设置于地面上的推管机，所述推管机与防护管或管道设置为可拆卸活动连接。

优选的是，所述推管机通过夹持机构与所述管道或防护管连接，所述夹持机构与所述推管机的推拉油缸连接，所述夹持机构包括：定位柱，其为圆柱形且直径小于管道的直径，所述定位柱的一端卡入至所述管道或防护管内，另一端连接所述推管机的推拉油缸，并通过推拉油缸推动所述定位柱带动所述管道或防护管移动；限位板，其靠近所述定位柱位于所述管道或防护管的一端固定设置于所述定位柱上，所述限位板沿所述定位柱的周向均匀间隔设置多个，所述限位板的外端及靠近所述定位柱的内端均设置有卡扣；连接套，其对应每个限位板均设置一个，所述连接套可拆卸连接于所述限位板的卡扣上；连接撑，其对应每个连接套均设置一个，所述连接撑一端固定于所述连接套上，另一端朝向所述管道或防护管延伸设置，所述连接撑的内侧面为弧形且紧贴所述管道或防护管的外侧壁弧面设置，所述连接撑外侧面设置有内凹的卡槽，其也为弧形，多个连接撑的卡槽通过一个环形的弹性带弹性卡合。

优选的是，所述管道外侧均匀间隔设置有多个定位导向机构，其包括：固定环，其环向固定设置于所述管道外侧壁上；润滑耐磨块，其为润滑材料制成且具有耐磨性，所述润滑耐磨块紧贴所述管道内壁面环向间隔设置多个；第一导向柱，其设置多个且一一对应固定设置于多个润滑耐磨块上；第二导向柱，其设置多个且一一对应多个第一导向柱，所述第二导向柱固定于所述固定环上，所述第一导向柱和第二导向柱相互滑动套设设置，所述第一导向柱和第二导向柱相对的外端均设置有限位圆盘；导向弹簧，其套设于所述第一导向柱和第二导向柱的外侧，所述导向弹簧的两端分别固定于所述第一导向柱和第二导向柱的限位圆盘上。

优选的是，在水平定向钻的导向钻头中安装发射器，其测得钻头的深度、钻孔顶角、钻头温度参数，所述发射器与地面设置的接收器进行信号连接，所述接收器与水平定向钻上的控制器信号连接，所述接收器将接收到的发射器测得的参数传输给控制器，所述控制器将测得参数与设计的钻孔理论轨迹对应的参数进行对比，根据对比的参数偏差调整钻机的钻机轨迹。

本发明至少包括以下有益效果：

1、安全性：将大量的既有道路破除、沟槽支护、沟槽开挖、沟槽降水、回灌、道路恢复等工作量省掉，可以大幅度减少工作量，保障现场施工安全管理，确保现场安全风险最低。

2、施工成本：本申请的水平定向钻穿越管道敷设施工技术，初步概算可节约劳动力40％、施工机械50％；由于简化了施工工序，使原本需较长工期的施工工序合成一道工序，施工效率大大提高，综合考虑可节约30％～40％的施工成本。

3、施工工期：在施工中免去了道路破除、沟槽开挖、沟槽降水、回灌、道路恢复等繁琐工序，同时水平定向钻穿越管道敷设施工，进出场地速度快，施工场地可以灵活调整，尤其在城市施工时可以充分显示出其优越性，并且施工占地少，工程造价低，施工速度快，工期相比传统开挖管道敷设施工工期能缩短约40％。

4、社会环保效益方面：定向钻穿越施工具有不会阻碍交通，不会破坏绿地，植被，不会影响商店，医院，学校和居民的正常生活和工作秩序，解决了传统开挖施工对居民生活的干扰，对交通，环境，周边建筑物基础的破坏和不良影响。采用水平定向钻机穿越施工时，没有水上、水下作业，不影响江河通航，不损坏江河两侧堤坝及河床结构，施工不受季节限制，具有施工周期短人员少、成功率高施工安全可靠等特点，对现场文明施工及环保方面起到了很大的促进作用。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的施工结构示意图；

图2为本发明扩孔器的结构放大图；

图3为本发明防护管的结构示意图；

图4为本发明夹持机构的结构示意图；

图5为本发明定位导向机构的结构示意图。

附图标记说明：

1、水平定向钻，2、钻杆，3、扩孔器，4、防护管，5、连接箱，6、吸泥管，7、吸泥泵，8、推管机，9、注浆孔，10、贯通孔，11、定位柱，12、限位板，13、连接套，14、连接撑，15、卡槽，16、固定环，17、润滑耐磨块，18、第一导向柱，19、第二导向柱，20、限位圆盘，21、导向弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供一种水平定向钻1穿越管道敷设施工工艺，包括如下步骤：

步骤一、导向孔钻进施工，调整水平定向钻1的导向杆到略高于设计管道位置中心高程的位置，水平定向钻1入土，按照设计的钻孔曲线进行导向孔施工；

步骤二、扩孔施工，当导向孔施工完成，全面贯通后，将水平定向钻1的钻杆2与扩孔器3联接，扩孔器3后联接防护管4，沿着导向孔的钻孔曲线一次性完成扩孔施工，扩孔器3的扩孔孔径略大于防护管4的外径，在扩孔施工时，将防护管4拖入至完成的扩孔内；

步骤三、牵引管道施工，待管道焊缝和管道强度检验合格后，将管道联接至水平定向钻1的钻杆2上，通过水平定向钻1牵引管道穿设于防护管4内，在管道全部敷设完成后，在防护管4与管道之间的间隙中注入砂浆，完成管道的敷设施工。

在上述技术方案中，传统的施工工艺是导孔、扩孔、回拖管道三步完成，且三步单独施工，本申请项目的施工区间土质为粉质粘土及流砂，且地下水丰富，极易出现孔道塌方等，造成路面塌陷，极易发生沉降风险，如果采用传统的扩孔完成再进行回拖管道施工，则扩孔直径大，无任何支撑，极大可能发生沉降风险，造成整个管道敷设扩孔的施工失败，不仅无法顺利进行管道敷设施工，还会造成原有路面的损坏，因此传统的施工方式无法应用到本申请项目中，因此本申请在扩孔施工时，在扩孔器3后面联接有防护管4，其跟随扩孔器3进入至扩孔中，通过防护管4的紧随支撑，实现扩孔的稳定性，不会发生沉降的风险，防护管4的直径略小于扩孔直径，实现顺利紧随扩孔器3进入至扩孔中，如果防护管4的直径与扩孔直径相同，则扩孔器3拖拽困难，无形中增加了扩孔的直径，提高了施工的工作量及施工难度，如果防护管4的直径过小，则无法起到扩孔支撑减小路面沉降风险的效果。防护管4的直径略小于扩孔器3的直径，而扩孔的直径一般为管道直径的1.5倍以上，管道恰好能敷设于防护管4内。通过防护管4的设置，后续管道的敷设直接在防护管4中进行，也不存在管道在泥浆中拖拽，管道上浮的问题。在管道回拖顺利进行过程中，既不会损伤防腐涂层，也能保证管道有足够的强度安全余量。

在另一种技术方案中，如图2所示，所述扩孔器3后端通过连接箱5连接所述防护管4，所述连接箱5为中空结构且内部设置有吸泥泵7，所述吸泥泵7连接所述连接箱5外部的吸泥管6，所述吸泥管6沿着所述防护管4内部延伸至地面上。

在上述技术方案中，通过扩孔器3扩孔后，将产生很多钻屑，传统的施工工艺中，钻屑直接与泥浆混为一起，通过泥浆的流动携带至钻孔外，此种方式容易存在卡钻的风险，不适合直接采用水平定向钻1的穿设施工，因此通过设置连接箱5将泥浆与钻屑通过吸泥管6排出至地面外。

在另一种技术方案中，如图3所示，所述步骤二中还包括在防护管4外侧进行注浆，以加强防护管4与扩孔之间的联接强度，所述防护管4顶面沿其长度方向竖直向内均匀间隔设置有数组注浆孔9，每组注浆孔9均为一对且对称设置，所述防护管4在其侧面的不同高度均设置有一对贯通至所述防护管4外侧的贯通孔10，一对贯通孔10恰好一一对应贯通每组注浆孔9对应的一对注浆孔9，所述吸泥管6延伸至地面上后联接至外部的泥浆过滤箱，经过过滤箱处理后的泥浆用于通过所述防护管4的注浆孔9对防护管4外侧进行注浆。

在上述技术方案中，防护管4紧随扩孔器3完成扩孔并支撑于孔内后，防护管4与孔壁之间还具有间隙，虽然有部分泥浆在间隙中，但是为进一步增强防护管4与孔壁之间的联接强度，通过提高地面的稳定性，需要对防护管4与孔壁之间的间隙进行进一步的注浆，使得防护管4与孔壁之间形成稳定的联接结构。对所有的注浆孔9同时进行注浆，实现对防护管4外侧的不同位置进行同步注浆，直至某个注浆孔9的浆液反流，说明注浆完成，停止注浆。连接箱5内排出的泥浆与钻屑混合的浆液通过外部的泥浆过滤箱过滤后，作为新的注浆液对防护管4外侧进行注浆，对废物重新再利用，可以节省成本，有利于环境保护。

在另一种技术方案中，所述扩孔器3联接水平定向钻1的钻杆2的前端为锥形，所述扩孔器3前端的切削刀盘上设置有泥浆喷嘴，泥浆通过水平定向钻1的钻杆2连通至喷嘴上后喷出，喷出的泥浆与扩孔器3扩孔形成的钻屑混合后通过连接箱5内的吸泥泵7吸入至连接箱5内，并通过吸泥管6排出。

在上述技术方案中，在扩孔器3扩孔过程中，通过锥形的扩孔器3，实现一次性扩孔完成，避免了通过多次分级扩孔对地面造成的扰动，增加了扩孔的稳定性。扩孔器3上的喷嘴喷出泥浆，泥浆与钻屑混合，或者泥浆与扩孔完成的孔壁土质混合，形成软性黏性的状态，相较于原有的孔壁土质，减小了扩孔器3后的防护管4入孔的阻力。泥浆与钻屑混合后通过连接箱5排出，也能减小防护管4入孔的阻力。

在另一种技术方案中，所述步骤二中扩孔形成的钻孔直径大于管道外径的1.5倍，既能够保持泥浆流动畅通又能保证管线的安全、顺利的拖入孔中。

在另一种技术方案中，所述步骤三中，牵引管道时，焊接管道时预留足够长度，使管道尾部露出地面，并连接设置于地面上的推管机8，所述推管机8与防护管4或管道设置为可拆卸活动连接。

在上述技术方案中，不管是防护管4还是管道入孔时，为提高入孔的效率，降低入孔的阻力，通过推管机8辅助水平定向钻1对防护管4或管道进行牵引入孔。推管机8与防护管4或管道设置为可拆卸活动连接，实现根据需要连接防护管4或管道，活动连接以更好地适应防护管4或管道的入孔。

在另一种技术方案中，如图4所示，所述推管机8通过夹持机构与所述管道或防护管4连接，所述夹持机构与所述推管机8的推拉油缸连接，所述夹持机构包括：定位柱11，其为圆柱形且直径小于管道的直径，所述定位柱11的一端卡入至所述管道或防护管4内，另一端连接所述推管机8的推拉油缸，并通过推拉油缸推动所述定位柱11带动所述管道或防护管4移动；限位板12，其靠近所述定位柱11位于所述管道或防护管4的一端固定设置于所述定位柱11上，所述限位板12沿所述定位柱11的周向均匀间隔设置多个，所述限位板12的外端及靠近所述定位柱11的内端均设置有卡扣；连接套13，其对应每个限位板12均设置一个，所述连接套13可拆卸连接于所述限位板12的卡扣上；连接撑14，其对应每个连接套13均设置一个，所述连接撑14一端固定于所述连接套13上，另一端朝向所述管道或防护管4延伸设置，所述连接撑14的内侧面为弧形且紧贴所述管道或防护管4的外侧壁弧面设置，所述连接撑14外侧面设置有内凹的卡槽15，其也为弧形，多个连接撑14的卡槽15通过一个环形的弹性带弹性卡合。

在上述技术方案中，图4所示为夹持机构夹持管道的结构示意图，定位柱11的直径小于管道的直径，一般设置为略小于即可。在通过夹持机构夹持管道时，连接套13与限位板12内端的卡扣连接，通过多个限位板12限位定位柱11的位置，然后再通过弹性带弹性卡合于连接撑14的卡槽15内，实现将整个夹持机构夹持于管道上，弹性带始终处于弹性拉长的状态，将管道外侧的连接撑14紧贴固定于管道外壁面上。当通过夹持机构夹持防护管4时，防护管4直径较大，此时连接套13对应卡合于限位板12的外端卡扣上，此时连接撑14恰好紧贴防护管4的外侧壁设置，同管道的固定方式一样，通过弹性带弹性卡合连接撑14于防护管4上。

在另一种技术方案中，如图5所示，所述管道外侧均匀间隔设置有多个定位导向机构，其包括：固定环16，其环向固定设置于所述管道外侧壁上；润滑耐磨块17，其为润滑材料制成且具有耐磨性，所述润滑耐磨块17紧贴所述管道内壁面环向间隔设置多个；第一导向柱18，其设置多个且一一对应固定设置于多个润滑耐磨块17上；第二导向柱19，其设置多个且一一对应多个第一导向柱18，所述第二导向柱19固定于所述固定环16上，所述第一导向柱18和第二导向柱19相互滑动套设设置，所述第一导向柱18和第二导向柱19相对的外端均设置有限位圆盘20；导向弹簧21，其套设于所述第一导向柱18和第二导向柱19的外侧，所述导向弹簧21的两端分别固定于所述第一导向柱18和第二导向柱19的限位圆盘20上。

在上述技术方案中，管道沿防护管4牵引时，如果直接牵引，一方面管道会接触防护管4内部，造成摩擦力较大，阻力较大，不利于牵引，同时还会对管道造成一定的磨损，另一方面管道的中心线也可能会发生偏移，因此本申请在管道牵引时在管道外侧间隔设置多个定位导向机构，对管道的牵引进行引导。通过固定环16将定位导向结机构焊接固定于管道外侧壁，在管道移动过程中，通过导向弹簧21以及第一导向柱18和第二导向柱19的滑动套设实现管道始终沿着一定中心轴线偏移的范围进行移动，并且不管管道内发生何种变化，导向弹簧21的弹性设置能使得定位导向机构具有一定的伸展空间。通过润滑耐磨块17的润滑及耐磨性设置，使得定位导向机构能在一定程度上辅助管道移动，减小移动的阻力。

在另一种技术方案中，在水平定向钻1的导向钻头中安装发射器，其测得钻头的深度、钻孔顶角、钻头温度参数，所述发射器与地面设置的接收器进行信号连接，所述接收器与水平定向钻1上的控制器信号连接，所述接收器将接收到的发射器测得的参数传输给控制器，所述控制器将测得参数与设计的钻孔理论轨迹对应的参数进行对比，根据对比的参数偏差调整钻机的钻机轨迹。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。