非开挖干货 水平定向钻施工全过程，含视频！

什么是水平定向钻？

水平定向钻机 (英文简称：HDD）是在不开挖地表面的条件下，铺设多种地下公用设施(管道、电缆等)的一种施工机械，它广泛应用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等柔性管线铺设施工中，它适用于沙土、粘土、等地况，不适宜地下水位较高及卵石地层，我国大部分非硬岩地区都可施工。

水平定向钻的施工特点

1. 定向钻穿越施工具有不会阻碍交通，不会破坏绿地，植被和建筑，不会影响居民的正常生活和工作秩序。

2. 现代化的穿越设备的穿越精度高，易于调整敷设方向和埋深。

3. 城市管网埋深一般达到三米以下，穿越河流时，一般埋深在河床下 9—18米。

4. 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。

5. 进出场地速度快，施工场地可以灵活调整。

6. 预扩孔，是在地质情况和地下管线探测或勘测清楚的情况下逐级按照管径大小的1.3~1.5倍把孔回扩到预期直径的大小。

下面就让小编给大家讲解一下水平定向钻机到底是如何施工的吧~(拉至最下方可直接观看视频）

图中展示了一个跨越河流、轨道以及自然环境保护区的地下管道项目。

在水平定向钻施工初期，需设立两个关键施工区，管道始发点和接收点。

始发区内施工布置

钻头衔接着先导管由钻机中伸出，朝地下钻去

水平定向钻在土层中作业

钻机驶入土层后，始发区内需陆续拼接先导管，以延长钻头在地下铺设的距离

定向钻头一路贯通至接收区，一条细长的地下管洞就此诞生

为了扩大管洞的直径，一个直径12英尺的“大块头”扩孔器出场了，它缓缓驶入土层中，凭借自己的体积将原本狭窄的管洞“撑开”，以便更大直径的管道铺设在管洞中。

“大块头”扩孔器在土层中作业，后面带着长长的“小尾巴”-- 提前焊接好的钢管，随着扩孔器在土层中前行，钢管也随之被铺设在了管洞之中。

当扩孔器突破土层，钢管在其牵引下成功贯出！

看到这相信大家对水平定向钻机的施工方法都有了大致的了解， 点击下方视频可以观看完整的施工过程哦~

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水平定向钻穿越施工风险识别及应对措施

定向钻进施工技术是根据地质水文资料特点设计完成的一项非开挖穿越技术。其主要包括定向钻进、预扩孔、管道回拖3个主要工序。穿越质量会受到穿越距离、地勘测量精度、设计思路及穿越点选择等因素影响。实际作业过程中会存在很多不确定因素，要求施工期做好安全和技术交底工作，确保管道定向穿越施工顺利进行。

本工程施工特点：

本段穿越工程位于黄河内蒙古段，管道设计压力3.0MPa，穿越水平长度约为800m，出入土角为12°，曲线长度为191.637m。出、入土段曲线曲率半径915m (D)材质选用直缝双面埋弧焊钢管。穿越地带黄河漫滩面积较大，河床落差约为5.8m，黄河水面相对高度为2.0~3.0m。出入土点地面高程落差介于-m。地勘资料显示，施工作业区地层结构主要由砂类及黏性土组成。场地实测剪切波速介于250~500m/s，属中硬土，根据穿越工程的钻探成果，穿越区场地覆盖层厚度一般大于5.0m，故施工场地类别为Ⅱ类。

本文研究通过“鱼刺图”的风险识别方法分别从定向钻进、预扩孔及管线回拖3个重要工序对定向穿越进行风险识别，为风险应对提供科学依据。

定向钻进阶段风险因素辨识

定向钻进是水平定向钻穿越施工的模拟曲线绘制完成后的第一个关键工作。按照施工图设计路线，在控向仪指引下按照拟定的设计路线钻进施工，其穿越尽量控制在设计参数允许的误差范围之内，主要控制参数有出入土角、曲率半径、深度等。根据定向钻进阶段施工所蕴藏的安全风险，绘制相应的风险识别图，如下图所示。

定向钻进阶段风险鱼刺图 扩孔阶段风险因素辨识

扩孔是钻机系统水平定向钻穿越施工的重要节点，也是检验泥浆配比是否合理、钻机选型是否匹配、扩孔频次是否科学的重要环节。在确保成型完好的前提下，预扩孔不允许出现塌方和缩径现象。在扩孔作业过程中，泥浆配比准确性是保障孔壁稳定性和光滑度重要因素，其有利于成孔质量。根据扩孔阶段所隐藏的风险因素，本文研究绘制相应的风险识别图，如下图所示

扩孔阶段风险鱼刺图管道回拖阶段风险因素辨识

管道回拖是三大关键工序中的最后一道施工工序，实施前需要对成品管道进行防腐层电火花检验，分析回拖设备选型是否匹配、模拟数据是否与设计文件相符、连接件质量是否合格、技术交底是否到位，确保风险可控。根据管道回拖阶段所隐含的风险因素，现将“管道回拖阶段风险”作为“鱼头”，绘制相应的风险识别图，如下图所示。

管道回拖阶段风险鱼刺图风险应对措施

一、设计阶段风险控制

设计风险主要从方案的科学性、地勘资料精准度、拟选用的技术成熟性等方面考虑。定向钻穿越地质、水文资料的精确度不仅直接关系定向穿越的出入土点定位，还直接关系钻机、钻头、材料选型、管道防腐方式以及泥浆配比。

二、施工阶段风险控制

1. 破坏应力与防腐检验。施工人员应严格按照设计文件和已批准的施工方案进行作业。防腐前需要对管道进行双100%的射线和超声检查，防腐后需要进行电火花检漏。

2. 出入土点定位。出入点选择期间，人们要根据管道穿越的长度、设计的入土角、出土角、模拟曲率半径以及管材的管径，选择合适的定位点，其间需要对照设计文件，在满足误差范围的情况下，由有经验的施工人员对钻机进行校准，然后进行实施。定向钻出土点位置需要形成出土角度坡向，采用袋装湿土，随地形变化而适当调整土坡，以增加土坡承载力和调整导向角的作用。

3. 机械设备风险控制。在机械设备入场前，关键设备需要做到一机一卡一备案，合格证明文件齐全，使用说明书、维护保养手册完整，维修记录、年鉴标识均在有效期内。

4. 避免成孔时出现S形缺陷。在作业过程中，要严格按照审批通过的施工方案进行，除了对施工钻杆控向角度进行严格控制，还要及时调整钻头规格，一旦施工过程偏离原设计曲线，就要及时报告技术人员按照应急预案进行调整。

5. 管线回拖。管线回拖过程中，要根据机械设备显示回拖力的大小控制好回拖的速度，根据批准的施工方案监控好泥浆配比。

三、管理风险应对

1. 人员风险。施工前需要对施工人员进行健康体检，严禁健康隐患者上岗，建立员工健康档案。要组织员工学习有关法律、法规及公司相关规章制度，进行HSE教育培训，包括安全防护用具和劳动保护用品的使用。特种作业人员要通过培训，持证上岗，技术和安全交底完成后方可作业。

2. 环境风险。在定向钻作业过程中，夜间作业安全措施尤为重要。夜间作业时，操作范围外延20m以外要具有足够的照明度，进入现场的人员实行登记制度，根据岗位性质，编排联络小组，分层次管理，专人负责，尤其在管道施压期间，设置警戒线，无关人员不得靠近。

结语

水平定向钻穿越技术导向精准、成功率高，不会对河床造成干扰。施工前，施工单位不仅要充分考虑夏季泄洪、冬季凌汛对河床整体结构及定向穿越管线所造成的影响，还要确保施工作业面范围内地质资料齐全、地下设施资料齐全，为定向穿越施工扫清风险隐患。

本文作者：张爱琳 武日成

版权归原作者所有，如有侵权请联系删除

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水平定向钻穿越复杂地质难点分析

水平定向钻技术为地下施工技术，地层的地质情况对定向钻施工的难易程度影响较大。自上世纪 80 年代以来，由于定向钻的精确定位系统的研发及定向钻系统水平的不断提高，另经过工程施工的实践，定向钻技术在各个地层的适应性逐步扩展。

目前定向钻进法比较适应的地层见下表：

虽然定向钻技术不断提高，且在工程中越来越多地应用，但是地层的适应性依然是制约定向钻施工的技术难题。

复杂地质条件分类

复杂地层条件包括：

（1）岩石地层：中风化或微风化的坚固性中等的岩石，即坚固性系数f≤4；

（2）卵砾石地层：主要由卵石、碎石、圆砾及角砾组成，粒径d>20mm的颗粒质量超过全重50%，且含一定数量圆砾与角砾的中密及稍密碎石土；

（3）砂土地层：包括砂砾、粗砂、中砂、细砂、粉砂及流砂在内的各种砂性土地层。复杂环境条件：施工场地比较狭小，且地下已建管线分布较多，穿越区域内存在地下建筑物，对于钻孔轨迹的设计与施工有较高要求。

复杂地层穿越难点分析

一、岩石地层穿越难点

岩石地层困难分析如下：

（1）岩石相对来说，非常坚硬，钻头进行导向孔或扩孔施工时，钻具磨损非常厉害， 钻头发热量大而易导致烧钻，同时钻进的速度较慢，人工机械、泥浆等各方面的消耗随之大幅度增加，增加施工成本；

（2）由于质地坚硬，在定向钻钻进过程中，难免会出现大颗粒岩屑，由于其密度较大，泥浆不易携带其排出孔洞，对后续回拖工作造成后患。

二、卵砾石地层穿越难点

卵砾石地层困难分析如下：

（1）由于卵砾石颗粒大小不等，使得导向钻头特别容易偏离设计的左右方向；

（2）如果卵石及砾石的比例较高的情况下，相应的此段地层的硬度就会变高，而导致定向钻导向孔及扩孔较难钻进；在卵石及砾石的比例较低的情况下， 如果胶结度不是很高，定向钻孔壁成型将会很差，易出现孔壁坍塌事故的发生，导致定向钻工程失败。同时由于存在卵砾石，在施工时，容易出现大的块石，不利于泥浆携带出孔洞。

（3）由于卵砾石的存在，地层透水性较强，易出现泥浆冒泡现象，存在较大的环境保护风险。如出现泥浆严重流失的情况，必须重复进行洗孔作业，不仅效率低下，而且会造成所有施工成本的增加。

（4）扩孔期间，孔洞内存在大量的卵砾石，加大了摩擦阻力，使钻具磨损严重。为有效携带其出洞，需增加泥浆泵泵压及流量，但这样会导致孔壁上卵砾石周边的胶结物随着泥浆的冲刷而流失，使得孔壁不得不稳定。

三、砂土地层穿越难点

在砂土层进行定向钻作业中，最大的难题就是定向钻孔洞的形成。由于砂土层质地较软且易流失，定向钻的孔洞难以成型，因此稳定孔壁是解决砂土层定向钻施工问题的关键所在。

现今定向钻施工中稳定孔壁的办法就是利用合适的配比的泥浆进行。但是在砂土层，为了稳定孔壁，必须增加泥浆粘度，在孔壁形成较厚的泥皮，但泥皮直接增加了管道回拖力，回拖越长阻力越大而导致失败。针对砂土层较浅的定向钻而言，使用套管来应对砂土层较为有效。但是，穿越砂土层较长的管道穿越工程就不好实现。

四、喀斯特地貌穿越难点

喀斯特地貌地段由于其特殊的地质条件，上述的岩石地层、卵砾石地层、砂土层均有可能存在，因此上述的各地层的穿越难点均可出现，或同时出现。

另由于水溶结果，导致岩石层存在溶洞、裂隙，在定向钻施工期间，容易出现钻头悬空而导致偏钻、钻头掉落、卡钻等现象的发生。如出现裂隙串联延伸，会出现泥浆大量流失，导致不返浆的情况发生，因此喀斯特地貌地段定向钻施工的风险极高。

结语

极为复杂的地层，如松散的砂土地层、卵砾石地层、硬岩地层等施工环境较差，施工成本高且施工风险非常大，穿越失败时常发生。由于喀斯特地貌地段的地层结构复杂，各种地层结构均有可能存在， 施工环境极为恶劣，且由于溶洞、裂隙的影响，使得施工难度大大增加，施工成本直线上升，施工风险极大，随时会出现定向钻施工的各种致命风险而导致钻孔失败。

本文作者：杜明

(版权归原作者所有，如有侵权请联系删除)

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处理「硬岩水平定向钻」工程的6个关键因素

过去几年里，水平定向钻的需求量急剧增加。未来十年，这一趋势将会持续增长。在不断增长的通信需求和能源需求的推动下，水平定向钻工程承包商在铺设地下电缆、管道时，将面对越来越多的挑战。

传统的水平定向钻钻具可以应用于许多工程。然而，这些产品在遇到岩石地层时并不能进行最有效的钻进。当工程承包商陷入困境时，不合适的钻具会延缓施工速度并增加成本。

针对硬岩地层，必须考虑这6个关键因素，才能顺利完工。

1. 使用气动潜孔锤 Use HDD Air Hammers for Rock图源：Vermeer

许多领先的水平定向钻工程承包商已采用气动潜孔锤在岩层中钻孔。与用于在软质地层中钻孔的传统定向钻钻具相比，潜孔锤具有很大的优势。最重要的是潜孔式钻具能够在许多不同的地层中钻孔，包括硬岩、破碎岩石、砾石、巨石和松散的地质。面对这些地质条件，潜孔式钻具有着最佳的的穿越成功率。简明地说，潜孔式钻具在钻进岩石时效率更高，可以将钻孔时间缩短一半甚至更多。

2. 在施工现场准备好所有钻具配件Have All Tooling Available Onsite图源：NUMA

地质条件和项目设计可能会随时发生变化，因此需要准备好钻具配件以应对施工的不同需求。正如前面所说， 针对不同的钻进地层有不同的钻具。泥土地层需要传统的、常见的刀具或钻具组件，岩石地质则需要潜孔锤。操作人员还需要在回扩的过程中使用分动器连接在回扩器和管材之间，使回扩器转动时，管材保持不转，只受到拖动力而不受扭矩，以免管道产生扭曲，保持管材不受损。另外，建议使用液压卸扣钳，更加安全。最后要准备好一些消耗品，比如：钻杆、八方套、钻头、导向钻头等。操作人员们需要提前做好准备，避免在工程现场手忙脚乱。

3. 时常维护钻具以延长使用寿命 Maintain Tools to Promote Long Life图源：pixabay

适当对钻具进行维护是一件简单的事情，但被许多承包商忽略了。他们经常把钻具直接收起来，然后到下一个工程再拿出来。其实在每个项目结束后，应该及时清理所有钻具。操作人员应确保在工程完成后润滑分动器；对于气动潜孔锤，一定要在使用后把空气排干净，然后将潜孔锤水平放置，在干燥的环境中保存。长期闲置时，应拆卸潜孔锤，检查各个部件，确保所有部件正常运作，钻具内壁没有被污染。

4. 选择硬岩钻具时需要考虑的因素 Considerations When Buying HDD Rock Driling Products

钻具的性能差异颇大，正所谓“一分钱一分货”，从钻机到钻头所有钻孔组件都需要匹配一致。工程商应该严格选择钻具，避免鱼目混珠影响工程质量。选择硬岩钻具应该注意以下几点：

1. 钻机性能需与施工地质条件相匹配；2. 评估钻具成本和施工成本；3. 考虑是否需要特定钻具和设备；4. 优先考虑具备导向功能的，渗透率高，施工场地维护简易以及施工成本低的钻具；5. 优先选择口碑好的钻具厂家；6. 与工程专家团队高度配合。

5. 硬岩定向钻项目中常见问题 Common Mistakes

工程前期做好充分的评估和项目计划能最大程度避免常见错误的发生，一名合格的项目工程师需要做到以下几点：1. 在项目开始前，需准确了解地质情况，制定对应的施工方案；2. 谨慎挑选钻具，钻具的性能应尽可能符合施工需求；3. 确保钻孔径为管道直径的1.5倍，不可过大或过小；4. 遇到困难时，及时咨询专家团队意见。

6. 保持钻具清洁 Avoid Contamination图源：NUMA

以潜孔锤为例，潜孔锤以压缩空气作为动力，活塞在气缸内往复运动，从而反复冲击钻头尾部，实现冲击钻头连续工作，对需要破碎的岩石产生高频的能量冲击。同时，气体在一定的风速条件下冷却钻头并排粉以实现钻进目的。使用前需确保钻具清洁，避免施工中出现阻卡现象。随着地下光纤、通讯及其他市政项目的日益发展，具备专业操作知识和丰富钻孔经验的项目团队才能成为把握行业形态的领先者。

“非开挖技术是一种经得起时间考验的管道施工方法，它使我们与日新月异的地下工程紧密相连。"—— Dave Gorman （美国NUMA钻具公司副总裁）

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