非开挖工程技术准备

1.1.1 地下现状管线勘查

根据工程所能提供的工程现场地下管网资料，对现场地下管网进行复查，准确掌握地下各种管线和其他基础设施的分布及埋深，为导向孔轨迹提供准确的设计依据。

1.1.2 地形地貌测量

根据市政管理部门审批的路由，按施工区域地形及路线定出钻孔轴线，沿轴线的地表走向标定地面有效标定点的距离和方位以及各个标定点的地面标高（或高差），为导向孔施工时地面跟踪监测提供准确依据。

1.1.3 现场地质勘查

掌握钻孔工作区地层特征，为成孔工艺提供钻探参数。

2.1.4 设计理论导向参数表

画出设计敷管路由图及设计敷管轨迹断面图，将以上勘测结果反映在图上，制订工艺方案。

非开挖工程施工场地准备

1.2.1 施工场地

文明施工，施工区域要安装防护围栏，施工机械、机具和材料要按规范安装和堆放，需占用道路或人行道的区域应设置明显的施工安全标识，引导车辆和行人合理分流，夜间要设立反光标识和警示灯，施工区域分为机械作业区和下管作业区。

1.2.2 作业工作坑

根据施工工艺要求开挖入射作业坑及下管作业坑，同时做好作业坑的支护和降水工作。

1.2.3 机械进场及安装

施工机械进场就位需调用汽车和吊车，通常要临时占用道路；吊装现场须设好临时路障等安全设施；钻机、动力站和施工器具就位要充分利用现有场地空间，合理布局；安装钻机的地基必须坚实、平整，对松软地基必须进行加固后才能安装钻机，钻机安装在入射点处，调整钻机倾角为设计入射角后固定钻机；连接动力站，连接泵站。

1.2.4 导航仪器标定

将探头装入导向钻探头盒中，将导向钻头放置在无其他信号干扰的场地内，打开导航仪，检查导航仪工作情况并进行标定。

非开挖工程施工步骤

1.3.1 导向孔施工

施工准备：将导向钻头安装连接，检查探头发射的各个参数是否正常，探头电池容量是否足够。

开孔：为保证入射角的准确和稳定，开孔时须保持连续钻进至少2.5m，同时宜采用低钻速、小泵量、慢进尺。

造斜钻进：调整钻头工具面向角至需要角度，钻机顶进形成造斜段，导航仪跟踪监控钻头仰角的变化，根据不同的土层，顶进结合钻进，勿使仰角的变化超过钻杆的最小曲率半径。

保直钻进：钻机匀速回转钻进，给进速度尽量快，使导向孔直线段更平直。

设计导向钻进参数表。

1.3.2 回拉扩孔

孔径设计：根据敷设管道的直径和根数计算需要成孔的最小直径，既不能过大，也不可过小，成孔直径过大，敷设管道周围土层坍塌易造成路面下陷，成孔直径过小，会使拉管阻力增大，引起脱管或管道变形。

分级扩孔：各级扩孔分别为一级φ200mm、二级φ250mm、三级φ300mm、四级φ400mm、五级φ500mm等。根据设计的成孔直径，由小到大分级扩孔，直至扩到工艺要求的孔径。

孔壁加固：扩孔的同时通过扩孔钻头向孔中注入泥浆，泥浆的浓度根据不同的土层条件来配制。泥浆渗透到孔壁中，通过扩孔钻头的挤压和磨擦，起到对孔壁的维护和稳定作用。

回拉敷管：拉管过程中的回拉力要克服管道与孔壁摩擦力，成孔的质量与导向孔的曲线形状以及扩孔工艺有着密切关系，正常情况下敷设PVC或PE管的回拉力不应超过5kN，拉力过大会造成管材断裂或变形。

非开挖技术在国外已广泛使用，在国内也逐渐普及。不开挖地面，就能穿越公路、铁路、河流，甚至能在建筑物底下穿过，是一种能安全有效地进行环境保护的施工方法。

非开挖技术不开挖地面，故而被铺设管道的上部土层未经扰动，管道的管节端不易产生段差变形，其管道寿命亦大于开挖法埋管。

采用房下非开挖技术能节约一大笔征地拆迁费用，减少动迁用房，缩短管线长度，有很大经济效益。

非开挖技术（Trenchless Technology or No-Dig）是指利用岩土钻掘、定向测控等技术手段, 在地表不挖槽和地层结构破坏极小的情况下, 穿越河流、湖泊、重要交通干线、重要建筑物，实现对诸如供水、煤气、天然气、污水、电信电缆等公用管线的检测、铺设、修复与更换的施工技术。

在城市化的过程中，非开挖技术是一种适时的、有力的、不可代替的先进手段，是完成城市水、气、电、通讯等生命线工程施工的必备技术，也是地下空间利用必须掌握的基本技术之一，是对地下工程施工常规工法的重要补充，有时也是唯一的选择，是我国建设部、美国、欧洲、日本和俄罗斯等国家鼓励和优先推广技术。近二十年来，非开挖技术的发展与城市的兴荣息息相关。

常用的非开挖技术采用导向钻管法，以下以东明河顶管工程实例详细介绍导向钻管的技术。

非开挖工程概况

岐江河东明大桥西侧穿越工程位于中山市东明大桥西侧，穿越地点选在东明大桥侧河道，离南岸桥支墩38m位置，两岸河堤之间宽度为112m，水深5m。由于石岐河水位受涨潮退潮影响，航道需正常通航，不能封航，因此工程采用定向钻技术，以非开挖方式进行煤气管道穿越。该工程为一条φ273×9钢管穿越，穿越长度约为280m，最大穿越深度：自然地面以下10m；钻机入土点位于河南侧，出土点位于河北侧。入土角度为10°，出土角度6°，钻进曲率半径为488m。该工程为小型穿越，定向钻技术具有相对成本较低，工期短，不阻碍交通等优点，随着工艺的不断改进，该种施工工艺在管道燃气、自来水、电力和电信部门已开始普遍使用。现以上例子介绍一下其具体操作过程及注意事项。

非开挖编制依据

①《输油输气管道线路工程施工及验收规范》SY0401—98；

②《水平定向钻进管线铺设工程技术规范》CSTT；

③《石油天然气管道穿越工程施工及验收规范》SY/T4079—2003；

④《长输管道线路工程施工及验收规范》SYJ4001—98；

⑤《原油和天然气输送管道穿越工程设计规范穿越工程》SY/170015．1—98；

⑥《输气管道工程设计规范》GB50251—94；

非开挖现场条件

施工场地平坦，穿越地段高低不平，钻机场地位于河南侧，出土端位于河北侧。此地段交通运输较为方便，便于钻具的运输。电源采用自备发电机解决。

非开挖性能参数

FDP—30钻机具有优越的钻进性能，加上特制的辅助助力装置，使回拉能力达到80t，扭矩1．6万N·m。主机配有先进的液压动力系统，泵阀采用世界上最先进的力士乐产品，回转动力采用世界上最先进的波克兰电机，动力源采用进口的康明斯发动机。优良的设备加上高素质的员工，是我们顺利完成该条非开挖管线施工任务的保证。

非开挖施工方法

①导向钻管法的施工工艺

地质勘察→穿越曲线设计→测量磁方位角→钻机就位→钻导向孔→扩孔→回拖→环境保护→地貌恢复

②导向钻管法的工作原理

水平导向钻机的工作原理是：在施工时，按照设计的钻孔轨迹（一般为弧形），采用可从地表钻进的钻机先钻一个近似水平的导向孔，然后在导向钻头后换上大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待铺设工作管线，然后进行反向扩孔，同时将待铺管线回拉入钻孔内，当全部钻杆被拖回时，铺管工作同时也就完成了。此工程根据地质情况计划采用分级扩孔，共分2级扩孔，再回拖管线的方法，进行穿越施工。

③设备就位、安装、调试

钻机就位前对机施工场地进行平整（20m×30m），保证设备通行及进出场。设备及材料存放场地须高出自然地面不小于15cm，推平、碾压，并设断面不小于0.3m×0.3m的边沟。打好轴线后，根据入土点、入土角度结合现场实际情况使钻机准确就位。钻机设备、泥浆设备、固控设备安装完成后，对设备进行调试、检查、测试，确保设备安全运行。控向设备仪器安装完成后，对其进行调试，确保导向孔的精度。入土端泥浆储运坑（2m×4m×2m）及出土端泥浆储运坑（2m×3m×2m）。多余泥浆由吸污车集中清运。浆储运坑（2m×4m×2m）及出土端泥浆储运坑（2m×3m×2m）。多余泥浆由吸污车集中清运。

④钻导向孔

本穿越工程穿越段地质条件暂按Ⅱ类土考虑，根据地层情况，选择并设计出导向孔轨迹曲线。钻导向孔的成功与否关键在于如何防止塌方的问题，故此在钻导向孔时按照地质构造的不同详细制定出合理的泥浆配比方案，规定在不同的地质情况下选用不同的泥浆配方，该工程中需加适量大分子聚合物及一些多功能处理剂，增加泥浆的粘度、降低泥浆的失水，使其性能控制在密度1.02～1.05g/cm。左右、粘度45～55s、失水10mL，以利于更好的保护孔壁，提高泥浆在孔洞中的悬浮携带能力。在造斜段使用的泥浆中添加适量的润滑剂，降低孔壁的摩擦系数，从而可以防钻具粘卡。

为保证预扩孔及回拖工作的顺利进行，钻导向孔时要求造斜段应严格按设计曲线钻进。经过对轴线及钻机就位情况进行校准，检查无误后方能开始钻进施工。探头装入探头盒后，标定、校准后再把导向钻头连接到钻杆上，转动钻杆测试探头发射信号是否正常，回转钻进2m后方可开始按照设计轨迹进行穿越。控向设备宜采用有缆控向系统，以提高钻进的准确性，导向孔完成后经检查合格后方可进行预扩孔。

⑤预扩孔及磨孔

a．预扩孔采用一台FDP—30型导向钻机进行预扩孔，边扩孔边打入泥浆，视旋转压力及回拉压力逐渐加大扩孔级别。预扩孔采用导向钻机进行预扩孔，边扩孔边打入泥浆，视旋转压力及回拉压力逐渐加大扩孔级别。

b．扩孔次数需视钻机回转压力及回拖压力而定。扩孔级别如下：

使用φ320mm螺旋扩孔钻头扩一遍。

使用φ450mm螺旋扩孔钻头扩一遍。

c．扩孔前要做好泥浆循环系统的准备工作，FDP—30型导向钻机配套的泥浆系统工作性能，每小时的最大工作流量为5m³，则泥浆泵每一个工作日的最大循环流量为120m³，在入土点、出土点旁各开挖一个泥浆坑，并配有清运泥浆的专用设备。保证施工现场的清洁卫生，做到文明施工。

⑥拖管

a．拖管采用专门的回拖器，同时采用边打泥浆边旋转回拖的方法。从而保证钢管防腐层不被破坏。

b．旋转分动器采用特制的结构。

c．扶正器与工作管的连接要牢固，并要求工作管与拉管器的连接要牢固、安全、密封，作到可靠。

d．采用小比重高粘度泥浆，加入适合地质结构的泥浆处理剂和管孔润滑剂等措施以减少回拖时的阻力，减小钻机工做负载。

e．在φ273×9钢管回拖前，验证扩孔后孔内是否有充足泥浆，以便回拖中起到护壁润滑作用。

f．经确认钢管焊接、防腐合格后，将钢管拖人端与回拖器连接牢固，检查所有回拖系统（含设备、工艺保障措施）是否处于最佳状态。

g．回拖前，在待回拖φ273×9钢管下，每间隔20m摆放1个托辊，并用吊车配合，以防止在回拖中擦伤钢管外壁。

h．回拖启动后，要作到平稳、匀速（回拖中不能停留），速度控制在0．08m/s。操作手时刻观察回拖压力变化，及时上报，以便采取必要措施，使钢管顺利回拖成功。

i．拖管时，大部分泥浆将循环使用，需挖两个坑暂存，一个为泥浆倒坑一个为净化好的泥浆坑。

⑦地形地貌的恢复

工作管回拖完毕后，清理现场并撤出所用施工设备，恢复场地的地形地貌。

施工过程图详见图1。

该工程的顺利完成，创造了中山市有史以来最大的以定向钻非开挖方式过河的管道煤气工程历史，将使石岐河以北的城区及港口镇居民和工商企业能够用上安全、清洁、方便及源源不断的港华代天然气，促进该地区经济快速发展，提高人民生活水平，并为天然气的到来奠定了基础 。

中美联合非开挖工程研究中心成立于2007年10月10日，位于中国地质大学，是由中国地质大学(武汉)与路易斯安娜工业大学美国国家非开挖工程研究中心、美国德克萨斯大学地下设施研究与教育中心以及普度大学联合共同成立的一个以非开挖工程及地下基础设施为主要研究对象的一个中美联合学术机构, 中国地质大学副校长唐辉明教授任该中心主任，原国际非开挖协会主席Sterling(斯泰林)博士、美国非开挖领域的创始人和开拓者Iseley(艾斯里)博士以及美国德州大学的Najafi(纳扎菲)博士分别被聘请为中国地质大学客座教授并担任该中心的联合主任。目标是建立一个中美之间高校、政府和企业相互支持、互惠互利的具有国际水平的非开挖工程研究中心，推动我国非开挖工程领域的技术进步。