２０１７年第１２期 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—２４６９．２０１７．１２．０３６ 水利规划与设计 设计施工 水平定向钻铺管技术在水利工程中的应用 陈 振 ，李雪艳 （１．水利部水利水电规划设计总院，北京１００１２０；２．河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州４５００１６） 摘要：随着近几年国家加大水利Ｘ－程建设投资，许多跨流域长距离调水和河湖水系连通工程陆续建成完工，输水 和连通工程的后穿越问题日益提上日程，成为未来几年水利工程建设的领域之一。水平定向钻进（ＨＤＤ）铺管技 术是一种现代非开挖施工新技术，主要用于穿越河流、公路、铁路、建筑物等障碍物铺设各种管线，具有“质量 优、工期短、安全性高、施工扰民少”等优点。文章通过具体案例，对水平定向钻进（ＨＤＤ）的造价进行了全面分 析，得出“扩孔钻进和管线回拖为其主要影响工序；机械使用费占其投资比重较高”的结论，为水平定向钻进 （ＨＤＤ）铺管技术在水利工程中的推广和应用提供了详细的基础资料，具有一定的指导意义。 关键词：水平定向钻进；造价；影响因素；分析 中图分类号：ＴＶ５５４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２—２４６９（２０１７）１２—０１２４—０４ 随着近几年国家加大水利工程建设投资，许多 目前广泛用于市政管道、油气管道的建设行业，随 着该领域整体技术的进步和国产设备的性价比逐步 提高，水平定向钻进（ＨＤＤ）在非开挖技术管道 （线）铺设中的市场占有率亦呈上升趋势，年平均 增长３４．２％。 跨流域的长距离调水和河湖水系连通工程陆续建成 完工，这些输水和连通工程的后穿越问题日益提上 日程，成为未来几年水利工程建设的领域之一。单 就穿越形式而言，分为上跨和下穿两种形式。由于 下穿工程属于隐蔽工程，工程建设过程中遇到的问 题较多，对于河、渠后穿越非开挖施工的工程建设 管理是非常有必要的。本文针对非开挖施工技术之 一２水平定向钻进（ＨＤＤ）原理及优缺点 定向钻进（ＨＤＤ）的基本原理：按预先设定的 地下铺管轨迹钻小口径先导孑Ｌ，随后在先导孑Ｌ出口 的水平定向钻进施工进行浅述，希望能对相关技 术管理人员有所帮助。 端的钻杆头部安装扩孔器回拉扩孔，当扩孔至尺寸 要求后，在扩孔器的后端连接旋转接头、拉管头和 １ 概述 非开挖是指利用各种岩土钻掘设备和技术手 管线，回拉铺设地下管线。水平定向钻进铺设施工 工艺如图１所示。 ２．１ ｔｔＤＤ优点 段，通过导向、定向钻进等方式在地表极小部分开 挖的情况下（一般指入口和出口小面积开挖），敷 （１）施工占地面积小，一般不阻碍地面交通。 一设、更换和修复各种地下管线的施工新技术，不阻 碍现有工程的运行，不破坏绿地，植被，解决了传 统开挖施工对现有工程的运行，对环境及周边建筑 物基础的破坏和不良影响，因此具有较高的社会经 济效果，亦将成为今后管道施工的主流（绿色）施 般不需要工作井和接收井，土方开挖和回填工程 （２）管道铺设轨迹可曲线和直线结合，在遇到 量很少。不破坏绿地 障碍物时，可灵活处理。 （３）ＨＤＤ基本不产生大气风尘，对周边环境影 响较小，亦将成为今后管道施工的主流（绿色）施 工技术。 （４）施工精度高，施工工期较短，有较好的经 工技术。水平定向钻进铺管技术是将石油工业的定 向钻进技术与当代先进控制技术相结合的一种现代 非开挖施工新技术，主要用于穿越河流、公路、铁 路、建筑物等障碍物铺设各种管线（包括电力电缆、 电讯电缆、热力管道、燃气管道、给排水管道等）。 首次应用于穿越河流施工是１９７１年在美国，中国 ．收稿日期：２０１７—０８—２１ 作者简介：陈振（１９６１年一），男，高级工程师。 １ ２４． 设计施工 水利规划 －ｊ设汁 距离越长，造价越高。 ３．３回拖管径 回拖管材口径有以下几种：‘ｐ１０８、‘Ｐｌ５９、 ‘ｐ２ｌ９、ｔｐ２７３、ｔｐ３５５、ｔｐ４２６／４０６、ｔｐ５２０、ｔｐ６３０、 ｇｏ７５０、ｔｐ８２０／８Ｉ３、‘Ｐｌ０ｌ２／１０１６、‘Ｐｌ２１９、‘Ｐｌ４２０、 ‘ｐ１ ８００（Ｉｌｌｎ１）。同等地质条件、同等穿越长度级别， 门径越大，造价越高。 ３．４ 管材 管材分为刚性管（钢管、铁管、钢筋混凝土 管）及柔性管（ＰＥ、ＨＤＰＥ、ＰＰＲ等塑料管道）两大 类 同等地质条件、Ｉ 等穿越长度级别，同等口 径，刚性管较柔性管造价高。 ３．５钻进设备规格 钻进没备通常依据回拖管道口径和穿越长度来 选择。ＨＤＤ钻机分类见表１。 图１ 水平定向钻进铺设施工工艺 表１ ＨＤＤ钻机分类表 机ｆ 钻机回转扭 对应标准配置钻 杆规格 微删 钻机扭ｊ：Ｉ 适刖 ０以Ｆ钻杆 济和社会效益。 扭矩 （Ｎ・ｎ１） ３０００以下 ｌ８０００ 【』Ｉ拖 Ｊ （ｔ） １０以下 ｌ０—４０ ２．２ ＨＤＤ缺点 （１）相对于传统非开挖顶管工艺，大管径施工 造价偏高。 （２）对破碎类岩层（砾石层、漂石、块 层、 卵仃、碎百层），由于孔壁稳定性差，水平定向钻 进施上不适Ｊ１】。 小型 钻机扭矩适刖￣ｐ５０、￣ｐ６０、ｔｐ７３／ ３０００一７６、ｔｐ８３钻杆 中型 机扭ｊ丰 适用 ８９、‘ｐ１０２、 １８０００～５００００ ４０～ｌ２０ ‘ｐ１ １４钻杆 大型 钻机扭矩适用 １ ２７、‘ｐ１４Ｏ钻杆 ５００００～ｌ２００００ ｌ２０～４０（ 特大Ｊ碰 钻机扭矩适用‘Ｐｌ６８发以Ｉ：钴杆 ｌ２００００以ｌ卜 ４００以ｌ： （３）管径受限，日前ＨＤＤ施工单管最大管径 为‘ｐｌ ８００。 ３水平定向钻进（ＨＤＤ）造价影响因素 ３．１ 地质条件 ４ 水平定向钻进（ＨＤＤ）造价组成分析 以某市工程为例：设汁压力１．６ＭＰａ，壁厚 不同地层条件，对施一１ 成本影响较大 根据水 平定向钻进的特点，从可钻性和成孔性两个方面分 级划分，控制工程造价。 可钻性按照原状土无侧限抗压强度或饱和单轴 ｌ２．５ＩｌｌＩｎ，管径４５７ｍｍ钢塑复合管穿越河道，定向 钻弹性敷设段和水平段穿越主要位于第④层粉质黏 土层（Ｑ： ），穿越长度６９０ｍ为例，参照《水平定向 钻进施工定额》，对钻进设备的运输、现场安装、 调试及拆卸；导向孔钻进、扩孑Ｌ钻进、管线回拖等 分项进行造价分析。 （１）设备的运输、安装、调试及拆卸费 抗压强度的大小，根据钻进难易程度，钻进效率高 低和钻具消耗大小划分为６级。级别越高，造价 越高。 成孔性按照地层的密实性、松敞性和流塑性， 根据工程规模，穿越粘土地层６９０ｍ为中距离 穿越工程，参照《水平定向钻进施工定额》，管径 ｔｐ４５７ｍｍ，中距离穿越，定额选择为中型钻机。中 型钻机的运输、安装、调试和拆卸每次为２２７４２ 元，其中人工费２４４２元，占该项费用的１０．７４％； 根据泥浆护壁的难易 度和施工风险的大小划分为 ４级，级别越高，造价越高。 ３．２ 穿越长度 水平定向钻进铺管（ＨＤＤ）穿越长度划分为短 距离（小于等于３００ｍ）的工程、中距离（３００～ ８００．１）的工程、长距离（８００～１ ５００ｍ）的工程和超 材料费３７４６元，占该项费用的１６．４７％；机械费 ｌ６５５３元，占该项费用的７２．７９％。 综上：￣ｐ４５７ｍｍ钢管，穿越粘土地层６９０ｍ， ・长距离（大于１５００ｍ）的工程。同等地质条件，穿越 １ ２５・ ２０１７年第１２期 水利规划与没计 设计施工 设备的运输、安装、调试及拆卸费２２７４２元。 该费用为工程摊销费用，受穿越长度和回拖管 径共同影响，由钻进设备的进出场次数决定。 （２）导向孔钻进费用 别为１级，成孑Ｌ性取费系数为１。受管线穿越长度 和回拖管径的共同影响，中距离穿越，管径 ｑ￣４５７ｍｍ，刚性管道回拖黏土层单价为１２０８．９元／ ｍ，其中每延米人工费１８２元，占该项费用的 参照《水平定向钻进施工定额》，粘土地层可 钻性级别为２级，可钻性取费系数为２；受管线穿 越长度和回拖管径的共同影响，管径ｑ￣４５７ｍｍ，中 距离穿越，定额选择为中型钻机。中型钻机导向孔 １５．０８％；材料费５９元，占该项费用的４．９２％；机 械费９６７元，占该项费用的８０％。 综上：‘ｐ４５７ｍｍ钢管，穿越粘土地层６９０ｍ， 管线回拖费用８３４１４２元（不含钢管材料费）； 管线回拖费用同样也受穿越地层、穿越长度和 回拖管径的影响。 综上：ｑ￣４５７ｍｍ钢管，穿越粘土地层６９０ｍ， 钻进黏土层单价为６８１．１４元／ｍ，其中每延米人 费４０元，占该项费用的５．８２％；材料费７６元，占 该项费用的１１．１４％；机械费５６６元，占该项费用 的８３．０５％。 不含钢管材料费建安投资共计２３３５１６０元，折合每 延米穿越单价３３８４．３元／ｍ。实际施工工期约４５ 天。现将上述管径各分项费用直观表述、分析，见 表２、图２～４。 一综上：ｑｏ４５７ｍｍ钢管，穿越粘土地层６９０ｍ， 导向孔钻进费用４６９９８２元 导向孔钻进费用受穿越地层、穿越长度和回拖 管径的影响。 （３）扩孔钻进费用 、设备的运输、安装、 参照《水平定向钻进施工定额》，粘土地层可 钻性级别为２级，可钻性取费系数为２；成孔性级 别为１级，成孔性取费系数为１。受管线穿越长度 和回拖管径的共同影响，中距离穿越，管径 调试及拆卸 －二、导向孔钻进 三、扩孔钻进 四、管线回拖 图２各单项费用占总费用比例 １００．００％ ８０．Ｏ０％ ｔｐ４５７ｍｍ，扩孔钻进黏土层单价为１４６１．３元／ｍ， ｄ－ａ 其中每延米人工费３０４元，占该项费用的２０．８％； 材料费７７４元，占该项费用的５２．９７％；机械费 ３８３元，占该项费用的２６．２３％。 综上：ｑ￣４５７ｍｍ钢管，穿越粘土地层６９０ｍ， 扩孔钻进费用１００８２９３元 程６０ Ｏ０％ ４０．００％ ２０．００％ Ｏ％ ＿口 扩孔钻进费用也受穿越地层、穿越长度和回拖 管径的影响。 （４）管线回拖费用 囊囊 嘉 … 、 向 ０扩孔 四、管线 丑、 试及拆卸 孔钻进 钻进 拖 总投资 鞲｝机械费 ７２．７９％ ８３．Ｏ５％ ２６．２３％ ＿材料费 １６．４７％ －人１：费 ｌ０．７４％ ８０．０Ｏ％ ５７－３３％ ４．９２％ ２７．０３％ ｌ５．Ｏ８％ ｌ５．６４％ ｌ１．１４％ ５２．９７％ ５．８２％ ２０．８０％ 参照《水平定向钻进施工定额》，粘土地层可 钻性级别为２级，可钻性取费系数为２；成孔性级 图３各项费用人材机所占比例 表２￣１５７ｍｍ钢管，穿越粘土地层６９０ｍ，不含钢管材料费建安投资表 一、设备的运输、安装、调试及拆卸 二、导向孔钻进 ２２７４１．７５ ０ ９７％ ２４４２．０１ 三、扩孔钻进 ｌ００８２９２．８６ ４３．１８％ ２０９６９ｌ 四、管线回拖 ８３４１４２．３８ ３５．７２％ Ｉ２５８０４．９４ 、总投资 ２３３５ｌ５９．５ １Ｏ０．Ｏ０％ ３６５２６８．８５ 合价（元） 单项费用占总费用比（％） 人工费 ４６９９８２．４６ ２Ｏ．１３％ ２７３３０．９ 所占单项费用比（％） ｌ０．７４％ ５．８２％ ２Ｏ．８０％ Ｉ５．Ｏ８％ Ｉ５．６４％ 材料费 所占单项费用比（％） 机械费 ３７４６．６ １６．４７％ ｌ６５５３．１４ ５２３５４．４４ 】１．１４％ ３９０２９７．１２ ５３４０８７ ６ ５２ ９７％ ２６４５ｌ４．２６ ４ｌ０４３．９６ ４．９２％ ６６７２９２．１ ６３ｌ２３２．６ ２７．０３％ ｌ３３８６５６．６ 所占单项费用比（％） １２６・ ７２．７９％ ８３．０５％ ２６．２３％ ８Ｏ．ＯＯ％ ５７．３３％ ・设计施工 水利规划与设计 表３ ￣ｐ６３０ｍｍ、￣ｏ１４２０ｍｍ等钢管。穿越粘土地层。不含钢管材料费建安投资表 ２０１７年第１２期 基本 条件 管径（ｍｍ） 穿越距离（ｍ） 穿越地层 一，￣６３０ ｌ０００ 黏土层 ｔｐ７５０ ｌ２００ 黏土层 ｑ￣８３０ Ｉ５Ｏ０ 黏土层 ‘Ｄ１０Ｉ２ ｌ ８００ 黏土层 ‘Ｄ１２１９ ２０００ 黏土层 ‘Ｄ１４２２ ２４ＯＯ 黏土层 、设备的运输、安装、调试及拆卸 ５８３４８．５Ｏ Ｉ４０９６７４．００ ５８３４８．５０ ｌ６９ｌ６０８．８０ ８３３４３．２Ｏ ４７７５９４９．Ｏ０ ８３３４３．２０ ５７３Ｉｌ３８．８Ｏ ８３３４３．２Ｏ ６３６７９３２．００ ８３３４３．２０ ７６４ｌ５Ｉ８．４０ 二、导向孔钻进 费用 （元） 三、扩孔钻进 四、管线凹拖 五、总投资 ３３８７７７４．００ ４０４７４２４．８０ ２０３９７３７．４０ ６８９５５３３．９０ ３５３００５４．１６ ６８２０７３１．０Ｏ ２８６００６１ ３．６４ ４４３７５６９８．８０ ７３３６４９８６．５６ ５４９５０５９．５０ １ ４３９４８４２．６４ ２３９２９６４２．０Ｏ ３９８ｌ４６８１．９２ ９３２７４３６，２６ ｌ７１７５Ｏ８２．７０ ４８８０９９３８．２８ ７５Ｉ５６６ｌ６．Ｏ０ Ｉ ２０９０４５３０．Ｏ８ 折合单价（元／ｉｎ） ６８９５．５３ ７７７２．８６ Ｉｌ４５０．０６ ２７Ｉｌ６．６３ ３７５７８．３ｌ ５０３７６．８９ ６ 结论 ｔ人工费 一材料费 通过以上分析，可以看出，在水平定向钻铺管 穿越工程中，影响工程投资的主要工序为扩孔钻进 机械费 工程，影响扩孑Ｌ钻进工程费用的主要因素为穿越地 图４人材机占总费用比例 层、穿越长度和回拖管径的影响；在各项工序中， ５ 水平定向钻进（ＨＤＤ）造价趋势分析 按照上述水平定向钻进（ＨＤＤ）造价组成分析 的方法，参照《水平定向钻进施工定额》，分别对 ｔｐ６３０、ｔｐ７５０、ｑ￣８３０、‘Ｐ１０１２、‘ｐ１２１９、‘ｐ１４２０（ｎｌｍ） 机械使用费所占的比例都远大于人工和材料费。若 能有效降低机械使用费，则施工成本将随之降低。 综上所述，水平定向钻进铺管穿越技术在非开 挖施工技术中，以其特有的优点，在合适的地层， 能够有效的节约时间，并且绿色施工。随着未来非 开挖技术的使用越来越普遍，技术越来越成熟，国 产设备的研发投产使用，机械设备费用将有效降 低，值得在水利工程后穿越中大力推广使用。 的钢性管道穿越粉质黏土层（Ｑ： ）进行造价分析， 结果见表３和图５。 ６００００ ００ ５００００．０Ｏ ４００００。００ ３００００，Ｏ０ ２００００．Ｏ０ ｌ００ｏ０－００ Ｏ ｃｐ６３０ ｃｐ７５０ ｃｐ８３０／／ ／ （ｐ１０１２ ／一 参考文献 （１］ＩＳＢＮ ９７８—７一ｌ 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