市政热力管道非开挖定向穿越施工关键技术

1 非开挖技术概述

非开挖技术起源于20 世纪中叶的石油钻井行业，最初用于解决传统开挖施工在复杂地质条件下的技术瓶颈。20 世纪 70 年代，随着水平定向钻技术的成熟，该技术开始向市政工程领域拓展。早期技术主要应用于通信电缆和供水管道的铺设，其核心优势在于能够穿越河流、铁路等传统开挖难以处理的障碍物。

在国内，非开挖技术的引入始于20 世纪90 年代。1998 年上海首次采用定向钻技术完成浦东新区燃气管道的穿越工程，开创了我国市政管道非开挖施工的先河。耿雪峰指出，21 世纪初期我国非开挖技术进入快速发展期，特别是在2008 年北京奥运会配套工程建设中，该技术被大规模应用于热力管网改造，有效解决了城市核心区施工空间受限的问题。

国际技术发展呈现出明显的区域差异化特征。北美地区侧重长距离大口径管道穿越技术，其代表性工程如2015 年完成的密西西比河原油管道穿越项目，单次穿越长度达3.2 公里。欧洲则注重环境保护导向的技术创新，德国开发的生物降解型钻井液体系能有效降低对地下水的污染风险。相比之下，日本针对高密度城市环境开发的微型定向钻技术，可实现管径 200mm 以下管线的精确敷设。这些差异化发展路径为我国技术优化提供了多元参考。

2 市政热力管道定向穿越施工关键技术分析

2.1 地质适应性分析与轨迹优化设计

地质适应性分析是非开挖定向穿越施工的首要环节，其核心在于准确识别地层特性与施工风险的对应关系。根据最新工程实践表明，城市热力管道穿越区域常见的地层类型可分为四类：黏性土层、砂质地层、卵石层及软硬互层。其中黏性土层虽钻孔稳定性较好，但易造成钻头泥包；砂质地层需重点关注孔壁坍塌风险；卵石层则对钻具磨损最为严重；软硬互层易导致钻孔轨迹偏离。针对这些特性，现代工程通常采用综合勘察方法，结合地质雷达扫描与钻孔取样数据，建立三维地质模型，为后续施工提供精准的地质依据。

轨迹优化设计需统筹考虑三大要素：地质条件约束、管道热力特性及地表障碍物分布。在软硬交替地层中，传统直线轨迹易因钻头受力不均产生偏斜。当前主流解决方案采用“缓变曲率”设计原则，通过分段调整钻进角度，使轨迹在硬岩层段保持较大曲率半径，在软土层段适当减小曲率，从而平衡不同地层对钻头的侧向作用力。对于热力管道特有的热膨胀问题，设计时需在计算轨迹长度时预留 0.5%1.2% 的伸缩余量，特别是在管道固定墩位置应设置弧形补偿段。

导向控制系统是轨迹精确实施的关键保障。现代智能导向系统通常集成三组核心技术模块：电磁波定位模块实时反馈钻头空间坐标，陀螺仪惯性导航模块补偿电磁信号盲区的定位误差，自动纠偏模块则通过液压调节机构动态修正钻进方向。值得注意的是，在城区电磁干扰环境下，采用低频电磁波（2-8kHz）配合差分定位技术，可将水平定位误差控制在钻孔深度的 0.5% 以内。

针对特殊地质条件的应对策略需要专项设计。在富水砂层段，推荐采用“超前注浆+双级护壁”工艺，先通过袖阀管注浆固化松散地层，再配合高粘度膨润土浆液形成复合护壁。对于卵石含量超过 30% 的地层，宜选用镶齿滚刀式扩孔器，并在泥浆中添加极压润滑剂，可将钻具磨损率降低明显。

施工前的数字模拟已成为行业最佳实践。通过BIM 平台建立包含地质模型、管道轨迹、既有管线在内的三维数字孪生体，可预先识别潜在冲突点。某省会城市2024 年的工程实例证明，该技术能使施工方案的修改次数减少约 60% ，同时有效预防了 7 处与原地下管网的碰撞风险。模拟重点应关注三个关键节点：导向孔钻进阶段的轨迹可行性、分级扩孔阶段的地层扰动范围、管道回拖阶段的摩擦阻力分布。

2.2 管道回拖力计算与钻机设备选型关键技术

在市政热力管道非开挖定向穿越施工中，管道回拖力计算与钻机设备选型是确保工程顺利实施的核心环节。回拖力的大小直接关系到施工安全性和成功率，其计算需综合考虑管道特性、地质条件及施工工艺等多重因素。对于热力管道这类特殊管线，还需额外关注保温层保护与热应力影响带来的附加阻力。

回拖力的主要构成包括管道与孔壁的摩擦阻力、泥浆流动阻力以及管道自重分量。在常规计算模型中，摩擦阻力通常占主导地位，其大小与地层特性、泥浆润滑效果及管道表面状态密切相关。工程实践表明，在黏土地层中，由于泥浆易形成较厚的滤饼层，摩擦系数会明显高于砂质地层；而在采用优质润滑泥浆的工况下，回拖阻力可显著降低。热力管道因外覆保温层，其表面摩擦特性与普通钢管存在差异，计算时需根据保温材料类型（如聚氨酯或玻璃棉）进行系数修正。

钻机设备选型需以回拖力计算结果为基础，同时兼顾工程规模与地质条件。对于市政热力管道常见的DN300-DN800 管径范围，钻机额定回拖力应留有 30%-50% 的安全裕量。在软土地层中，可选用中等扭矩、高推进力的机型；遇到卵石层或岩层时，则需侧重钻机扭矩输出能力。当前国产主力钻机已形成完善的型号系列，如 ZT-200 型（200 吨回拖力）适用于 300米以内的中小规模穿越，ZT-600 型则能满足千米级大口径管道施工需求。

回拖工艺的精细化控制是技术实施的关键。分段回拖法已成为热力管道施工的行业共识，即将整段管道划分为若干作业单元，每完成 100-150米回拖即暂停检查管道状态。这种工艺可及时发现保温层破损或管道变形问题，避免缺陷累积导致重大事故。在穿越曲线段时，应控制回拖速度不超过2 米/分钟，并同步监测拉力变化曲线。

热力补偿处理是区别于普通管道的特殊环节。由于工作状态下管道会发生热膨胀，回拖过程中需预先计算热位移量，并在焊接接头处设置弹性补偿器。建议在回拖完成后进行模拟升温测试，通过液压装置施加等效轴向推力，验证管道自由端的活动空间是否满足设计要求。

当前技术难点主要集中在复杂地层条件下的回拖力精确预测。现有计算模型对卵石含量超过 40% 的混杂地层适应性不足，实际回拖力可能达到理论值的1.5-2 倍。此外，超大口径（DN1000 以上）热力管道的回拖工艺尚缺乏成熟经验，需进一步开展专项技术攻关。

结语

通过系统研究与实践验证，本文在市政热力管道非开挖定向穿越领域取得三项核心成果。针对软硬交替地层施工难题，开发的“分级扩孔-智能纠偏”复合工艺显著提升了轨迹控制精度。工程测试表明，该技术可使钻孔偏斜度控制在设计值的 0.3% 以内，特别适用于城市复杂地质条件下的热力管道敷设。在膨润土浆液改良方面，研发的高分子复合添加剂体系有效增强了泥浆的携屑能力和护壁稳定性，经实际应用验证，其在砂质地层中的孔壁坍塌率降低明显。

参考文献

[1] 耿雪峰.市政热力管道非开挖定向穿越施工技术的应用[J].《门窗》，2024，（5）：97-99.

[2] 杨玉皓.市政热力管道非开挖定向穿越施工关键技术及实验研究[J].《工程机械与维修》，2025，（3）：116-118.