水平定向钻施工规范.doc

中国非开挖技术协会 水平定向钻进管线铺设工程技术规范

水平定向钻进管线铺设工程

技 术 规 范
（试行）

中国非开挖技术协会
2001

中国非开挖技术协会
“水平定向钻进管线铺设工程技术规范”编辑委员会

主任委员：李 山
副主任委员：刘宝林 王 鹏
委员：（以姓氏笔划为序）
丁树滋 王 鹏 尹刚乾 乌效鸣 李 山 刘宝林 刘 强
朱文鉴 陈铁励 林家辉 贾传岭

编写：中国非开挖技术协会“水平定向钻进管线铺设工程技术规范”编辑委员会
执笔：中国地质科学院探矿工艺研究所 李 山

目 录

一、 总则……………………………………………. 1
二、 技术概述………………………………………. 2
三、 工程投标指南…………………………………. 6
四、 施工合同（示范文本）………………………. 14
五、 施工场地探测技术指南………………………. 33
六、 工程施工技术规范……………………………. 37
七、 安全操作规程…………………………………. 53
八、 参考文献………………………………………. 58

前 言

近年来我国使用非开挖水平定向钻进技术铺设各类管线取得了巨大的进展，在电讯、自来水、污水、燃气、电力和热力等管线铺设中都得到了广泛的应用。为此，中国非开挖技术协会于2001年初专门成立了水平定向钻进管线铺设工程技术规范编辑委员会。编委会由十余名专家和具有丰富实践经验的工程技术人员组成。历经一年多的时间，在收集国内外相关技术资料的的基础上，起草、编辑、出版了这本水平定向钻进技术规范。规范的出版使水平定向钻进工作有了行规、有了标准。它使我国今后的水平定向钻进工程有规可循并能更好地与国际接轨，将对保证施工质量、减少各类事故的发生起到积极作用。
该版本规范为试用版，希望设计和施工人员在参考和使用本规范时，如发现有欠妥之处，请将意见函寄中国非开挖技术协会水平定向钻进技术委员会。
本规范仅供行业内部使用，未经允许不得翻印。

编 者
2002年8月

“水平定向钻进管线铺设工程技术规范”编辑委员会

主任委员：李 山
副主任委员：刘宝林 王 鹏
委员：（以姓氏笔划为序）
丁树滋 王 鹏 尹刚乾 乌效鸣 李 山 刘宝林 刘 强 朱文鉴 陈铁励 林家辉 贾传岭
（执笔：中国地质科学院探矿工艺研究所 李 山 朱文鉴）

1. 城市工程管线综合规划规范 中华人民共和国国家标准 GB 50289-98
2. 城市地下管线探测技术规程 中华人民共和国行业标准 CJJ 61-94
3. 建设工程施工合同（示范文本） 中华人民共和国建设部
4. 成功定向穿越工程投标文件指南 定向穿越承包商协会（DCCA），1995，张燕译
5. 成功定向穿越探测规范 定向穿越承包商协会（DCCA），1998，李翠先译
6. 成功中型定向钻进施工指南 定向穿越承包商协会（DCCA），1997，李翠先译
7. 定向钻进合同样本 定向穿越承包商协会（DCCA） 张燕译
8. 水平定向钻进技术指南 钻井承包商协会，1995，张燕译
9. 水平钻进安全操作指南 定向穿越承包商协会（DCCA），2000，李翠先译
10. 定向钻进原理回顾 P. 海沃德 李翠先译
管道穿越工程水平导向钻进施工规范 天津大力神非开挖工程有限公司企业标准

中国非开挖技术协会 水平定向钻进管线铺设工程技术规范

1．总则

1.0.1采用水平定向钻进穿越地面及障碍物铺设管线技术正在我国蓬勃发展。为规范我国水平定向钻进穿越铺设工程施工市场，统一施工技术质量标准，中国非开挖技术协会特制定本规范。水平定向钻进穿越铺设管线工程无论大小，都必须进行设计和施工的质量控制。中国非开挖技术协会希望通过应用本规范，提高我国水平定向钻进穿越铺设管线技术水平；提高工程承包商的施工质量和效益。
1.0.2 中国非开挖技术协会推荐本规范应用于水平定向穿越铺设管线工程中工程承包商与管线业主进行业务协商、工程承包商进行施工管理及其质量、安全控制等。
1.0.3本规范适用于采用机械回转钻进设备进行水平定向钻进，使各种材质的管道或缆线在障碍物之下穿越铺设的工程施工。

2．术语

2.0.1 非开挖技术（Trenchless Technology）
以最小的地表开挖量进行各种地下管线探查、铺设、更换和修复的施工技术。
2.0.2 水平定向钻进（Horizontal Directional Drilling—HDD）
利用水平定向钻机以可控钻进轨迹的方式，在不同地层和深度进行钻进并通过定位仪导向抵达设计位置而铺设地下管线施工的施工方法。施工时，首先用导向钻具钻进小口径的导向孔；然后用回扩钻头将钻孔扩大至所需的口径；最后将生产管拉入孔内。（注：包括导向钻进）。
2.0.3 顶进/起始工作坑（Drive/Entry Shaft/Pit）
为布置水平定向钻进施工存储泥浆而开挖的工作坑。
2.0.4 接受/出口工作坑（Reception/Exit Shaft/Pit）
为回收水平定向钻进施工中排出的泥浆而开挖的工作坑，有称目标工作坑（Target Shaft/Pit）。
2.0.5 穿越（Crossing）
在地表下铺设跨越障碍物（河流、建筑物、铁路、高速公路等）管线的非开挖施工。
2.0.6 钻进液/泥浆（Drilling Fluid/Mud）
通常指水和澎润土或聚合物的混合物。
2.0.7 导向孔（Pilot Hole）
水平定向钻进施工时,首先利用导向仪测控钻孔方向钻进的小口径钻孔。
2.0.8 入口/出口倾角（Entry/Exit Angle）
在进行水平定向钻进时，钻杆柱进入地层或从地层钻出的倾角。
2.0.9 回扩
水平定向钻进时，钻完导向孔后，往往需要扩大钻孔直径，此时将回扩钻头接在钻杆柱的前端往回拉进行扩孔的施工工序。
2.0.10 回扩钻头（Back Reamer）
水平定向钻进施工时，钻完导向孔后，用于扩大导向孔、接在钻杆柱前端的切削头。
2.0.11 回拉（Pull-back）
水平定向钻进施工时，经扩大的钻孔将钻杆柱从出口坑向回拉到发射坑，同时铺设生产管的施工工序。
2.0.12 生产管（Product Pipe）
为不同目的而铺设的各种永久性地下管线。
2.0.13 定位仪（Locator/Walkover System）
一种用于确定从发射探头发射出来的电磁波信号位置和强度的电子仪器，也可用于探测地下管线的位置。
2.0.14 随钻测量（Measurement While Drilling—MWD）
在钻进的同时连续不断地检测有关钻孔信息的测量技术。

3．技术概述

3.1发展与应用
始于二十世纪七十年代的水平定向钻进穿越技术，综合了传统的道路钻孔、地质勘探和油气井定向钻进技术。这项技术已成为一种完善的施工方法。它应用于穿越河流和水渠、街道、高速公路、铁路、机场跑道、海滩、岛屿、建筑物拥挤的地方、管线通道和运河等的石油、天然气、自来水、污水及其它流体的管线铺设和电力与电讯电缆的导管铺设等。
3.2优越性
在非开挖技术行业中，水平定向钻进是主要的增长领域之一。目前，在石油、天然气、自来水、电力和电信部门，水平定向钻进已是一种得到广泛认可的铺管施工技术，由于水平定向钻进施工精度的提高，也可用于污水管和其它重力管线的铺设。
水平定向钻进穿越与其它施工方法相比，对环境的影响最小，能提供障碍物下管线覆盖的深度大，对管线的保护作用大，维修费用小，许多情况下费用更低。水平定向钻进穿越还有一个可预测的短期施工计划。
3.3技术局限
水平定向钻进穿越铺设管线技术正在全世界广泛推广。迄今为止，水平定向钻进最长的穿越距离为2308米（铺设管径273毫米，中国）。水平定向钻进用于均质土层的穿越能够取得满意效果，在杂填土、砂卵砾石层、冰渍层和硬岩层中的穿越也越来越多。
3.4技术工艺
水平定向钻进穿越铺设施工普遍采用：首先钻进导向孔，然后扩孔，最后回拉铺管的施工技术工艺（图3.4）。
3.4.1导向孔 导向孔钻进一般采用小直径全面钻头，进行全孔底破碎钻进。在钻头底唇面上或钻具上，安装有专门的控制钻进方向的机构。在钻具内或在紧接其后部位，安装有测量探头。钻进过程中，探头连续或间隔地测量钻孔位置参数，并通过无线或有线的方式实时地将测量数据发送到地表接收器。操作者根据这些数据及其处理这些数据得到的图表，采取适当的技术措施调整孔内控制钻进方向的机构，从而人工控制钻孔的轨迹，达到设计要求。
常用的孔内控制钻进方向的机构主要有两类：一类是钻头底唇面采用非平衡结构设计，如常钻头唇面是一个斜面，当钻头连续回转时钻进直孔，保持钻头不回转加压时，则钻孔钻进偏斜。这类方法因需要在不回转的条件下破碎岩层，所以在软质的土层大多数采用钻进液喷射辅助破碎方式钻进。另一类是钻具采用弯外管或弯接头，其弯曲方向即决定了钻头的钻进方向。这类方法导向钻进钻杆是不回转的，钻头破碎岩石的扭矩，来自于钻头后部的孔底动力机，如螺杆马达或涡轮马达。这类方法通常用于钻进岩石等硬地层。
3.4.2扩孔 导向孔完成后，必须将钻孔扩大至适合成品管铺设的直径。一般，在钻机对面的出口坑将扩孔器连接于钻杆上，再回拉进行回扩，在其后不断地加接钻杆。根据导向孔与适合成品管铺设孔的直径大小和地层情况，扩孔可一次或多次进行。推荐最终扩孔直径按下式计算：
Ｄ’＝ K1Ｄ
式中：
Ｄ’——适合成品管铺设的钻孔直径
Ｄ——成品管外径
K1——经验系数，一般K1=1.2～1.5，当地层均质完整时，K1取小值，当地层复杂时，K1取大值。
3.4.3拉管 扩孔完成后，即可拉入需铺设的成品管。管子最好预先全部连接妥当，以利于一次拉入。当地层情况复杂，如：钻孔缩径或孔壁垮塌，可能对分段拉管造成困难。拉管时，应将扩孔器接在钻杆上，然后通过单动接头连接到管子的拉头上，单动接头可防止管线与扩孔器一起回转，保证管线能够平滑地回拖成功。

图3.4 水平定向钻进铺设管线施工工艺过程

3.5施工设备
3.5.1钻机 钻机根据工作位置分为两类：地表始钻式和坑内始钻式。
地表始钻式钻机具有行走机构，方便迁移。铺管施工时，可不需要起始坑和出口坑，但管线连接时需要开挖。如果要求在地下相同深度连接其它管线，可能会浪费几米新管。地表始钻式钻机有几种桩定方式锚固钻机，性能完善的钻机桩定系统是液压驱动的。一些地表始钻式钻机是整装式的，载有钻进液用搅拌池和泵，以及动力辅助装置、阀和控制系统，有的还配置有钻杆自动装卸系统，定长的钻杆装在一个“传送盘”上，随钻进或回扩的过程自动地从钻杆柱上加、减钻杆；有的搅拌池和泵等设备是分离配置的。
坑内始钻式钻机一般体积较小，施工时在钻孔的两端都需要挖坑，可在操作空间受限的地方使用。坑内始钻钻机固定在发射坑中，利用坑的前、后壁承受回拉力和给进力。一些设计紧凑的钻机的起始坑，比接钻杆所需的坑稍大一点即可。钻杆单根长度受坑的尺寸限制，这对铺设速度和钻杆成本造成影响。
3.5.2钻杆 钻杆要求有很高的物理机械性能，必须有足够的轴向强度承受钻机给进力和回拖力；足够的抗扭强度承受钻机施加的扭矩；足够的柔韧性以适应钻进时的方向改变；还要尽可能地轻，以方便运输和使用；同时，还要耐磨损。
3.5.3导向系统 多数水平定向钻进技术要依靠准确的钻孔定位和导向系统。随着电子技术的进步，导向仪器的性能已有明显改善，能获得相当高的精度。
导向系统有几种类型，最常用是“手持式跟踪（walk-over）”系统，它以一个装在钻头后部空腔内的探测器或探头为基础。探头发出的无线电信号由地面接收器接收，除了得到地下钻头的位置和深度外，传输的信号还包括钻头倾角、斜面面向角、电池电量和探头温度等等。这些信息通常也转送到钻机附属接受器上，使钻机操作者可直接掌握孔内信息，从而据此做出必要的轨迹调整。
手持式跟踪系统的主要限制是：必须要直接到达位于钻头上部的地面，这一不足可采用有缆式导向系统或装有电子罗盘的探头来克服。有缆式导向系统用通过钻杆柱的电缆从发射器向控制台传送信号。虽然缆线增加了复杂性，但由于不依靠无线电传送信号，对钻孔的导向可以跨越任何地形，且可用于受电磁干扰的地方。
为使电子元件免受严重动载，一种基于磁性计的导向系统用于有冲击作用的干式水平定向钻进系统上。系统的永久磁铁装在冲击锤体上，当其旋转时即产生磁场，磁场的强度及变化由地表磁力计探测，数据交由计算机处理，计算出钻头的位置，深度及面向角。
3.5.4附助设备 大量的附属和辅助设备在水平定向钻进施工中起着重要的作用。
拉头——拉管的拉头类型很多，包括压力密封式拉头和专用于水平定向钻进的改进型拉头。水平定向钻进拉头的一个重要作用是防止钻进液或碎屑进入成品管，这对铺设饮用水管特别重要。
单动接头——单动接头（又称旋转接头）是扩孔和拉管操作中的基本构件，应设计成防止泥浆和碎屑进入密封式轴承。单动接头的承载能力从低于5 t至200 t 以上。
安全接头——可使用安全接头保护成品管，该接头上有一系列在预定载荷下断开的销钉，可根据成品管的允许拉伸载荷断开接头。这种断开式接头不仅可以减少因疏忽造成损失的风险，而且可防止操作者试图追求高效率采用超过允许载荷回拉力。
其它重要的附助设备包括：聚乙烯管焊接机、管道支护滚筒和电缆牵引器。在一些特殊条件下，还可采用管道顶推装置辅助拉管。
3.6钻进液/泥浆
多数定向钻机采用泥浆作为钻进液。钻进液可冷却、润滑钻头、软化地层、辅助破碎地层、调整钻进方向、携带碎屑、稳定孔壁、回扩和拖管时润滑管道；还可以在钻进硬地层时为泥浆马达提供动力。常用的钻进液/泥浆是膨润土和水的混合物。导向孔施工完成后，泥浆可稳定孔壁，便于回扩。钻进岩石或其它硬地层时，可用钻进液驱动孔底“泥浆马达”。
一些钻机采用空气作为钻进液，又称为“干式钻进工艺”。其操作简单，废弃物少，不需要太多的现场设备，但受铺管尺寸和地层条件的限制。与采用泥浆钻进工艺不同，干式钻机施工采用高频气动锤钻进。与采用泥浆钻进工艺一样，干钻的钻头也有一个斜面，当在某个方位停止回转冲击钻进时，可控制钻孔轨迹。铺设小直径的管道、导管或电缆线，可使用镶有碳化钨合金齿的锥形扩孔器，这种扩孔器安装有空气喷嘴，气流通过钻杆柱进入，在回扩时空气气流清除钻屑。对于大直径管道铺设，采用气动锤扩孔器，同样在其后部用单动接头连接管道。此时回扩孔起主要作用的是气动锤扩孔器的冲击作用，而不是钻机的回拉力，而且回扩过程中可不回转。

4 施工技术

4.1工程设计
4.1.1 程序安排
一项有效的施工设计应有下列条目：
准备
——过去施工情况的调查
——设计计算
——进一步确认设计、图纸及计算
——施工地层情况调查
——施工测量
——办理施工许可证
工程实施
——测量入土点、出土点、钻孔轨迹轴线和切点
——钻机场地准备
——进场道路准备
——管子场地准备
——设备和人员调动
——管子卸车
——管子焊接
——压力试验
——减阻试验（如果需要）
——连接拉管头
——焊缝测试
——处理钻杆的过度弯曲
——实施钻进
——钻进
——调动钻机和人员
——安放钻机
——准备钻进液混合设备
——钻导向孔
——通过钻杆清洗钻孔
——分级扩孔（根据需要）
——拉管
——去掉拉管头
——实施焊缝测试
——实施减阻
——施工配合
——清理施工现场
——撤走钻机和人员或迁移到下一个工地
4.1.2 设计计算
4.1.2.1轨迹测量 一旦选择确定了施工位置，就应该对钻孔轨迹作测量并准备详细的图纸。钻孔轨迹和基准线的最后精度取决于测量资料的精度．
4.1.2.2轨迹设计参数：
覆盖深度 完成岩土勘察，确定了穿越的轨迹，就可确定穿越的覆盖深度，需要考虑的因素包括钻孔施工对地面道路、建筑物或河流的影响，以及对该位置已有的管线的影响。推荐穿越的最小覆盖深度大于钻孔最终扩孔直径的6倍以上；在穿越河床时，应在河床断面最低处之下5m米以上。
入、出土角和曲率半径 8-20°的入、出土角适用于大多数的穿越工程。对地面始钻式，入土角和出土角应分别在6°至20°之间（取决于欲铺设管的直径等）。对坑内始钻式，入土角和出土角一般应采用0°或近似水平。进行大曲率的弯曲以前最好钻进一段直线段。曲率半径的确定由欲铺设管的弯曲特性确定，管径越大曲率半径越大。
铺设钢管的最小允许弯曲半径可用下列公式计算。但是，为了利于铺管，最小弯曲半径应尽可能大。
Rmin=206·D·S / K2 (m)
Rmin —最小弯曲半径 (m)
206—常数 (Nm/mm2)
D——管子的外径 (mm)
S—安全系数，S=1～2
K2—管子的屈服极限 (N/ mm2)
辅助参数 入土点或出土点与欲穿越的第一个障碍物之间的距离（例如道路、沟渠等）应至少大于3根钻杆的长度。
与水体的最小距离应至少为5—6m，以保证不发生泥浆喷涌。
从钻进技术方面考虑，第一段和最后一段钻杆柱应是直线的，即没有垂直弯曲和水平弯曲，这两段钻杆柱的长度应至少为10m。
入土点与出土点有高差时，应专门另作讨论。
钻进测量与精度 孔内测量工具是测量倾角(上/下控制)、方位角(左/右控制)和深度等参数的电子装置。
钻孔轨迹精度很大程度上取决于孔内测量的精度。当有干扰时，如：无线电发射台、大型钢结构(桥梁、桩及其它管线等)和电力运输线，会影响测量结果。合理的钻孔轨迹精度应是：导向孔出口处左右±1m，上下±1m。
钻孔轨迹控制 钻进导向孔时，每2～3m应进行一次测量计算。工程承包商在这些测量计算基础上作出钻孔轨迹图。
4.1.2.3管材的选择
管线壁厚—D/T经验公式 下表给出了根据钢管直径选择壁厚的推荐值，这些推荐值仅供设计时参考。在最后的设计中，应根据计算应力进行选择。
直径(D)mm
壁厚(T)mm
≤152
6.25
152-305
9.25
305-762
12.70
≥762
D/t＜50
对高密度聚乙烯管（HDPE管），推荐D/t值小于或等于11，并且咨询制造厂家。
另外，选择管线壁厚应考虑铺管长度。铺管长度越长，管壁应越厚。
4.1.3 校核计算
——开始拉管时的管线应力（摩擦力、重力）
——全部拉入时的管线应力（摩擦力、浮力、弯曲）
——由于过度弯曲造成的管线应力（出土角度）
——拉入过程中的管线应力（内部压力、温度、弯曲、过度弯曲）
——钻机的锚固力（水平和垂直）
——钻进设备的尺寸（土壤、管线尺寸、钻孔剖面）
在最后的校核设计计算中，必须计算管道在施工和使用时的应力大小，校核是否在材料强度允许的范围内。计算中，每一阶段的应力都必须从单独受力和联合受力分别考虑。如：拉管时，滚柱间跨距造成的应力、作静压试验产生的应力、铺设时的拉力、管入孔时弯曲和钻孔轨迹弯曲产生的应力、钻孔内的附加力和工作应力。
1．铺管前
a．计算静压试验产生的环向和轴向应力；
b．根据滚柱间的距离，可计算出管线的最大上拱和下垂，并计算出管线的最大张应力。注：在静压试验期间管线是注满水的，因此计算中必须计入水的重量。
2．铺设中
a．在1.b中计算张应力的方法可用于铺设阶段；
b．为了计算出应力，必须先计算理论拉力。考虑管线的安全性和拉管时钻孔弯曲的影响，推荐孔内摩擦系数为1.0。最大预测拉力用于计算轴向应力。
c．当计算轴向弯曲应力时，允许有10%的实际偏差，即按设计曲率半径的90%计算。
d．必须考虑孔内液体静压力产生的附加应力。考虑到液体静压力的轴向和周向力的影响，推荐安全系数取值1.5。
3．铺设后
a．轴向弯曲应力的计算见2c；
b．附加外力的计算见2.d；
c．计算最后的静压试验产生的环向和轴向应力。
4．使用中
a．钻孔曲率的影响见2.c；
b．附加外力的计算见2.d；
c．用于计算的管线在使用中的最大工作压力而产生的轴向和周向应力。
许用应力 计算出施工各个阶段的单独受力和联合受力后，必须与许用应力比较，进行强度校核。
一般，许用应力按以下计算：
轴向最大许用应力：最小屈服强度的80%；
周向最大许用应力：最小屈服强度的72%；
组合应力下的许用应力：最小屈服强度的90%。
当权威机构可能在以上内容之外提出其他限制条件时，业主应认可并允许修改设计。
4.1.4 作图
剖面图
剖面图至少应包含下列信息：
——工地的纵向剖面图
——入土角
——出土角
——钻孔的水平长度
——钻孔的实际长度
——钻孔剖面的绝对高度（或相对）
——覆盖层
——最小（垂直）弯曲度
——钻孔轨迹区域内的建筑物或其它管线
——障碍物
——欲铺设管线的信息
平面图
平面图至少应包括下列信息：
——从委托方提供的施工区地形图了解到场地的特殊情况
——钻孔轴线
——入土点和出土点的坐标
——指北的箭头
——钻孔附近的建筑物和其它管线
——障碍物
——钻孔轴线与障碍物之间的最短距离
——最小（水平）弯曲度
——规划的设备场地和管线场地
现场平面图
现场平面图至少应包含下列信息：
——各种设备的位置（钻机、工作站、泵等）
——钻机的固定方法
——钻井液配制设备的安放位置
——进出场道路
运输线路图
确定的运输线路图至少应包括下列信息：
——运输设备的数量、各自的承载能力
——运输设备的位置
——运输设备在平面图中的摆放位置
——运输设备的细节
管束图
一束管子的示意图至少应包括下列信息：
——一束管线的横截面图
——单根管线的直径
——捆成一束的方法
4.2 设备仪器
4.2.1定向钻机
水平定向钻机无论大小，操作与用途都是相似的。一般，钻机都采用机械或液压驱动钻杆，通过钻杆对孔底钻头施加回转扭矩、给进或回拖力。对水平定向钻进穿越铺管的钻机来说，回转扭矩和回拖力是其主要参数，它们是根据工程大小及要求选择钻机的重要依据。由于水平定向穿越往往钻进弯曲的钻孔，所以与其它钻机相比，对钻机的转速要求不高。
地表始钻式钻机有一个倾斜的给进导轨；坑内始钻式钻机一般采用水平的给进导轨。给进导轨长度决定钻杆单根的长度，也直接影响钻进过程的平稳性和纯钻效率。
当施工条件已知，钻孔设计确定时，定向钻机的选型主要考虑以下因素：
（1） 钻孔设计终孔口径、弯曲曲率半径、铺管长度等，根据它们的大小通过回转扭矩和回拖力来选择确定钻机。考虑钻孔复杂情况到，所选的钻机能力至少应大于计算所需的30%以上。
（2） 现场地形、交通条件、管线埋深等，评价这些因素后，选择采用地表始钻式钻机或坑内始钻式钻机。
（3） 现场能源供应条件，选择采用电驱动还是采用燃油驱动钻机。
（4） 地层情况和现场水源供应条件，选择应用液体循环回转钻机或是气动潜孔锤钻机。
4.2.2定位与导向仪器
对于水平定向钻进穿越工程来说，定位与导向仪是最为关键的设备，正确地选择和使用这些仪器，对施工的成败和效率，具有决定性的意义。
最常用的定位和导向仪有无缆式地表定位系统（手持式跟踪仪器）和有缆式定向系统，两种系统的定位和导向性能都能满足常规水平定向钻进穿越工程的需要。
在钻进导向孔时，钻进工作人员才用导向仪确定钻具位置，利用导向仪获取的数据，与预先批准的基准线和轨迹进行比较，调整钻进轨迹。常用的仪器有以下几种。
4.2.2.1无缆式地表定位与导向系统
手持式跟踪仪 这种仪器在水平定向钻进中使用最广，它由一个装在钻头后面的电子信号探头(发射器)和一个手持式跟踪接收器组成。探头（发射器）一般安装在钻头后面的钻具内，用于测量孔底钻具位置的信息，并将信息的电磁信号发射给跟踪接受器，探头发射的信号到地表后，由导向人员手持的接收器接受，跟踪接收器显示信号强度，信号越强，接收器越靠近发射器。导向人员通过分析接收器提供的数据来监测钻孔轨迹。许多钻机装配有一个远程接收器，通过它钻机操作者能够分析和记录定位数据。一般，在确定的技术参数范围内，使用手持式跟踪仪是最经济的。
大多数的探头（发射器）具有方位传感器，它们是倾角、转角以及在某些情况下的左/右偏转计。传感器测得的数据，显示在接收器上，并用于控制方向。接收器也能确定从接收器到发射器的深度。操作人员遵守制造商推荐的标准化程序，有助于提高深度测量的准确性。
手持式跟踪仪的优点包括：
费用——除购置费用外，生产开支频繁，但成本较低，平时仅需更换电池。更换探头很昂贵，但一般不会发生。
操作有效——接受过训练的定位人员能有效地操作手持式跟踪仪，为了确保高精度，读数和解释信号的知识必须与强烈的责任感相结合。钻孔的全面测量可提高手持式跟踪仪的定位精度。
生产率——与其它方法相比，其数据解释及时，有利于提高生产率。
绘图——手持式跟踪仪可直接将数据传送给计算机，由计算机做出钻孔轨迹图。
手持式跟踪仪的缺点包括：
地形——在有障碍物的地方，如繁忙的快车道交叉口或穿过河流。
干扰——以下情况往往会干扰信号读数的精确度：仪器上方电力线的磁干扰、地下通讯信号的磁干扰、埋在地下的废弃物或地层中的障碍物干扰、无线电发射基站的电波干扰等等。
深度——手持式跟踪仪受钻孔穿越深度和其它与孔有关的因素的限制，如:手持式跟踪仪器一般用于深度不超过21m的钻孔。
连续工作时间——定位系统发射器的电池寿命，是选择能否完成一个钻孔所需时间的重要指标。
远程跟踪能力——道路和小河的穿越通常可用地表定位系统进行。然而，远程跟踪能力通常限于约10m的距离。
抗冲击磁性定位与导向系统 这种仪器是近年来最新开发的用于干式水平定向钻进的定位与导向系统。在潜孔锤冲击破碎钻进中，为使电子元件不受大动载的影响，一种基于磁性计的导向系统用于有冲击作用的干式水平定向钻进系统上。系统的永久磁铁装在冲击锤体上，当其旋转时产生磁场，磁场的强度及变化由地表磁力计探测，探测数据交由计算机处理，从而得出钻头的位置、深度及面向角。
水平定向钻进施工中，推荐采用下表进行现场记录；
轨迹记录
测点序号
钻杆长度
水平距离
侧向偏移
垂深
倾角
转角（左/右）
1

2

3

4

5

6

7

8

9

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出口

一些地表定位系统带有钻孔轨迹设计和绘图系统，它们以特定的间隔，记录孔内钻具的深度，可做出导向孔的测量或施工过程图。
4.2.2.2有缆式定位与导向系统
有缆式定向与导向系统 有缆式定向系统又称为有缆式随钻测斜仪。有缆式定向仪是与位于孔底非磁性钻具内的磁性探头或位于普通钻具内的陀螺仪相连的，连续的缆线穿过钻杆内部，再与地面的计算机相连。
有缆式定向系统的优点包括：
深度——由于电源和信号由缆线传输，因此对导向钻孔的深度或长度没有限制。
精度——有缆式系统可与地面坐标测量辅助系统一起使用，可提高测量精度。探头产生的信息传送到地表计算机，可用于评价施工轨迹。
记录处理——计算机处理测到数据，得出精确的“随钻”施工数据。
有效性——在费时的坚硬岩石钻进中，不用为更换电池而频繁地起下钻具。
有缆式定向系统的缺点包括：
费用——在低价的地下管线铺设施工市场，设备购置费或人员设备的租金高，然而该缺点经常被高成功率和复杂孔的准确度所消除。
数据的解释——仪器的操作需要经过培训的专家，这对于许多钻进承包商来说，难以稳定地发挥作用并且成本较高。
缆线的连接——连接缆线需要时间，一节一节的缆线连成电缆，可能造成读数不准，并且增加了非生产性的辅助时间。
常用的有缆式定位与导向系统有以下两种：
磁性定向仪 磁性定向仪是用于长、深孔穿越的行业标准仪器。使用磁性定向仪，钻进操作人员可在钻进的任何时候计算钻孔位置，进行钻孔纠偏，因此能使钻孔轨迹与设计穿越轨迹一致。
磁性定向仪用坚固的三轴磁力计测定钻具位置与当地地磁场的关系，它是一个电子罗盘，用一个三轴加速度计测定钻具位置与地轴的关系，它是一个电子水平仪。由数字传送仪输出数据，给出钻具的状态信息，状态信息包括：导向钻具的倾角、方位角和工具面向角。
连续取得的每一组测量数据都用于计算钻孔的实际位置与设计轨迹的偏差。
计算每一测点增加的位置偏差，能绘出实际的钻孔轨迹。这类仪器的精度为：倾角度数+/- 0.1，方位角度数+/- 0.3。
磁性定向仪还可以与实时跟踪系统（Tru-Tracker）结合使用。实时跟踪系统由放置于钻孔上方地表的电缆组成。测量电缆的位置，给其选择性地施加电压，产生已知强度和位置的局部磁场。磁性定向仪对感应磁场很敏感，钻进期间，采用专用软件可提高磁性定向仪的定位精度。
陀螺仪 陀螺仪测量系统用得不多。陀螺仪可保持固定的方向，且不受磁干扰的影响。然而，陀螺仪的大小受钻杆内径尺寸限制。小尺寸的陀螺仪精度低，且漂移增加，还要求专业人员操作。
4.2.2.3注意事项
选择应用上述仪器，应以现场技术要求和费用考虑为基础。一般，地表定位系统最便宜，但仅能用于距离较小的穿越。磁性定向仪用于较大的管线铺设工程，这些工程为避开已有地下管线钻进较深，且磁干扰小，能识别和量化。
工程选择的磁性定向仪和备用仪器，应有最近期的工厂标准校验，以确保其误差在生产商的额定范围之内。在现场对转角的标准误差检查，应在工程施工前进行。转角的标准误差检查也可在探头安装进钻具后，与确定的方向对照进行检查。
磁性定向仪应置于沿钻孔基准线的地面上——即相同磁干扰区——使仪器在一个圆周内以不变的方向转动时，记录下数据。转动检查至少应检查8个点。按钻进时的倾角状态检查，4个点足够。应沿钻孔轨迹的不同位置，选择地按钻进时的倾角状态检查磁场变化，确定仪器经过该处的方位。如果可能，倾角状态检查应使用装在无磁钻具内的磁性定向仪。检查时得到的所有数据都应记录，供与钻进施工期间比较。
在开始钻进导向孔时，使用Tru-Tracker的位置，应验证方位角并按需要调节。必须记录Tru-Tracker测量的资料和方位角的变化。
因为磁干扰、错误的方位定位、仪器失灵或操作员的失误，可产生错误的导向。然而偏斜的孔可用于建立正确的钻孔方位定位。将实际的钻孔位置和方向与计算的数据作比较，可用于进行重新钻进的设计。重新钻进时，钻杆退回到技术要求确定的点，然后重新钻进那段导向孔。
测量数据代表导向孔的位置，随后的扩孔操作可能改变钻孔的位置。例如，在软土层，由于扩孔器被拉时受张力，扩孔倾向于使孔变直。为了减少合格的导向孔偏离或“跑离”，实践证明：扩孔中使用套洗钻管是一种很好的施工方法。
4.2.3辅助设备
除钻机和定位与导向仪器外，还需要其他一些的辅助设备。如：使用钻进液或泥浆的钻进，需要泥浆泵、搅拌机、泥浆净化器等设备；使用“干钻岩石系统”的钻进，需要较高风压和较大风量的空气压缩机。钻孔进、出口工作坑和泥浆循环坑的开挖，可能需要使用挖掘机。现场搬运大直径管道或其他重物，可能需要吊车。钢质管道的连接和拉头的焊接，需要电焊机；聚乙烯管道（PE管）的连接需要熔融焊机，等等。
4.3工作人员
水平定向钻进需要的工作人员数量，取决于穿越工程和使用设备的大小。一般，中型钻机的施工班组应由5—7人组成。标准的工作岗位及其职责是：
定位及导向岗位——1人。主要职责：勘察工地，确定适当的钻机布置、入射角度和高程，确定孔径及分级扩孔方案，操作定位及导向仪器，发出调整钻孔轨迹的指令，并与钻机机长交流这些决定，记录导向数据。这一岗位应由工程师以上的专业技术人员担任。
钻机机长（或班长）——1人。主要职责：准备和调节钻具，操纵钻机，与导向人员交流钻进情况，设定机组的进度计划和工作状态，管理机组人员。这一岗位应由具有专业技师资格的人员担任。
钻进泥浆人员或泥浆工——1人。主要职责：掌握整个钻进液的搅拌、净化和循环系统，监视需要的水量，保持良好的水质、调节PH值，按特殊的施工要求调整合适的钻进液成分，使粘度、固相含量、比重等技术指标达到要求。
机械工、电工——1～2人。主要职责：监视与维护机械及电气设备的正常运转，出现故障时进行维修，帮助钻进中的所有其它操作。
杂工——1～2人。主要职责：帮助进行所有的钻进操作，包括操作钻杆、监测泥浆池、搅拌泥浆、供应水、操作重型设备以及缆线的连接。
钻进机组的目的是安全地达到最高生产率。
4.4钻具与钻杆
钻具与钻杆是由钻机的大小和类型、以及设计孔的环境和地层决定的。
4.4.1钻具 一般指孔内钻头至钻杆之间的所有钻进装置，又称孔底钻具组合(BHA)，BHA应根据使用的定位系统、土层条件和穿越深度的变化而改变。典型的BHA装配如下：
软土层/手持式跟踪——BHA由可改变角度和方向的喷射或铲形钻头、探头室和钻杆组成。
中—硬土层/手持式跟踪——BHA由铣齿牙轮钻头、改变角度和方向控制的弯接头、探头室和钻杆组成。
硬土或岩石层/手持式跟踪——BHA由镶齿牙轮钻头、预先安置好弯头的泥浆马达、探头室和钻杆组成。（图4.4.1a）

图4.4.1a 硬土或岩石层/手持式跟踪
软土层/有缆式——BHA由钻头、弯接头、浮动接头、装有探头的定向接头、泥浆马达、无磁钻铤和钻杆组成。除钻头外，整个BHA由无磁性钢材组成。
硬土或岩石层 /有缆式——BHA由钻头、泥浆马达、浮动接头、定向接头、无磁钻铤和钻杆组成。（图4.4.1b）

图4.4.1b 硬土或岩石层 /有缆式

4.4.2钻杆 选择合适的钻杆非常重要，钻杆的外径和壁厚对钻孔弯曲半径有影响。大直径钻杆不能安全地进行小曲率半径的弯曲，因而不能用于短距离弯曲孔。钻杆直径越小，越易弯曲，在适当的地层条件下更适合短距离孔。设计的钻孔弯曲半径应大于欲铺设的钢管和钻杆的允许弯曲半径，或至少是其直径的1200倍。用其它非刚性材料的管道，如高密度聚乙烯管HDPE，弯曲半径可以更小。钻孔弯曲半径越大，回拉时铺设管线越安全。相反，如果钻孔轨迹设计按管材计算的最小弯曲半径，则没有误差的余地。
如要使用孔底泥浆马达，需要最大的钻杆内径或水眼，以提供合适的钻进液流量，将地表压力损失和钻杆压力损失降到最低，这样可给钻头提供最大水马力。钻杆、胶管、单动接头及其它接头的内径(水眼)是保证足够流量的重要因素。
4.5施工场地及布置
4.5.1施工场地
水平