回拖力影响因素

水平定向钻穿越铺管时，通过钻机将管道回拖拉入钻孔，随着管道的拖入，进入钻孔中管道的长度不断增加，钻孔外部待拖入管道的长度逐渐减小。在这一过程中钻孔外端管道与地面总的摩擦力逐渐降低，孔内管道受到的多种阻力不断增加，如管道与孔壁的摩擦力、弯曲效应产生的阻力等，总体表现为回拖力随着铺管长度的增加而增加。

回拖力的影响因素包括管道与孔壁和地表的摩擦力、管道受到的钻孔内部泥浆的拖曳力和管端的阻力。管道与孔壁和地表的摩擦力是回拖力的主要组成部分，主要有管道和其配重物在其自重下与土体的摩擦力、绞盘效应和弯曲效应产生在管道上的附加应力所引起的管土摩擦力。泥浆对管道的拖曳力和管端阻力也是要考虑的。当孔壁不稳定时，还要考虑塌落的土体作用在管道上的作用力。

5.1.1 管道回拖力的研究现状

目前，实际工程中的回拖力计算大都采用经验估算法，如卸荷拱土压力计算法、净浮力计算法和绞盘计算法。涉及到的标准有《油气输送管道穿越工程施工规范》、《给水排水管道工程施工及验收规范》、《Standard Guide for Use of Maxi－Horizontal Directional Drilling for Placement of Polyethylene Pipe or Conduit Under Obstacles，Including River Crossings》等。这些计算理论和公式考虑了管土间摩擦力、绞盘效应、泥浆拖曳力等影响回拖力的因素，美国ASTM的标准计算结果与实际工程较为接近。另外，除了ASTM、ASCE和ISO等相关标准提供的计算方法以外，针对管道回拖力的相关研究还有1993年Phillps Driscopipe第一次针对聚乙烯管道提出相应的回拖力计算公式，1996年提出的Drillpath计算方法，同年Huey et al专门针对钢管管道提出的国际管道研究会的计算方法，2002年Maria Anna Polak提出全面考虑管道回拖过程中的各种因素的计算方法。但由于这些公式考虑的因素较少，与实际工程中回拖力的实测值相差较大。上述公式计算假设整个穿越管道由多段直管相连，仅考虑地表摩擦及管道与孔壁间摩擦，而将弯曲变形造成的阻力及泥浆造成的流体阻力进行了简化或忽略，这些因素包括管道与地表摩擦力、孔壁间摩擦力、泥浆粘阻力以及弯曲段形成的相应作用力。

目前水平定向钻技术在我国发展迅速，但国内相关科学研究和试验技术的发展较缓慢，以致形成了理论落后于工程实践的局面。随着定向钻进技术越来越被工程技术人员接受，水平定向钻研究工作将得到进一步发展，理论滞后的局面将有所改观。随着水平定向钻技术的应用范围不断扩展，铺管的管径、长度和地层情况都不断的刷新，管道回拖过程中不断增加的回拖力和有限的拉力矛盾的问题更加显著，地层的适应性、轨迹设计和其他一些影响管道回拖力的问题成为技术人员关注的焦点，尤其是穿越砂卵石层、硬岩地层、砂性土地层等复杂地层时需要进一步对回拖力的影响因素和计算方法进行细化。

5.1.2 管土间摩擦力

管土间摩擦力是在管道与土层或地表接触情况下，接触面上有一定压力作用并且具有相对运动或运动趋势，从而产生阻碍管道向前运动的力即为管土间摩擦力。要确定管土间摩擦力大小，首先假定钻孔处于稳定状况，然后确定管土作用面上的压力大小，压力主要来源于管道自重与管道浮力，如果管道重力大于浮力那么压力方向向下，反之则压力方向向上。

对于处于钻孔外部的地表管道，仅仅考虑其自重，单位长度管道重力可通过下式进行计算：

在水平定向钻回拖管道过程中，钻孔内一般充满泥浆，浸没于泥浆中的管道受到一定的浮力，位于钻孔内部的塑料管道和大部分钢管都是管道浮力大于重力，只有部分小直径的钢管或铸铁管可能出现重力大于浮力的情况。故在考虑浮力的条件下，单位长度管道重力方向上的合力为：

式中：Wp——单位长度管道的重力（k N／m）；

Ws——单位长度管道重力方向上的合力（k N／m）；

rp——管道外径（m）；

ri——管道内径（m）；

γp——管材重度（k N／m3）；

γw——泥浆重度（k N／m3）。

在大直径长距离水平定向钻回拖施工中，一般会采取管道内注水等方式进行回拖，在这种情况下，应将注水管的重量考虑进去，在后面的实例计算中将详细讨论注水降浮的回拖力对比。

另外，水平定向钻管道与水平方向的角度对管土间摩擦力及回拖拉力都有一定的影响，具体而言，由于存在一个倾角，重力可以分解为管道垂直分力及沿管道方向的分力，其中与管道垂直的力即为管土间正压力的组成部分，从而影响管土间摩擦力；而沿管道方向的分力则影响整个回拖力大小，进行直接加减运算。

沿管道方向的分力Fl表示如下：

式中：Fl——部分管段与水平方向存在一定的角度而引起的回拖力变化大小（k N）；

αi——第i段倾斜管段与水平方向的倾斜角（°）；

Li——第i段倾斜管段的长度（m）；

Ws——单位长度管道重力方向上的合力（k N／m）。

若沿管道方向的分力与回拖拉力方向相同时取负号，即此时管道由于沿管道方向分力的存在使得总回拖力降低。

对于水平定向钻穿越管土间摩擦力的计算分为两部分进行：①管道与地表之间的摩擦力计算；②管道进入钻孔内与钻孔内壁之间的摩擦力计算。

5.1.2.1 管道与地表间摩擦力计算

其中：fd——管道与地表间的摩擦系数（无量纲）；

L——总管道长度（m）；

Lk——管道在钻孔内的回拖长度（m）。

在实际施工中，特别是对于大尺寸水平定向钻施工，地表管道常常采取一定的减阻措施，比如开挖注水沟，让管道浮于水面上，减小管道与地表间的摩擦力（图5－1）；在悬曲段一般运用滑轮组将原本管道的滑动摩擦转变为滚动摩擦（图5－2），从而降低摩擦力，最终减小总回拖力。

图5－1 注水沟减阻

图5－2 滑轮组减阻

5.1.2.2 管道与钻孔内壁间摩擦力计算

经过前面的分析可知，钻孔内部所考虑的因素更多，除了管道自重外，另外需要考虑管道浸于泥浆中的浮力、管道倾斜情况下的垂直分力；浮力在管道方向的分力则直接加减到总的回拖力中，而与管壁间摩擦力无关。综合上述三个因素得到孔内摩擦力计算式为：

式中：fi——管道与钻孔内壁间的摩擦系数（无量纲）；

α——钻孔内管道与水平面之间的夹角（rad）；

其他符号意义同式（5－4）。

5.1.3 绞盘效应

水平定向钻轨迹中包含有多个曲线段，入土点到水平段及出土点到水平段为具有一定弯曲弧度的曲线段，曲线段的管道在受力情况下（此时不考虑管道刚度）对回拖力有一定的影响，这种情况被类比为绞盘绞绳原理，并引进绞盘效应计算管道弯曲段对回拖力的影响。将穿越管线假设为一条缠绕于巨型圆筒上的柔性管线，如图5－3所示。式（5－6）为考虑绞盘效应的弯曲段回拖力计算式。

式中：e——自然对数的底数（e＝2.71828）；

μ——管道与泥浆之间的摩擦系数（无量纲），通常取0.3；

θ——管道的弯曲角（rad）；

Ws——单位长度管道重力方向上的合力（kg／m）；

L——回拖长度（m）。

绞盘效应的主要力学理论基础为阿基米德浮力定理和绞盘效应，计算过程引入绞盘效应的同时，需要满足几个前提假设条件：①穿越管道在回拖过程中始终处于柔性状态；②终孔形成的钻孔孔壁始终保持稳定，不存在塌孔漏浆现象，孔壁光滑平缓；③回拖过程中管道与钻孔壁之间忽略摩擦力以外的其他作用力。

图5－3 绞盘计算示意图

实际穿越管道本身不可能像缆绳一样柔软，管道本身存在一定的刚度，这个刚度的存在加上弯曲必将产生一定的作用力与反作用力；另外，钻孔轨迹也不可能完全按照所设计的路线产生。也就是说，与理论轨迹相比，实际情况的钻孔轨迹不可能完全平缓光滑，有时会出现多个拐点，而且土体在自身重力作用下不可能处于绝对的稳定状态，所以实际存在的绞盘力通常比计算值更大。

5.1.4 弯曲效应

上节讨论了绞盘效应，绞盘效应因弯曲而产生，但是计算公式的假设条件中忽略了管线自身的刚度，一般适用于柔性管道，如PE、HDPE等塑料管道，但如果回拖管道为钢管等刚性管道，位于弯曲段的管道将产生一个角度变化，管道在与土体相互作用下沿着所形成的弯曲孔壁拖行，这个过程中，土体与管道之间将产生一定的作用力与反作用力，这个作用力即为考虑弯曲效应所产生的力。

下面讨论弯曲段计算模型，如图5－4所示。设AB段为回拖过程中形成的弯曲管道轨迹，长度为L，水平方向与管道弯曲起始段夹角为αA，水平方向与管道弯曲结束段夹角为αB，则AB段角度改变值为Δα＝αB－αA，根据基本几何原理得出，弧AB所对应的圆心角即为Δα。

由几何关系易得，弯曲管段处所对应的弯曲半径为：

R＝L／Δα（5－7）

图5－4 弯曲段拉力增量计算模型图

则CD的长度即为管道弯曲形成的挠度值h：

h＝R（1－cosΔα／2）＝L（1－cosΔα／2）／Δα（5－8）

式中：R——弯曲段的弯曲半径（m）；

L——弯曲段长度（m）；

Δα——弯曲段两端点水平倾角改变值（rad）；

h——弯曲段挠度（m）。

引入相应理论计算弯曲效应，类比模型可以看出，对于此弯曲段管道可以将其视为弹性力学里的弯曲梁，假设弯曲段管道在钻孔内受力如图5－4（b）所示，此时假定管道与孔壁为点接触形式，作用点分别如图5－4（b）中的A、B所示，两端点A、B由于与钻孔孔壁接触而受到钻孔孔壁施加其上的反作用挤压力，而AB段中点E与钻孔上部接触而受到孔壁作用其上的向下的挤压力。因此，可以将弯曲段模型视为两端简支受力、中间受集中荷载的简支梁。图5－4中，A、B点即为简支，管段中点E处受集中荷载PE。由材料力学相关理论，得出PE所引起弯曲挠度值为：

h＝PEl3／48EI（5－9）

联立式（5－8）和式（5－9）可得：

根据理论力学知识求得A、B点处支反力为：

则弯曲起始点A、B处管道所受的正压力值为：

E点处管道所受反作用正压力为NE＝PE，由此可得到在AB弯曲段，由于管道弯曲而产生的附加弯曲阻力为FS＝f（NA＋NB＋NE），即：

式中：FS——弯曲段管道附加阻力（N）；

fs——回拖管道与孔道内壁之间的摩擦系数（无量纲）；

E——管道材料弹性模量（k Pa）；

I——管道极惯性矩，圆环截面按照I＝π（D4－d4）／64进行计算，其中D为管道的外径（m），d为管道的内径（m）；

Δα——弯曲段两端点水平倾角改变值（rad）。

5.1.5 流体阻力

管道回拖的流体阻力包含两个部分：泥浆拖曳力和流体动阻力。泥浆拖曳力是指管道回拖过程中泥浆作用在管道上的动切力；流体动阻力是指作用在管端的流体压力。泥浆拖曳阻力对回拖力的影响大小一直存在争议，学者们对此也做过多次试验，如Baumert进行的水平定向钻穿越管道安装实验中监测模拟出的泥浆拖曳阻力占总回拖力的很大部分，最高可达77％，而与此对应的Polak模型实例计算得出的泥浆拖曳阻力仅占整个回拖力的0.11％，由此可见，两者相差甚远。主要原因是泥浆参数选取不一致，导致回拖力计算波动较大，Baumert等人分别采用高剪切速率与低剪切速率下所获得的泥浆剪切数据回归流变参数用于孔底泥浆压降损失的计算，两结果相差70％，分析认为低剪切速率下的流变参数更适合在回拖载荷的计算中应用。目前泥浆拖曳阻力对回拖力贡献权重问题依然在研究探讨中。

鉴于泥浆本身的性质特征，泥浆流体为典型的非牛顿流体。目前计算泥浆拖曳阻力主要有两种思路：①经验法确定，即根据现场施工经验直接确定管道外表面所形成的泥浆剪切应力值大小，根据管道外表面积大小确定整个流体阻力值，或是根据活塞效应，基于孔底压力的监测数据反算出流体阻力；②解析法确定，本方法主要是基于流体力学推导而来，具体而言，分析泥浆流体在管道与孔壁间的流动规律，推导出管道与泥浆界面之间的剪切应力的计算公式。解析法的基础为假定泥浆流动符合幂律流体在同心环形空间中的稳定流动，如图5－5所示，推导过程省略，最终的泥浆拖曳力的计算公式为：

式中：（Td）i——第i段的泥浆拖曳力（N）；

K——泥浆稠度系数（Pa·sn）；

n——泥浆流性指数（无量纲）；

Rp——回拖管道的半径（m）；

D——管道外径（m）；

v（r）——泥浆流速分布规律（m／s）；

Rl——环形空间中泥浆的最大流速处半径（m）；

Rb——终孔半径（m）；

vp——管道的回拖速率（m／s）；

dp／dz——沿管道轴线方向的压力梯度（Pa／m）；

Q——泥浆流量（m3／s）。

联立式（5－14）、式（5－15）和式（5－16），迭代计算可求解相应的流体阻力（Td）i。

图5－5 泥浆流体钻孔流动模型

管道回拖期间，泥浆拖曳力与泥浆、泥浆流速、管道及钻孔的几何尺寸有关。实际施工中为了简化泥浆拖曳力的计算，一般用泥浆拖曳系数进行简化，即单位面积上的拖曳力，取0.15～0.35k N／m2。而流体动阻力采用简化的公式进行计算：

式中：THK——流体动阻力（N）；

q——流体压力（k Pa）；

DBH——钻孔直径（mm）；

D——管道外径（mm）。

5.1.6 管端阻力

管端阻力是由于管端前部松散土体累计堆积，阻碍回拖管道前进而形成的阻力。一般随着管道在孔内拖行距离的增加而增加，因为管道拖行的距离越长，其前端堆积土体的长度也越长，管端阻力也相应越大。管端阻力主要取决于土的性质和土体累计堆积长度。管端阻力可按下式计算：

式中：KP——被动土压力系数（无量纲）；

D——管道直径（m）；

γ——堆积土体重度（k N／m3）；

l——松散土体累计堆积长度（m）。

目前，大多数计算回拖力的公式和模型没有考虑管端阻力。因为通常的终孔直径为管道直径的1.2～1.5倍，甚至更大，清孔彻底后再进行回拖铺管时管端前堆积的钻渣和孔壁失稳掉块的体积量很小。因此，管道回拖之前一般进行了一次或多次清孔，这样能保证钻孔的清洁程度较高的情况下管端阻力较小，甚至可以忽略不计。

5.1.7 卸荷拱效应

普式卸荷拱理论由普罗托季扬可诺夫提出，他认为地层居于整体与散体之间。为了确定地层压力的量值，他对地层采用散粒体定理，并由于地层中有裂隙、节理和其他破坏现象，而把地层视为在一定程度内不相联系的物体。他将微粒间存在的联系考虑为实际的摩擦系数的增加，而采用所谓“似摩擦系数”应用于地层时，普氏称为地层坚硬系数。

普氏研究了坑道上方形成卸荷拱AOB的平衡条件，如图5－6所示。

图5－6 卸荷拱受力示意图

根据普氏理论的计算方法，首先应确定卸荷拱的形状高度。设作用在普氏拱体单位面积上的压力为q，理论上等于拱体上部土层的压力，即高度为H的散粒体柱重量。考虑到H值一般很大，略去拱上各点的高度差。取拱上任何一部分MO为自由体，并以O点为坐标原点，在OM段上作用有下述各力：①在O点的水平推力T；②垂直压力的合力qx，作用在x的中点；③在M点作用切线方向的反力W。

对M点的力矩总和为：

式中：q——土拱顶部单位长度的压力（k N／m）；

x——X轴方向上的长度（m）；

T——Y轴方向上的剪切力（k N）；

y——Y轴方向上的长度（m）。

可知式（5－19）为二次抛物线方程式，因此得到卸荷拱为抛物线形状轨迹。利用拱端处的平衡条件，可以确定未知力T。在点A处拱的水平推力T及垂直荷重a1q与支承的垂直反力V及水平剪力N平衡，V力将地层微粒紧压在支承上，N力则企图推动这些微粒。设土体内摩擦角为φ，摩擦系数f＝tanφ，当为粘性地层时，还将地层微粒间的粘聚力也考虑在内，f＝（c＋σtanφ）／σ（c为粘聚力，σ为法向压力），因此这个系数f是“似摩擦系数”，在整体坚硬岩层内，普氏近似取f＝Rc＊／100（Rc＊为岩石极限抗压强度）。为了使拱圈平衡，必须使剪力N等于或小于摩擦力f V。因N＝TV＝qa1，当T等于fqa1或地层微粒能移动时，拱圈情形极不稳定，因此必须使p小于fqa1。假设T为作用在半拱圈上的一系列水平剪力τ，则可写出下述平衡公式：

T＋τh1＝fqa1，T＝fqa1－τh1（5－20）

将此T值代入式（5－19）得：

解τ值得：

式中：T——Y轴方向上的单位剪切力（k N／m）；

τ——作用在土拱圈上的单位水平剪力（N／m）；

f——土体的摩擦系数（无量纲）；

q——土拱顶部单位长度的压力（k N／m）；

a1——土拱跨度半径（m）；

h1——土拱的高度（m）。

卸荷拱高度h1根据水平剪切力τ的最大值来确定，为此将上式对h1进行一次微分，并使其等于零：

由此得：

因不为零，故必须a1－fh1＝0，由此得卸荷拱高度为：

式（5－25）就是普氏建议的卸荷拱高度的计算公式，其符号意义同式（5－22）。

下面结合水平定向钻钻孔的特点来分析土拱理论对作用在管道上部土压力大小的影响。为了简化模型，这里假设：①岩体为松散体，除内摩擦效应外，还存在一定的粘性；②洞室顶部能形成压力拱，压力拱稳定条件为拱切线方向只作用有压力；③作用于衬砌结构上的压力，为压力拱与衬砌结构间松散岩土体的重量，而与拱外岩层及洞室埋深无关。

图5－7 卸荷拱示意图

围岩的垂直松动土压力为（图5－7）：

q＝γhk（5－26）

自然拱的形状和尺寸（即高度hk和跨度2bt）与岩体的坚固系数f有关，表达式如下：

hk＝bt／f（5－27）

式中：hk——自然拱高度（m）；

bt——自然拱的半跨度（m）。

在松散和破碎岩体中，自然拱的跨度相应增大，如图5－7所示。此时bt为：

式中：D——钻孔的直径（m）；

R——钻孔的半径，即影响范围深度（m）；

φ0——围岩体的内摩擦角，φ0＝arctanf。

由以上证明可知，卸荷拱的形状是研究其自身的平衡条件而得到的。所以上部地层不会对支撑或衬砌产生压力，支撑及衬砌将仅仅承受在卸荷拱下面的地层重量的压力。然而在实际的回拖力计算中都是假设孔壁处于稳定状态，因此不会采用卸荷拱效应分析和计算回拖力。

5.1.8 环空间隙

环空间隙是指管道回拖过程中管道外壁与钻孔内壁之间的间隙，其大小为钻孔直径与铺设管道直径的差值。环空间隙的大小与管道回拖时的阻力密切相关，如果环空间隙过小则：①导致孔壁与管道接触压力增大，弯曲段作用压力增大，回拖拉力增大；②钻孔容错率较小，如果钻孔在施工过程中有不规则的弯曲或急弯，则容易造成管道折断或变形；③管周地面受到管道作用孔壁的压力而造成地面隆起或者相邻管线受到地层压力挤压破坏或变形。

因此对于铺管回拖而言，环空间隙越大回拖阻力越小，但是在增加环空间隙时，必定需要增加钻孔尺寸，导致成本剧增，此外孔径越大孔壁的稳定性越差，钻孔发生孔壁坍塌、地面沉陷的几率就越大。

一般而言，终孔直径由地层地质条件、铺设管道的直径、管材类型、钻孔设计轨迹的曲率半径和管道铺设距离几个因素决定。

根据目前我国的国标和相关研究，最终扩孔直径按照下式进行计算：

D＝K·D0（5－29）

式中：D——钻孔的终孔直径（m）；

D0——成品管道外径（m）；

K——扩孔经验系数（无量纲）。

一般水平定向钻穿越工程K值取值范围为1.2～1.5；当地层条件为均质完整时，K取较小值，当地层条件复杂时，K取较大值。在实际工程中为了方便使用，通过拟铺设管线长度L来确定K值，推荐扩孔经验系数为：①L≤50m，K取1.2；②50m＜L≤100m，K取1.3；③100m＜L≤300m，K取1.4；④L＞300m，K取1.5。

5.1.9 水平定向钻穿越工程常见问题及对回拖力的影响

水平定向钻施工中常常遇到的工程问题主要有孔壁坍塌、轨迹偏离、孔壁变形、超径缩径、埋钻卡钻、扩孔头磨损、泥浆漏失及泥浆阻塞等。这些工程问题都将在一定程度上影响管道回拖力大小，如果情况严重，还会导致回拖力异常增大，从而使整个工程失败。很多时候这些工程问题往往不是单独出现的，比如在不稳定地层出现孔壁坍塌时，同时也会导致钻孔轨迹的偏离，在孔隙率较大的地层中钻进会导致泥浆漏失。

5.1.9.1 孔壁坍塌

孔壁坍塌会增加管道与孔壁土体接触处的作用力，进而增加摩擦力，此外回拖过程中孔内塌落下来的岩土体会增加泥浆中钻渣的含量，也会增加泥浆对管道的拖曳力和管端阻力等。塌孔的依据可以按以下几条进行判断：①孔口返出沉淀岩屑量增加，砂样级别差异大；②循环回路泥浆的粘度、含砂量、密度、切力等皆明显增高；③回拉钻具会产生一定的遇卡现象，严重时产生卡钻事故，导致导向孔无法驱动而报废或埋管。

孔壁坍塌的主要原因，一方面是地层本身不稳定，另一方面是操作过程中产生的机械物理应力而导致。第四纪沉积层、杂填土层、淤泥层、砂层等地层均为水平定向钻施工的不稳定地层，当水平定向钻施工过程中泥浆液柱压力不足以平衡所在地层压力时，就可能发生塌孔。另外，水平定向钻穿越的扩孔过程中孔壁内充满了泥浆，孔壁土层所产生的地应力与泥浆压力产生压力差，压力差大于地层岩土的屈服强度时，就会产生不同程度的掉块、剥落与坍塌，在泥浆的浸泡作用下破坏现象更趋严重。机械物理因素一般包括：①泥浆的冲蚀作用；②拉扩孔或者回拖铺管时回拉过快，泵压上升过猛导致的钻孔内液柱压力激动。因此在水平定向钻穿越的施工过程中需要注意上述问题，以减小管道的回拖力。

5.1.9.2 轨迹偏离

水平定向钻穿越的钻孔轨迹无法避免钻孔弯曲，一方面先导孔轨迹一般由两个或多个弯曲段和直线段组成，另一方面扩孔工艺和扩孔机具选择不当会形成钻孔弯曲，扩孔工艺与机具选择得当，就会使得已有的钻孔弯曲相对减小，反之，钻孔弯曲会有逐渐增大趋势，导致铺管阻力增大。扩孔过程中的弯曲规律与地质条件、扩孔方法、机具类型、钻进规程等技术因素有关。可以说无论用何种扩孔方法，在多种因素作用下都会发生弯曲，并由某个因素起主要决定作用，如果扩孔的弯曲方向与已有孔斜方向相反，则起到了修正弯曲的目的。总之，扩孔过程不仅能使铺管孔径增大，而且对先导孔具有修正作用。如果先导孔只具有小的弯曲，并且扩孔工具选用适当，经过扩孔工序后能达到较理想的“直”孔，否则会造成“曲上加曲”的局面。例如在软硬不均的地层中，扩孔钻头易偏向软地层，即偏向阻力最小方向，多次的扩孔使这种现象趋于严重化，甚至形成大的阶梯。因此，遇到此类情况，应合理选择扩孔钻头类型。在几种典型的扩孔钻头类型中，葫芦型、双向纺锤形钻头保直性较好，翼状钻头较差。从规程参数上应采取快速通过，以减小造成弯曲的时间来达到钻孔的平直。另外，随着孔径的扩大，无疑会导致钻具和孔壁间出现间隙而形成非圆柱形的孔身，在此基础上，多自由度的钻头受到轴载、离心力、重力和扭矩等共同作用，会使弯曲加剧，应适当增加粗径钻具长度或采取组合钻具，并力求减小扩孔钻头重量。对于第一种弯曲情况，设计过程中都已经考虑到弯曲对回拖力的影响，而第二种情况的弯曲对管道回拖非常不利，即使回拖的管道是柔性的，弯曲阻力也会造成不利影响，如挤扁、拉断等。因此设计和施工中都应选择合理的扩孔工艺和钻具使得自然或人工形成的钻孔弯曲尽量减小，从而达到高质量扩孔目的。同时也应重视扩孔对钻孔弯曲的影响，如果成孔有大的弯曲，铺管难度大大增加，也易造成路面以下大的空洞，甚至垮塌。

5.1.9.3 缩径超径

水平定向钻施工中缩径抱管是造成回拖力异常增大的重要原因之一，情况严重时可能造成地面设备回拖力不足而无法继续正常回拖管道或者导致地下管道超屈服拉力而破坏。导致钻孔缩径抱管主要有两方面的原因：①钻孔内泥浆压力不足以抵抗地层向钻孔孔壁方向施加的压力，从而形成土体向钻孔中心的挤压缩径；②泥浆的侵润作用导致近孔壁地层的软化。上述两方面相互联系，相互影响。影响缩径超径的因素有孔内泥浆压力与地层应力对孔壁压力之差的大小、地层的软硬程度、成孔时间和土体的蠕变性。

5.1.9.4 埋钻卡钻

在不稳定地层中成孔或扩孔时，孔壁的严重失稳或坍塌会造成整个钻头或扩孔器淹埋，引起回拖力及扩孔扭矩剧增而超出设备极限，最后导致回拖工序甚至整个工程失败。

5.1.9.5 扩孔头磨损

在砂层、卵砾石或岩石地层中钻进或扩孔时，由于地层主要成分为石英或岩石，这种情况下对于导向钻头及扩孔头的磨损非常大，特别是扩孔过程中对于扩孔头的磨损直接影响扩孔进程及扩孔效果。

5.1.9.6 泥浆漏失和阻塞

钻孔孔壁泥浆漏失主要发生在大孔隙比的地层中（例如砂砾石地层等），当钻孔内泥浆压力大于地层压力时，钻孔内钻井液将沿着孔隙流入地层，直至达到压力平衡为止。水平定向钻在复杂地层条件下施工时，钻孔孔壁可能发生垮塌或者钻进曲线波动变化，并造成泥浆堵塞现象，泥浆堵塞情况严重时可能导致地表隆起甚至土层破裂。导致钻孔泥浆堵塞的原因主要有钻孔轨迹偏离严重、未知障碍物突起、不稳定地层孔壁坍塌、泥浆黏稠没有在孔道内充分流动、钻进泥浆配比不合适等。如图5－8所示，当钻孔轨迹为理想情况时，钻孔孔道为平滑曲线，当钻孔轨迹发生偏离，钻孔行进方向发生改变，孔壁与管道将产生抵触接触。这种情况下可能导致环道中的循环泥浆出现部分或完全堵塞。

图5－8 钻孔泥浆正常循环和泥浆受阻的对比

当地层主要为粘性土时，粘性土（蒙脱石等膨胀系数大的地层）遇水膨胀，钻孔孔壁有向内缩进趋势，管道与钻孔孔壁之间的环形空间尺寸较少；此外在粒状地层中，比如砂土或砂砾，由于此类地层中土层粘聚力很小甚至不存在粘聚力，钻孔容易出现坍塌压管现象。另外，钻进泥浆的作用不仅仅是用来悬浮和运送岩屑，还有助于孔壁的稳定，选择适当配比的钻进泥浆是防止孔壁坍塌的基础。如果泥浆选择不当，则可能出现钻屑不能完全从环形空间内排出，在管道周围逐渐沉淀，最终阻塞钻孔环形空间，泥浆循环受阻，回拖力增加。