水平導向鑽掘工法(Horizontal Directional Drilling)或稱HDD潛鑽工法,係埋設地下公共管線的免開挖技術;利用水平導向鑽掘方法穿越障礙物底部,以埋設鋼質管線,高密度聚乙烯管(HDPE)等地下公共管線如電纜、光纖、電線、氣、油、水管的鋪設。由於克服傳統開挖施工法所無法穿越障礙物的缺點,因此這種快速、新穎又安全的管線鋪設工法為各管線工程界廣泛使用。

HDD潛鑽工法以水平導向鑽掘機,配置旋轉鑽桿,以高壓水力輔助切割,藉由鑽頭導引系統所發射位置的訊號,依規劃埋設路徑、深度及距離。引導前鑽成ㄧ孔道(Pilot Hole Directional Drilling),然後以擴孔器沿孔道回擴(Reaming),其回擴次數依工程需求而定(Barrel Reaming),最後以回拉器將埋設之管材拉入孔道內(Pulling Back),完成該段鋪管的工作;設X至Y為欲埋管線之距離,BC為XY之間預先掘好之工作井、入口徑角度及其與B工作井之距離,端視欲埋管線深度計算再調整。A小井至B工作井之距離遠小B井與C井之距離。當第一階段之”引導孔”自B至C打通時,於C井處將引導鑽頭取下,代之以欲埋管線口徑相若之鑽頭往回拉,此鑽頭再將原”引導孔”擴大及B井時,CB間應埋之管線即已埋妥,一相同方法再自C井至 N井重複施作,XY間之管線即已埋設完成。

此種潛挖施工示意圖如圖1:

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圖1 HDD工法示意圖

圖1中導鑽,擴孔,修孔,拉管之過程,均需使用皂土穩定液來穩定孔壁,潤滑鑽頭並藉以將鑽屑運出;使用皂土穩定液其原理在於穩定液遇水解時,會形成單層片狀表面積膨脹的泥漿,比重在1.05~1.15,隨著水或土壤空隙滲入土壤內,孔壁形成ㄧ層薄的保護膜,這泥膜(Filter Cake),阻隔地下水滲入,穩定土壤並保護孔壁,在鑽掘時擴孔、修孔、拉管維持穩定不坍塌,由於穩定液具有潤滑性,控制孔壁鑽屑使之懸浮,快速發展強而有力的膠結結構,使管線回拉時增加潤滑度,減少阻力,並將鑽屑隨著穩定液排出孔外。然而皂土穩定液填縫造壁,形成的泥膜,需具有極佳的膠結強度與濾過性(Filtration Control),泥膜的濾過性愈小,泥膜愈堅韌;孔道穩定液失水量愈低,孔壁穩定度愈佳;而穩定液膠結強度愈強,運送鑽屑的懸浮力愈大,鑽屑運送性愈佳。由於水平導向潛鑽時,先用鑽頭或擴孔器確實鑽一孔道,再將鑽屑和穩定液混合使其懸浮於穩定液中並運出孔外,此泥漿(穩定液+鑽屑)有如運送帶將鑽屑運出,礙於泥漿泵浦及擴孔器尺寸,無法和垂直鑽掘ㄧ樣,利用黏度及環流速度將鑽屑運出孔道,致使沉澱鑽屑而包覆鑽桿,甚至拉管時「卡管」。HDD孔內必須越乾淨越好,因此,水平導向潛鑽工法的皂土穩定液需具“輕盈有力”的膠質性,使其在孔道內保持相當穩定的流動性,是故配合不同工程,工法的需求,以及地層的土質變化,調配皂土添加劑;又因皂液之功能主要為潤滑鑽頭,增加孔壁穩定及帶出切削,因此,其皂液之調配可隨時依場狀況調整,而皂液補充量則視鑽掘速度而定。

HDD工法在施工前依據地層鑽探資料了解土質狀況,如其為黏土層或頁岩層,則需加入增黏劑提高鑽掘液之黏滯度,用以包覆黏土與頁岩,防止水份滲入,降低土質水化膨脹,避免增加鑽屑體積,使鑽掘液在孔道中穩定流動;如土質為粗砂及卵礫石則需加入懸浮劑,以提高鑽掘液的膠體強度,提高鑽掘液中鑽屑、粗砂、卵礫石的靜置懸浮力,而易於運送出孔道,使鑽掘液在孔道中穩定流動,如土質為易滲水的不穩定砂層,則需加入降失水劑,提高鑽掘液的膠體強度,增加泥膜的堅韌性與保水性,降低鑽掘液在孔道中的失水量,以防止塌孔。一般地下水的PH值為6.5~7,並含相當的重金屬,可在穩定液中加入蘇打(Na2Co3)使其鑽掘液維持在最佳使用效能的PH值8~10,並將硬水變成軟水,鑽掘液中的重金屬愈少,其使用效能愈佳。在HDD工法中,穩定液的密度是比重計測量 (磅/加侖),用之測量穩定液成泥漿的鑽屑含量,依此數值來判定鑽掘孔道內回流穩定液中鑽屑含量的多寡,如果太高,表示必須加大泥漿泵的馬力,或是放慢鑽掘或回擴的速度,同時依此數值,可用來測量回收系統(設備)的效能。

總而言之,HDD工法穩定液之調整有其一定的環境與條件,善用填加劑的特性,使其真正發揮最大功能,則可妥善完成HDD工法任務。

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照片1 潛鑽施工

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照片2 潛鑽施工

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