水平導向鑽掘(HDD)工法簡介

張富進　技師

水平導向鑽掘工法(Horizontal Directional Drilling；HDD)源自於石油探勘工程，是一種原本用於垂直鑽探時改變方向的機械設備，主要用於突破石油公司鑽探石油或天然氣遇到岩層時，做任何角度的改變。HDD工法在1972年在河川下使用，成功的埋設鋼管，此為第一件成功案例。

HDD適用於管線之佈放，其工作式為利用水平導向鑽掘機於事前預定路線之深度及位置上，鑽掘一適合拉管的孔道後(孔道充滿著土壤與皂土的混合物)，然後再行埋置管線，利用擴孔鑽機本身回拉的方式，將欲佈設的管線拉入孔道內，完成佈管之工作。HDD工法完全利用機械施工，工作人員在地面，且鑽掘路線可彎曲，曲線及深度的限制比較少，特別適用於有障礙物，(河流、道路、鐵道、機場、港灣、建築物…)之管線佈放。此工法對人員全性，施工對環境，交通及社會成本皆優於其他工法，因此歐美國家已用此工法於管線(油、氣、電力、電信等)之佈放達20年之久，東南亞國家亦普遍採用此工法已達7年之久，國內於三年前引進，中華電信、台電、中油等公司均有成功的案例，此工法為一安全、快速、優異之管線施工方法。

HDD的規劃應做下列工作：

1.路徑勘察。2.管線出入口點、水平導向鑽掘機擺放位置空間勘察。3.地質鑽探。4.設定路線，測量定線繪圖標示等，因限篇幅在此不加詳述。

開工前準備工作：

1. 欲埋設管線預製完成及擺放於事前選定之路線上。

2. 機具設備整理準備及進場：a. 水平導向鑽掘機；b.鑽桿；c.鑽頭；d.皂土攪拌設備；e.皂土液回收設備；f.皂液補充泵；g.導向設備；h.水電設施及供應；i.運輸及現場吊裝設備

3. 耗損材料準備：a.皂土及其他添加劑；b.水質調整劑(Soda Ash)

施工程序：

HDD施工程序主要分為三大部份：1.為導孔鑽掘；2.為擴孔；3為拉管，並佈設管線。分述如下：

1.導孔鑽掘（簡稱導鑽）：導鑽之目的為將鑽桿置放於欲埋設路徑上，以利於後續鑽孔及拉管之進行。（詳圖一）

a.將水平導向鑽掘機設定於正確之鑽入點位置上，並速接好所有控制線路及管路設備。（詳圖二）。

b.將磁性導引系統（Magentic Guidance System；MGS）放入鑽桿內部，並固定好其位置位於鑽頭後方之第1支鑽桿，安裝完畢後必須將其接線拉出鑽桿，以利後續接線。

c.將鑽頭裝上。（詳圖三）

d.調整鑽頭與鑽桿之角度(約1.82∘，依鑽頭的設計而定)。

e.在設計圖修正設定實際座標，並輸入電腦程式

f.將已裝MGS鑽頭之鑽桿安裝於鑽掘機，並將MGS之速接線速接拉至控制室內之導鑽專用處理器、顯示器及電腦後，準備開始導鑽。

g.在預定路徑之地面(或水面)上，測量預並標示出路徑水平位置及導引(True Track)點，沿線佈放電線做導引。

h.將入地角度，出地角度及導引各點之位置座標高程等輸入程式內，開始導鑽。（詳圖四）

i.導鑽時MGS每分鐘傳回40次之鑽頭位置資料，鑽掘的方位、角度、及高程並經電腦程式處理後，會顯示出目前鑽頭之位置及深度。操作人員可依此資料與設計資料做比對，並修正控制路線之行進，以符合要求。

j.當每接上一支鑽桿時，必須將上一支桿內連接MGS之電線接上，使控制室之訊號不致中斷。

k.每增加鑽桿時，必須做導引，以便再次確定鑽頭位置。做導引時，在事先佈放好之電線上，通以大電流使產生一個大磁場，此時MGS可接收磁場訊號，並傳回控制室之電腦程式。經計算及與導引位置高程校正後，即可確認鑽頭之位置，若數據無誤，則繼續下一支鑽桿之鑽掘。直至鑽桿從出口(Pipe Site)鑽出後，便完成導鑽工作。

2.擴孔：擴孔之目的為在預定埋管路徑上，排除拉管過程所可能遭遇之障礙，以便讓拉管工作順利完成。（詳圖五）

a.擴孔，前依拉管尺寸需要，求安排擴孔所需尺寸及次數。此部份與設備之能量有關，水平導向鑽掘機動力愈大，則擴孔次數可愈少，反之亦同。

b.將擴孔器(Reamer)（詳圖六）安裝於鑽桿上。

c.旋轉鑽機之機頭，約30rpm(依實際需要做調整)，在旋轉之同時拉回鑽桿，其速度為0.45m/min(依實際狀況調整)，則擴孔器的鑽頭便會循鑽桿之路徑漸漸前進。

d.在擴孔之同時，必須隨時補充皂土液進入，其打入之方式為利用皂土液泵，將皂土液送至鑽機。旋轉機頭上經旋轉機頭再送入鑽桿內，經由鑽桿內部送至鑽頭。皂液之功主要為潤滑鑽頭，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。

e.當擴孔開始時必須在擴孔器之後端接上一支鑽桿，以便當擴孔器前進時，整個路徑永遠保持一鑽桿。當完成某一尺寸之擴孔後，路徑上也同時有一支鑽桿，可從事下一次孔，不需再次導鑽。依此類推直至擴孔完成。

3.拉管：將要埋設之管線拉入已完成擴孔之路徑內，即完成埋管工作。（詳圖七）

a.將已預製完成之管線與鑽桿速接，其中間並接上一組轉鐶(Swivel)，使拉管時桿旋轉而管線不轉(因管線材質不同，承受力不同)。

b.拉管時動作同擴孔之情形，並隨時補充皂土液，但其目的為增加潤滑性及穩定性。其速度為緩慢(0.4m/min)且持續，鑽機之旋轉約為15rpm;因其旋轉目的只是讓拉管行進較為順暢，並不需做功。經此連續拉管，直至管線從另端出現即完成拉管工作。

雖然HDD比一般傳統管線工法更具競爭力，但工程師在計畫HDD工程時尚有一些施工上的限制必須留意，如下表：