潛鑽工程(HDD)實務探討

圖1  地下免開挖工法施工照片

潛鑽工法（HDD），即水平導向鑽掘工法(Horizontal Directional Drilling)，又稱為導鑽工法。早期係應用於石油探勘工程，是一種垂直鑽探時可以改變方向的機械設備，主要用於突破鑽探石油或天然氣遇到岩層時，可以改變鑽掘角度的工法。HDD工法，在1972年開始在穿越河川的工程中使用，成功的埋設鋼管。潛鑽工法HDD在世界各國常被使用，尤其美國瓦斯協會（AGA）、電力公司、自來水公司、電信公司、石油公司，使用HDD潛鑽工法之頻率相當高。台灣最先引進潛鑽工法，係台灣中油公司埋設油管，目前台灣最常使用者，屬台電公司輸配電工程，另外瓦斯公司、石油公司、台水公司、台塑、農委會、水資源局、各縣市政府(建置寬頻管道)等單位，也使用HDD潛鑽工法。

HDD工法利用機械施工，作業人員在地面操控儀器，鑽掘路線可調整轉彎，曲線及深度的限制比較少，特別適用於有障礙物之路段，如河流、渠道、橋梁、鐵路、機場、港灣、建築物等。此工法對施工人員安全性、對環境影響性、對交通衝擊及社會成本之降低皆優於其他工法，因此，本工法不失為一種安全、快速、優異、低噪音振動、低交通影響、低成本之管線佈設工法。HDD工法，適用之鑽孔直徑為200~1,200mm，適於SPT-N值小於30之黏土層、沙土層及礫石含量小於30%，且粒徑小於30cm之礫石層，使用範圍廣泛。

二、潛鑽工法施工SOP

潛鑽工法，係於佈線區間的前後端，各挖掘一個工作井(一端為出發井或推進井，如圖1c，另一端則為到達井)，利用水平導向鑽掘機，依事前設計預定路線之角度、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混合的穩定液)，然後再行分段，將接合好擬配置之管線(HDPE管如圖1d或鋼管)，利用擴孔鑽機逐段回拉的方式，將其拉入孔道內完成佈管之工作，並測定紀錄管線之慣性定位。潛鑽工法之主要作業流程，如圖2所示。

圖2  潛鑽工法(HDD)施工作業流程

三、潛鑽施工回拉管材簡介

目前潛鑽工法使用較多的回拉管材，大致有二大類：

  1.HDPE管(高密度聚乙烯塑膠管，如圖3a及3b)

     適用於電力、電信、石油、自來水、天然氣、寬頻、有線電視、固網等管纜線之佈設。HDPE管係以外徑稱其標稱管徑（公稱直徑），不同於DIP、SP、SSP、PVC管以內徑稱其標稱管徑。選用HDPE管材時，可透過不同壓力等級HDPE管材對應之平均內徑(平均外徑-平均壁厚*2)，作為與其他管種連接口徑之選用依據，其伸長率需≧350%。

常用PE100級之HDPE管主要有二種規格：SDR11/PN16及SDR17/PN10，作為潛鑽工程之回拉管，需選用厚度較大SDR11/PN16之等級(SDR為標準尺寸比≒外徑/厚度，取整數)。依台電地下電纜管路工程施工綱要規範第02555A章-導向鑽掘(HDD)第2.1.4節規定：高密度聚乙烯塑膠管（HDPE）需符合 CNS 2456-1 K3012-1、CNS 2456-2 K3012-2 PE100 級之規定，同一區間同一管徑之HDPE管，為維護接合處之施工品質，限用同一廠家之產品，不得與其他廠家混用。部份瓦斯公司亦採先拉HDPE管(鞘管)，其內部再拉鋼管，這種作法成本較高。

   2.PE被覆鋼管

主要用於天然氣、油管、石化管線等，管材檢驗標準符合CNS13638 G3260(JIS-G3469)規範，管材焊接處另行包覆熱縮套(硬度≧45、伸長率≧410%、抗拉強度≧21kgf/mm²)，又為減少接合數量，潛鑽段每節的管材長度常取12m。

圖3  潛鑽工法使用HDPE施工照片

四、潛鑽施工回拉力計算

潛鑽工法回拉施工時在孔道內管材之作用力包括：摩擦阻力、絞盤效應及流體動阻力，此三種作用力之和應等於施加在回拉管線和鑽桿連接的第一個接頭處之作用力，即回拉管線施拉前端承受最大的拉應力。因此，回拉管線之軸向拉伸應力隨著回拉長度的增加而增加，而回拉管線末端之拉伸應力為零。圖4所示為某一潛鑽工程鑽孔縱斷面圖案例，圖面顯示鑽孔的出入土角度、深度、水平距離、曲線段的曲率半徑等，若孔道路徑中有擬穿越的地下障礙物，亦可一併繪出其相對位置。

在計算回拉管線拉應力作用時，一般只考慮主要的影響因素：1)、回拉管壁與孔道之間的摩擦阻力，若回拉管線呈現封閉狀態則只有外壁有摩擦阻力，2)、回拉管線的重力或管線在孔道內受穩定液的浮力，3)、回拉管在曲線段與孔道壁側土壤之摩擦阻力(鉸盤效應)，4)、回拉管線剛度所產生的阻力。

圖4  潛鑽工程鑽孔縱斷面圖案例

基於以下假設：(1)管線撓曲勁度所造成之效應可忽略，(2)出發及到達點高程相同，亦即地表面為水平，(3)鑽孔中間段為水平，(4)鑽掘孔道內暢通，無孔壁崩塌情形，(5)曲線段為漸進，無鋸齒狀修正，(6)切削土渣完全清除，(7)穩定液漿體為低黏滯性，且漿體之回收再用循環在鑽掘過程中得到有效控制。此計算原理也被ASTM所採用，並列為ASTM F 1962-05之設計指南，特別適用於使用HEPE管之大型潛鑽工程所用，但經其參數分析，該設計指南並不適用於採用鋼管作為回拉管之潛鑽工程。

有關直線段回拉力的計算大都採用相似之方法來模擬，但對於曲線段則運用了不同的模型來分析回拉力。

Phillips Driscopipe(1993)利用數個直線段或較複雜之分階段算法來模擬曲線；而Drillpath (1996)利用一個簡略之方式，來估算潛鑽回拉過程中可能出現之最大回拉阻力；國際管線研究學會(Pipeline Research Council International, PRCI) 建議使用Huey等人(1996)，所提出使用鋼管潛鑽工程之最大所需拉力的計算方法；PRCI法雖考慮彎曲變形，卻忽略彎曲勁度可能產生的影響，並將漿體黏滯力視為決定回拉阻力的重要分子；Drillpath雖宣稱其模擬方法可用於鋼管材質，但未計入管材之撓曲勁度，極可能會低估回拉阻力；另Polak與Lasheen的力學模型則是惟一一個有考量穩定液漿體拖曳力之方法。對於長跨距之潛鑽工法，穩定液漿體黏滯力有可能扮演重要的角色。

依台電地下電纜管路工程施工綱要規範第02555A章-導向鑽掘(HDD)第1.4.2.2.2節規定：鑽掘設備含機具型號、規格及簡易操作說明等。導向鑽掘施工機具之最大拉力，須依承包商所計算之HDPE管束最大回拉力的1.5倍以上。

五、潛鑽機及慣性定位儀簡介

表1所示為適用HDPE管線的潛鑽機廠牌及功能表，圖6a及6b為潛鑽機在工地現場施工照片，表2為XZ1,600潛鑽機相關性能及規格一覽表。

表1  適用HDPE管線的潛鑽機廠牌及功能表

潛鑽工程使用XZ1,600型機組進行潛鑽施工過程中，為確保皂土液(穩定液)之濃度，每天上、下午各以馬氏漏斗試驗儀檢測穩定液濃度，需大於100秒，並做成紀錄供業主查核；潛鑽機配備之鑽桿長度一般為6m，鑽掘施工中應紀錄每一支鑽桿的施工內容，如表3所示。

表2  XZ1600潛鑽機相關性能及規格一覽表

潛鑽施工管線回拉完成後需以衛星定位之慣性定位儀(如圖6c所示)進行管路探測工作，主要為確認所佈設之地下管線正確路徑、位置、走向等資料，針對所埋設之地下管線空管進行探測，以利了解地下管線實際埋設情況，並確保未來管線營運安全及提供其他管線單位正確竣工圖資，避免其他工程之挖損糾紛。

六、結語

 潛鑽工法(HDD)在台灣管線工程的應用已相當廣泛，如台電和中華電信之纜線工程、中油和天然氣的管線工程、台灣M計畫之寬頻管道工程等，因其對施工人員安全性、對環境影響和交通衝擊之減少、對社會成本之降低皆優於免開挖工法，因此，本工法值得大力推廣。筆者有幸參與國內管線單位佈設管纜線使用潛鑽工程之設計、監造及施工，也樂於分享相關技術，更樂見其他技師好友分享類似技術經驗，共同為全民建立美好的生活環境而努力。

表3  潛鑽工作記錄表範例

參考文獻

[1]水平導向鑽掘(HDD)工法簡介，張富進技師。

[2]長距離大口徑管道水平導向鑽掘工程案例探討，楊偉文等，地工技術，No 158，2018年。

[3]水平定向鑽管道穿越回拖力計算公式的比較分析，楊先亢等(中國武漢地質大學)，石油工程建設，第37巻第1期，2011年。

[4]HDD潛鑽工法-認識穩定液，吳長明技師，技師報，2017年。

[5]Guidelines for Use of Mini-Horizontal Directional Drilling for Placement of High Density Polyethylene Pipe，Dr. Larry Slavin，TR-46，PPI，2009年。

[6]Horizontal Direction Drilling Estimating Pipe Pulling Tensions, Lawrence M. Slavin, 2022年。

[7]台電地下電纜管路工程施工規範-慣性定位儀探測管路路徑工作說明細則及導向鑽掘（HDD）第02555A章，2022年。

[8]赴英國伯明罕大學進修出國報告，邱詠兆，台電輸工處北施處，2010年。

[9]Modeling of Productivity for Horizontal Directional Drilling (HDD) Operation and Applications，M. Sarireh and S. Tarawneh，European Journal of Business and Management，Vol.6, No.2, 2014年。

[10]Capstan equation(鉸盤效應方程式), 維基百科，2023年。

[11]塑料管道回拖力計算，百科知識，挂云帆，2023年。