有關(guān)水平定向鉆穿越工藝在某工程中的應(yīng)用分析

　　摘要：由于水平定向鉆進技術(shù)具有的優(yōu)點，使該技術(shù)在供水管道穿越公路、廣場、河流等多方面得到很好的應(yīng)用，在應(yīng)用中施工技術(shù)不斷得到完善，顯現(xiàn)出良好的社會效益和經(jīng)濟效益。本文筆者以工程實例并結(jié)合自己的工作經(jīng)驗對水平定向穿越施工工藝進行了闡述分析，僅供同行參考。

　　關(guān)鍵詞：水平定向鉆技術(shù),市政工程;

　　隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快，市政配套管線設(shè)施穿越已建成市政道路施工現(xiàn)象越來越多。水平定向穿越技術(shù)是一種比較成熟的管線施工技術(shù)，對環(huán)境的影響最小，障礙物下管線覆蓋的深度大，對管線的保護作用大，維修費小等優(yōu)點，尤其適合在一些無法實施開挖作業(yè)的地區(qū)，如鬧市區(qū)，城市道路、高速公路，鐵路、建筑物、河流、農(nóng)作物及植被保護區(qū)等。目前已廣泛應(yīng)用于市政供水、電信、電力等領(lǐng)域。

　　一 工程概況

　　中興路(姚隘路—民安路)污水管道改造工程是寧波市城市排水有限公司為改善區(qū)域污水管道的排水能力而實施的管道改造工程。原管線南起姚隘路已建污水窨井，北至中興路與民安路交叉口已建污水窨井。因規(guī)劃考慮，實際施工管線為設(shè)計W4井旁已建污水窨井至中興路與民安陸交叉口已建污水窨井。主要管管徑D500-D1000，管材采用HDPE管。因考慮地下水豐富和管線復(fù)雜的不良因素，故本工程采用定向鉆施工。

　　一 定向穿越施工工藝

　　水平定向鉆穿越技術(shù)作為管道無溝鋪設(shè)的一種方法早在上世紀7O年代就開始在美國開始應(yīng)用了，80年代后期得到迅速發(fā)展。該工藝是近些年來發(fā)展起來的一種新的鋪設(shè)地下管線的新技術(shù)。通過計算機控制進行導(dǎo)向和探測，先鉆出一個與設(shè)計曲線相同的導(dǎo)向孔，然后再將導(dǎo)向孔擴大，把產(chǎn)品管線回拖到擴大了的導(dǎo)向孔中，完成管線穿越的施工過程。施工工藝流程如下：

　　(一) 穿越施工準備

　　1.測量放線

　　測量放線的基準是線路控制樁和各種水準基標。對于交樁后丟失的控制樁和水準基標，應(yīng)根據(jù)定測資料于施工前采用測量方法給予恢復(fù)。測量人員依據(jù)水準基標、定測資料對管道控制樁進行測量放線，并在控制樁上注明樁號、里程、高程等。根據(jù)測量合格的控制樁測定管線中心線，并按照施工圖紙要求設(shè)置如下輔助控制樁：

　　(1)標志樁：根據(jù)設(shè)計圖紙，在穿越起止點處設(shè)置明顯的標志樁。

　　(2)邊界樁：在臨時占地的兩側(cè)邊界線上每50m設(shè)置一個邊界樁。

　　根據(jù)軸線樁和臨時占地邊界樁拉百米繩，撤白灰線。劃線完畢及時清點障礙物，并做好記錄。

　　2.場地準備

　　場地選擇包括鉆機場地和布管場地。鉆機場地較寬，根據(jù)鉆機設(shè)備進行工藝布置，必須因地制宜，綜合考慮入土點，鉆機，場地周邊環(huán)境等因素，一般控制在40×60范圍內(nèi)。布管場地較狹長的，除出土點出需要30×30范圍的出土場地外，還需比穿越管道長80m左右的布管場地，寬度為8m左右(能滿足布管施工即可)，布管線路盡量為直線。

　　布管作業(yè)時管子應(yīng)首尾銜接，相臨管口成鋸齒形分開。布管的間距應(yīng)與管長基本一致，每l0～20根管應(yīng)核對一次距離，發(fā)現(xiàn)過疏或過密時應(yīng)及時調(diào)整。管子的兩端應(yīng)墊上沙袋或干草做支撐，支撐的位置應(yīng)設(shè)在距兩端管口1～1.5m 的位置上，支撐高度應(yīng)為0.3～0.5m 。在坡地布管時，要注意管子的穩(wěn)定性，支撐墩的寬度應(yīng)加大，管子擺放要平整。坡度大于15°時，應(yīng)停止市管，組裝焊接時，隨用隨布。遇有水渠、道路、堤壩等構(gòu)筑物時，應(yīng)將管子布設(shè)在位置寬闊的一側(cè)，而不應(yīng)直接擺放其上。在吊管和放置過程中，應(yīng)輕起輕落，不允許拖拉鋼管，并保持管內(nèi)清潔。每段管子布完之后，應(yīng)對每段管子進行核對，以保證管子類型、壁厚、防腐層類型等準確無誤。

　　3.安裝鉆機、加工管材拖拉的輔助配件

　　將鉆機就位在穿越中心線位置上，鉆機就位完成后，進行系統(tǒng)連接、試運轉(zhuǎn)，保證設(shè)備正常工作，在此過程中鉆機錨固是關(guān)鍵點。鉆機施工中錨固以穩(wěn)，平，實為原則。在鉆機錨固前，應(yīng)對錨固區(qū)域用儀器進行地下管線檢測，防止將錨桿打在地下管線上。合理的錨固是順利完成鉆進及回拖的前提，鉆機錨固能力反映了鉆機在鉆進和回拖施工時利用本身功率的能力。一臺鉆機推力再大，如果鉆機在定向鉆鉆進過程中發(fā)生移動，仍會導(dǎo)致鉆機無法按預(yù)定計劃完成鉆進工作。在回拖時，如果錨固不好而使鉆機移動，會導(dǎo)致管道拖不動，如果進一步加大鉆機拖力，則會出現(xiàn)鉆機的全部功率作用鉆機機身，容易發(fā)生設(shè)備破壞和人員傷亡。

　　(二)進行穿越施工

　　l、鉆導(dǎo)向孔

　　待一切準備就緒，開始鉆導(dǎo)向孔，一般導(dǎo)向孔軌跡由三段組成即入口造斜段，直線段和出口造斜段。在鉆進過程中根據(jù)控向系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)隨時調(diào)整鉆頭的走向。鉆進入土角一般在8°～12°之間， 出土角5°～12°，管道曲率半徑一般1000D～1200D。為了更好地控制導(dǎo)向，在造斜段一般每根鉆桿調(diào)整一次角度，每次調(diào)整的角度一般不超過0.8°，以便回拖順利。當導(dǎo)向孔從入土角達到水平夾角為0°時的計算穿越深度與設(shè)計埋深不同時(誤差超過0.5m)，則應(yīng)調(diào)整入土直線段的長度及其調(diào)整控向角度。同理，當導(dǎo)向孔從水平到達出土角計算出的出土點，但達不到穿越長度位置時，調(diào)整水平直線段長度;達到出土角而沒有符合地面標高時，調(diào)整每組鉆桿長度，及其控向角度。

　　定向穿越的技術(shù)精度要求：

　　A：定向鉆進曲線段導(dǎo)向孔的實際最小曲率半徑不應(yīng)小于設(shè)計文件和施工方案的規(guī)定，且實際曲線與設(shè)計曲線的偏移量不大于lm。

　　B：入土點、出土點的縱、橫向位置允許偏差執(zhí)行DG/TJ08-310-2005，詳見下表：

　　注：表中L為穿越管道長度，單位為m。

　　穿越施工中為確保鉆進曲線圓滑及定向穿越精度要求，應(yīng)采取如下措施：

　　A：作好定向鉆基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的測量，測量出穿越的實際方位角、測量出入土點到出土點的實際距離、測量出入土點和出土點的高程差、測量出所用鉆具的長度并控制其誤差在允許范圍之內(nèi)。

　　B：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)確保準確后，控向人員通過計算機顯示屏，嚴格按照設(shè)計曲線，控制鉆頭鉆進的方向，控向過程要逐步實現(xiàn)，不要急劇調(diào)向，以防卡鉆，并防止因單根鉆桿調(diào)整角度偏差過大，形成“s”形鉆孔。如果單根鉆桿改變的角度過大，應(yīng)及時抽回本根鉆桿，重新鉆進以達到鉆進設(shè)計的需要。鉆進過程中，如遇泥漿壓力異常，應(yīng)及時分析鉆進情況，必要時抽回幾根鉆桿，調(diào)整鉆進方向。

　　需補充的是定向鉆進敷管在穿越公路、鐵路、河流時最小穿越層厚度應(yīng)符合相關(guān)專業(yè)要求，相關(guān)專業(yè)無特殊要求，應(yīng)符合給水管道的最小覆土要求。

　　2.擴孔

　　鉆孔完成后卸下鉆頭及控向系統(tǒng)，接上擴孔器，從出土點向入土點進行預(yù)擴孔，擴孔的次數(shù)及擴孔器類型根據(jù)管徑及地質(zhì)情況確定。注意當沿程土質(zhì)不一，承載力不均時，由于鉆桿、擴孔器自身重力的作用，易形成不均勻沉降，造成預(yù)擴孔偏移，故選擇合理的鉆具和鉆具組合對定向穿越能否成功尤為重要。擴孔器類型：中硬土采用飛刀式擴孔器，主要是切割成孔，軟土采用桶式擴孔器，主要是擠壓成孔，亦有兩種同時使用，飛刀式在前，桶式在后，擴孔由小到大逐級進行，擴孔直徑根據(jù)穿越管徑確定，一般比管徑大150～200mm。例如穿越φ630mm給水管可分四次擴孔，各級擴孔分別為φ200mm，φ400mm，φ600mm，φ800mm。對于地質(zhì)情況較好時，可跳級使用擴孔器。這樣不僅節(jié)省擴孔時間，還可以節(jié)省泥漿用量.

　　3.回拖

　　導(dǎo)向孔經(jīng)過預(yù)擴，達到了回拖要求之后，即接上穿越管線，進行回拖作業(yè)。最大回拖力計算：

　　回拖力Fmax=F摩+F自

　　其中：1.管道在洞內(nèi)自重產(chǎn)生的摩擦阻力

　　F自=f Po L

　　(Po=1000ρgπ(D2一d2)÷4)

　　2.管道在洞中的粘滯綜合摩擦阻力

　　F摩=π D τ φ L

　　公式說明：

　　φ為固相含量系數(shù)(10～40)

　　τ為泥漿的切應(yīng)力(19.5pa)

　　f為管道和孔壁之間的摩擦系數(shù)(0.2～0.6)

　　Po為每米管道的重量(N/m)

　　ρ為鋼管密度P=7.85×10-6kg/mm3

　　g為重力加速度 g=9.8N/kg

　　D為鋼管外徑

　　L為管道長度(m)

　　d為鋼管內(nèi)徑d=D-2×δ

　　δ為壁厚

　　根據(jù)穿越管道回拖力計算，選擇合適的鉆機。這里需要注意的是：穿越施工回拖力還必須小于母材管相應(yīng)標準尺寸對應(yīng)的最大牽引力，PE管尤其要注意，否則要采取強度更高的母管或變換牽引位置等措施，同時還要嚴格控制管材焊縫質(zhì)量，以防管材焊縫被拉裂，母材管最大回拖力計算公式如下：

　　F=14π(DN)2/3×SDR式中：

　　F——最大回拖力，N

　　DN——管道公稱外徑，M

　　SDR——標準尺寸比，即管材公稱外徑與壁厚的比值。其反映管材的強度。

　　回拖前應(yīng)將管道安裝完成，管道內(nèi)外防腐層及管道預(yù)水壓試驗等應(yīng)符合設(shè)計文件規(guī)定，并經(jīng)驗收合格。

　　另外在預(yù)擴孔時，根據(jù)出土角和管線的埋深，在工作管線入土點前端按一定比例放坡挖一條發(fā)送溝，發(fā)送溝內(nèi)不得有石塊、樹根和硬物等，以避免管線底部與地層摩擦，劃傷防腐層，并降低回拖拉力。然后把成品管線放入溝內(nèi)，一般在溝里注滿水，讓成品管完全漂浮起來，或采用專用滾輪架空等方法，以便減少管線對地的摩擦力，保護防腐層。在確認各項工序都到達到設(shè)計標準時開始回拖。

　　4.定向鉆穿越的泥漿工藝

　　定向穿越泥漿是水平定向穿越的一個關(guān)鍵部位，是成功穿越的重要保證。其具有潤滑鉆具、冷卻鉆頭和發(fā)射器、攜帶土屑、減少腐蝕、降低拖管時鋼管和洞壁的摩擦系數(shù)、降低回轉(zhuǎn)扭矩和回拉力、穩(wěn)定孔壁、固孔護管等作用。在施工中應(yīng)根據(jù)穿越的地質(zhì)情況選用合適的泥漿配制及用量，需要注意問題：I)在穿越過程中泥漿因失水，攜帶鉆屑而變稠，要注意隨時過濾及稀釋;Ⅱ)施工中若發(fā)生冒漿現(xiàn)象要及時采取措施，以免因泥漿缺失，拉力增大，導(dǎo)致工程失敗。Ⅲ)穿越過程中若遇土層交替變化應(yīng)及時調(diào)整泥漿以滿足工程需要。工程中φ630和φ1020給水管道在穿越河道和國道時泥漿配比如下：

　　A：鉆導(dǎo)向孔階段因要求盡可能將孔內(nèi)的泥沙攜帶出上，同時維持孔壁的穩(wěn)定，配方為：7～8%預(yù)水化鈉基膨潤土+0.2～0.4%增粘劑+0.3%降濾失劑。

　　B：預(yù)擴孔階段因要求泥漿具有很好的護壁效果，防止地層坍塌，提高泥漿攜帶能力，配方為：7～8%預(yù)水化鈉基膨潤土+0.3～0.5%增粘劑+0.4%降濾失劑。

　　C：擴孔回拖階段因要求泥漿具有很好的護壁、攜砂能力，同時還有很好的潤滑能力，減少陰摩力和扭矩，配方為：7～8%預(yù)水化鈉基膨潤土+0～30.5%增粘劑+0.4%降濾失劑+0.2%～3%的潤滑劑。

　　在國道時，為保證道路面不沉降，還采用以下措施：A：施工中加大泥漿配比，增加泥漿粘度的方法來維護鉆穩(wěn)定。具體為：I) 回擴孔時泥漿的馬氏粘度值必須保證在50～55S之間，泥漿比重應(yīng)大于1.03g/cm，泥漿注入土中與粘土混合后產(chǎn)生的泥漿比重應(yīng)大于1.10g/cm3。Ⅱ)選用進口高度膨潤土，增加泥漿的高造漿率，保證泥漿具有優(yōu)良的懸浮能力。Ⅲ)為了增加鉆孔的護壁效果，防止塌孔，在泥漿中按比例加入高分子聚合物，使鉆孔壁形成一層保護層達到良好的護壁功能。

　　B：施工時連續(xù)進行，保證鉆中的泥漿粘度始終處于一種粘滯狀態(tài)，使泥漿沒有時間沉淀，保證孔內(nèi)穩(wěn)定性;

　　C：在預(yù)擴孔時擴孔速度不能太快，擴孔時間大于3分鐘/根，并均速擴孔不得忽快忽慢，使孔內(nèi)泥漿均勻分面。

　　(三)竣工收尾

　　收尾工作內(nèi)容包括：完善穿越兩側(cè)管道，拆卸臨時設(shè)備、鉆機設(shè)備及材料退場，處理廢棄泥漿，平整場地，恢復(fù)地貌及整理竣工資料等。設(shè)備拆卸前要對泥漿設(shè)備和鉆具進行認真清洗，鉆桿及鉆挺的螺紋要上油并裝上保護套 用過的泥漿要進行分離，固體物集中深埋，泥漿水排放到非養(yǎng)殖的河溝中。

　　結(jié)論

　　工程實例證明水平定向鉆穿越技術(shù)在此供水管線中的應(yīng)用非常成功，與傳統(tǒng)的頂管技術(shù)相比具有更安全可靠、縮短工期、節(jié)約成本的特點，這種非開挖技術(shù)，在市政供水管線施工中已最大限度地取代頂管技術(shù)。