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(jìn)技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)，使該技術(shù)在供水管道穿越公路、廣場(chǎng)、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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文筆者以工程實(shí)例并結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)水平定向穿越施工工藝進(jìn)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(guó)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(lái)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(duì)環(huán)境的影響最小，障礙物下管線覆蓋的深度大，對(duì)管線的保護(hù)作用大，維修費(fèi)小等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合在一些無(wú)法實(shí)施開(kāi)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(hù)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(shí)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(shí)際施工管線為設(shè)計(jì)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(wú)溝鋪設(shè)的一種方法早在上世紀(jì)7O年代就開(kāi)始在美國(guó)開(kāi)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(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的鋪設(shè)地下管線的新技術(shù)。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行導(dǎo)向和探測(cè)，先鉆出一個(gè)與設(shè)計(jì)曲線相同的導(dǎo)向孔，然后再將導(dǎo)向孔擴(kuò)大，把產(chǎn)品管線回拖到擴(kuò)大了的導(dǎo)向孔中，完成管線穿越的施工過(guò)程。施工工藝流程如下：
(一) 穿越施工準(zhǔn)備
1.測(cè)量放線
測(cè)量放線的基準(zhǔn)是線路控制樁和各種水準(zhǔn)基標(biāo)。對(duì)于交樁后丟失的控制樁和水準(zhǔn)基標(biāo)，應(yīng)根據(jù)定測(cè)資料于施工前采用測(cè)量方法給予恢復(fù)。測(cè)量人員依據(jù)水準(zhǔn)基標(biāo)、定測(cè)資料對(duì)管道控制樁進(jìn)行測(cè)量放線，并在控制樁上注明樁號(hào)、里程、高程等。根據(jù)測(cè)量合格的控制樁測(cè)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(biāo)志樁：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，在穿越起止點(diǎn)處設(shè)置明顯的標(biāo)志樁。
(2)邊界樁：在臨時(shí)占地的兩側(cè)邊界線上每50m設(shè)置一個(gè)邊界樁。
根據(jù)軸線樁和臨時(shí)占地邊界樁拉百米繩，撤白灰線。劃線完畢及時(shí)清點(diǎn)障礙物，并做好記錄。
2.場(chǎng)地準(zhǔn)備
場(chǎng)地選擇包括鉆機(jī)場(chǎng)地和布管場(chǎng)地。鉆機(jī)場(chǎng)地較寬，根據(jù)鉆機(jī)設(shè)備進(jìn)行工藝布置，必須因地制宜，綜合考慮入土點(diǎn)，鉆機(jī)，場(chǎng)地周邊環(huán)境等因素，一般控制在40×60范圍內(nèi)。布管場(chǎng)地較狹長(zhǎng)的，除出土點(diǎn)出需要30×30范圍的出土場(chǎng)地外，還需比穿越管道長(zhǎng)80m左右的布管場(chǎng)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(shí)管子應(yīng)首尾銜接，相臨管口成鋸齒形分開(kāi)。布管的間距應(yīng)與管長(zhǎng)基本一致，每l0～20根管應(yīng)核對(duì)一次距離，發(fā)現(xiàn)過(guò)疏或過(guò)密時(shí)應(yīng)及時(shí)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(shí)，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(shí)，應(yīng)停止市管，組裝焊接時(shí)，隨用隨布。遇有水渠、道路、堤壩等構(gòu)筑物時(shí)，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(guò)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(duì)每段管子進(jìn)行核對(duì)，以保證管子類型、壁厚、防腐層類型等準(zhǔn)確無(wú)誤。
3.安裝鉆機(jī)、加工管材拖拉的輔助配件
將鉆機(jī)就位在穿越中心線位置上，鉆機(jī)就位完成后，進(jìn)行系統(tǒng)連接、試運(yùn)轉(zhuǎn)，保證設(shè)備正常工作，在此過(guò)程中鉆機(jī)錨固是關(guān)鍵點(diǎn)。鉆機(jī)施工中錨固以穩(wěn)，平，實(shí)為原則。在鉆機(jī)錨固前，應(yīng)對(duì)錨固區(qū)域用儀器進(jìn)行地下管線檢測(cè)，防止將錨桿打在地下管線上。合理的錨固是順利完成鉆進(jìn)及回拖的前提，鉆機(jī)錨固能力反映了鉆機(jī)在鉆進(jìn)和回拖施工時(shí)利用本身功率的能力。一臺(tái)鉆機(jī)推力再大，如果鉆機(jī)在定向鉆鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生移動(dòng)，仍會(huì)導(dǎo)致鉆機(jī)無(wú)法按預(yù)定計(jì)劃完成鉆進(jìn)工作。在回拖時(shí)，如果錨固不好而使鉆機(jī)移動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致管道拖不動(dòng)，如果進(jìn)一步加大鉆機(jī)拖力，則會(huì)出現(xiàn)鉆機(jī)的全部功率作用鉆機(jī)機(jī)身，容易發(fā)生設(shè)備破壞和人員傷亡。
(二)進(jìn)行穿越施工
l、鉆導(dǎo)向孔
待一切準(zhǔn)備就緒，開(kāi)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(jìn)過(guò)程中根據(jù)控向系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)隨時(shí)調(diào)整鉆頭的走向。鉆進(jìn)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(guò)0.8°，以便回拖順利。當(dāng)導(dǎo)向孔從入土角達(dá)到水平夾角為0°時(shí)的計(jì)算穿越深度與設(shè)計(jì)埋深不同時(shí)(誤差超過(guò)0.5m)，則應(yīng)調(diào)整入土直線段的長(zhǎng)度及其調(diào)整控向角度。同理，當(dāng)導(dǎo)向孔從水平到達(dá)出土角計(jì)算出的出土點(diǎn)，但達(dá)不到穿越長(zhǎng)度位置時(shí)，調(diào)整水平直線段長(zhǎng)度;達(dá)到出土角而沒(méi)有符合地面標(biāo)高時(shí)，調(diào)整每組鉆桿長(zhǎng)度，及其控向角度。
定向穿越的技術(shù)精度要求：
A：定向鉆進(jìn)曲線段導(dǎo)向孔的實(shí)際最小曲率半徑不應(yīng)小于設(shè)計(jì)文件和施工方案的規(guī)定，且實(shí)際曲線與設(shè)計(jì)曲線的偏移量不大于lm。
B：入土點(diǎn)、出土點(diǎn)的縱、橫向位置允許偏差執(zhí)行DG/TJ08-310-2005，詳見(jiàn)下表：
注：表中L為穿越管道長(zhǎng)度，單位為m。
穿越施工中為確保鉆進(jìn)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(cè)量，測(cè)量出穿越的實(shí)際方位角、測(cè)量出入土點(diǎn)到出土點(diǎn)的實(shí)際距離、測(cè)量出入土點(diǎn)和出土點(diǎn)的高程差、測(cè)量出所用鉆具的長(zhǎng)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(zhǔn)確后，控向人員通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示屏，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)曲線，控制鉆頭鉆進(jìn)的方向，控向過(guò)程要逐步實(shí)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(guò)大，形成“s”形鉆孔。如果單根鉆桿改變的角度過(guò)大，應(yīng)及時(shí)抽回本根鉆桿，重新鉆進(jìn)以達(dá)到鉆進(jìn)設(shè)計(jì)的需要。鉆進(jìn)過(guò)程中，如遇泥漿壓力異常，應(yīng)及時(shí)分析鉆進(jìn)情況，必要時(shí)抽回幾根鉆桿，調(diào)整鉆進(jìn)方向。
需補(bǔ)充的是定向鉆進(jìn)敷管在穿越公路、鐵路、河流時(shí)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(wú)特殊要求，應(yīng)符合給水管道的最小覆土要求。
2.擴(kuò)孔
鉆孔完成后卸下鉆頭及控向系統(tǒng)，接上擴(kuò)孔器，從出土點(diǎn)向入土點(diǎn)進(jìn)行預(yù)擴(kuò)孔，擴(kuò)孔的次數(shù)及擴(kuò)孔器類型根據(jù)管徑及地質(zhì)情況確定。注意當(dāng)沿程土質(zhì)不一，承載力不均時(shí)，由于鉆桿、擴(kuò)孔器自身重力的作用，易形成不均勻沉降，造成預(yù)擴(kuò)孔偏移，故選擇合理的鉆具和鉆具組合對(duì)定向穿越能否成功尤為重要。擴(kuò)孔器類型：中硬土采用飛刀式擴(kuò)孔器，主要是切割成孔，軟土采用桶式擴(kuò)孔器，主要是擠壓成孔，亦有兩種同時(shí)使用，飛刀式在前，桶式在后，擴(kuò)孔由小到大逐級(jí)進(jìn)行，擴(kuò)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(kuò)孔，各級(jí)擴(kuò)孔分別為φ200mm，φ400mm，φ600mm，φ800mm。對(duì)于地質(zhì)情況較好時(shí)，可跳級(jí)使用擴(kuò)孔器。這樣不僅節(jié)省擴(kuò)孔時(shí)間，還可以節(jié)省泥漿用量.
3.回拖
導(dǎo)向孔經(jīng)過(guò)預(yù)擴(kuò)，達(dá)到了回拖要求之后，即接上穿越管線，進(jìn)行回拖作業(yè)。最大回拖力計(jì)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(shuō)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(zhǎng)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(jì)算，選擇合適的鉆機(jī)。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(biāo)準(zhǔn)尺寸對(duì)應(yīng)的最大牽引力，PE管尤其要注意，否則要采取強(qiáng)度更高的母管或變換牽引位置等措施，同時(shí)還要嚴(yán)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)尺寸比，即管材公稱外徑與壁厚的比值。其反映管材的強(qiáng)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(yàn)等應(yīng)符合設(shè)計(jì)文件規(guī)定，并經(jīng)驗(yàn)收合格。
另外在預(yù)擴(kuò)孔時(shí)，根據(jù)出土角和管線的埋深，在工作管線入土點(diǎn)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(shù)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(lái)，或采用專用滾輪架空等方法，以便減少管線對(duì)地的摩擦力，保護(hù)防腐層。在確認(rèn)各項(xiàng)工序都到達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)開(kāi)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(gè)關(guān)鍵部位，是成功穿越的重要保證。其具有潤(rùn)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(shí)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(hù)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(wèn)題：I)在穿越過(guò)程中泥漿因失水，攜帶鉆屑而變稠，要注意隨時(shí)過(guò)濾及稀釋;Ⅱ)施工中若發(fā)生冒漿現(xiàn)象要及時(shí)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(guò)程中若遇土層交替變化應(yīng)及時(shí)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(guó)道時(shí)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(shí)維持孔壁的穩(wěn)定，配方為：7～8%預(yù)水化鈉基膨潤(rùn)土+0.2～0.4%增粘劑+0.3%降濾失劑。
B：預(yù)擴(kuò)孔階段因要求泥漿具有很好的護(hù)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(rùn)土+0.3～0.5%增粘劑+0.4%降濾失劑。
C：擴(kuò)孔回拖階段因要求泥漿具有很好的護(hù)壁、攜砂能力，同時(shí)還有很好的潤(rùn)滑能力，減少陰摩力和扭矩，配方為：7～8%預(yù)水化鈉基膨潤(rùn)土+0～30.5%增粘劑+0.4%降濾失劑+0.2%～3%的潤(rùn)滑劑。
在國(guó)道時(shí)，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(lái)維護(hù)鉆穩(wěn)定。具體為：I) 回?cái)U(kuò)孔時(shí)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(jìn)口高度膨潤(rùn)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(hù)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(hù)層達(dá)到良好的護(hù)壁功能。
B：施工時(shí)連續(xù)進(jìn)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(méi)有時(shí)間沉淀，保證孔內(nèi)穩(wěn)定性;
C：在預(yù)擴(kuò)孔時(shí)擴(kuò)孔速度不能太快，擴(kuò)孔時(shí)間大于3分鐘/根，并均速擴(kuò)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(shí)設(shè)備、鉆機(jī)設(shè)備及材料退場(chǎng)，處理廢棄泥漿，平整場(chǎng)地，恢復(fù)地貌及整理竣工資料等。設(shè)備拆卸前要對(duì)泥漿設(shè)備和鉆具進(jìn)行認(rèn)真清洗，鉆桿及鉆挺的螺紋要上油并裝上保護(hù)套 用過(guò)的泥漿要進(jìn)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(shí)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(diǎn)，這種非開(kāi)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)。
