水平定向鉆穿越工藝案例解析

作者：本站　來源：轉載　日期：2019-11-29 16:24:48　人氣：1847

摘要：由于水平定向鉆進技術具有的優點，使該技術在供水管道穿越公路、廣場、河流等多方面得到很好的應用，在應用中施工技術不斷得到完善，顯現出良好的社會效益和經濟效益。本文筆者以工程實例并結合自己的工作經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。

　　關鍵詞：水平定向鉆技術,市政工程;

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

　　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。因規劃考慮，實際施工管線為設計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作為管道無溝鋪設的一種方法早在上世紀7O年代就開始在美國開始應用了，80年代后期得到迅速發展。該工藝是近些年來發展起來的一種新的鋪設地下管線的新技術。通過計算機控制進行導向和探測，先鉆出一個與設計曲線相同的導向孔，然后再將導向孔擴大，把產品管線回拖到擴大了的導向孔中，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，應根據定測資料于施工前采用測量方法給予恢復。測量人員依據水準基標、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置如下輔助控制樁：

　　(1)標志樁：根據設計圖紙，在穿越起止點處設置明顯的標志樁。

　　(2)邊界樁：在臨時占地的兩側邊界線上每50m設置一個邊界樁。

　　根據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，根據鉆機設備進行工藝布置，必須因地制宜，綜合考慮入土點，鉆機，場地周邊環境等因素，一般控制在40×60范圍內。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。

　　布管作業時管子應首尾銜接，相臨管口成鋸齒形分開。布管的間距應與管長基本一致，每l0～20根管應核對一次距離，發現過疏或過密時應及時調整。管子的兩端應墊上沙袋或干草做支撐，支撐的位置應設在距兩端管口1～1.5m 的位置上，支撐高度應為0.3～0.5m 。在坡地布管時，要注意管子的穩定性，支撐墩的寬度應加大，管子擺放要平整。坡度大于15°時，應停止市管，組裝焊接時，隨用隨布。遇有水渠、道路、堤壩等構筑物時，應將管子布設在位置寬闊的一側，而不應直接擺放其上。在吊管和放置過程中，應輕起輕落，不允許拖拉鋼管，并保持管內清潔。每段管子布完之后，應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，進行系統連接、試運轉，保證設備正常工作，在此過程中鉆機錨固是關鍵點。鉆機施工中錨固以穩，平，實為原則。在鉆機錨固前，應對錨固區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生移動，仍會導致鉆機無法按預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，會導致管道拖不動，如果進一步加大鉆機拖力，則會出現鉆機的全部功率作用鉆機機身，容易發生設備破壞和人員傷亡。

　　(二)進行穿越施工

　　l、鉆導向孔

　　待一切準備就緒，開始鉆導向孔，一般導向孔軌跡由三段組成即入口造斜段，直線段和出口造斜段。在鉆進過程中根據控向系統顯示的數據隨時調整鉆頭的走向。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。為了更好地控制導向，在造斜段一般每根鉆桿調整一次角度，每次調整的角度一般不超過0.8°，以便回拖順利。當導向孔從入土角達到水平夾角為0°時的計算穿越深度與設計埋深不同時(誤差超過0.5m)，則應調整入土直線段的長度及其調整控向角度。同理，當導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，調整水平直線段長度;達到出土角而沒有符合地面標高時，調整每組鉆桿長度，及其控向角度。

　　定向穿越的技術精度要求：

　　A：定向鉆進曲線段導向孔的實際最小曲率半徑不應小于設計文件和施工方案的規定，且實際曲線與設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，應采取如下措施：

　　A：作好定向鉆基礎數據的測量，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。

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

　　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符合相關專業要求，相關專業無特殊要求，應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，接上擴孔器，從出土點向入土點進行預擴孔，擴孔的次數及擴孔器類型根據管徑及地質情況確定。注意當沿程土質不一，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。對于地質情況較好時，可跳級使用擴孔器。這樣不僅節省擴孔時間，還可以節省泥漿用量.

　　3.回拖

　　導向孔經過預擴，達到了回拖要求之后，即接上穿越管線，進行回拖作業。最大回拖力計算：

　　回拖力Fmax=F摩+F自

　　其中：1.管道在洞內自重產生的摩擦阻力

　　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(10～40)

　　τ為泥漿的切應力(19.5pa)

　　f為管道和孔壁之間的摩擦系數(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為鋼管內徑d=D-2×δ

　　δ為壁厚

　　根據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標準尺寸對應的最大牽引力，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。

　　回拖前應將管道安裝完成，管道內外防腐層及管道預水壓試驗等應符合設計文件規定，并經驗收合格。

　　另外在預擴孔時，根據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送溝，發送溝內不得有石塊、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，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、降低回轉扭矩和回拉力、穩定孔壁、固孔護管等作用。在施工中應根據穿越的地質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)施工中若發生冒漿現象要及時采取措施，以免因泥漿缺失，拉力增大，導致工程失敗。Ⅲ)穿越過程中若遇土層交替變化應及時調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：鉆導向孔階段因要求盡可能將孔內的泥沙攜帶出上，同時維持孔壁的穩定，配方為：7～8%預水化鈉基膨潤土+0.2～0.4%增粘劑+0.3%降濾失劑。

　　B：預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，泥漿比重應大于1.03g/cm，泥漿注入土中與粘土混合后產生的泥漿比重應大于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：施工時連續進行，保證鉆中的泥漿粘度始終處于一種粘滯狀態，使泥漿沒有時間沉淀，保證孔內穩定性;

　　C：在預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，使孔內泥漿均勻分面。

　　(三)竣工收尾

　　收尾工作內容包括：完善穿越兩側管道，拆卸臨時設備、鉆機設備及材料退場，處理廢棄泥漿，平整場地，恢復地貌及整理竣工資料等。設備拆卸前要對泥漿設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，泥漿水排放到非養殖的河溝中。

　　結論

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

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