非開挖技術在天然氣管道鋪設中的應用

王 馳 劉志鋒

燃氣管網是城市基礎設施的重要組成部分,是跟隨城市發(fā)展而不斷發(fā)展和完善的一支主動脈,主要埋設于城市各條道路的地下。按照傳統(tǒng),地下管線的鋪設采用開槽埋管的施工技術,對地面交通影響較大,同時給市民工作、生活帶來許多不便,特別在人口稠密的城市和交通擁擠的地區(qū)以及不允許開挖的地段,這個矛盾就更加突出。而非開挖技術(Trenchless Technolog,簡稱TT),是指在不開挖和少開挖地表的條件下探測、檢查、修復、更換和鋪設各種地下公用設施(管道和電纜)的任何一種技術和方法。非開挖技術起源于日本和歐美等發(fā)達國家,在國外已廣泛使用并逐步成熟,20世紀80年代我國開始引進此技術和設備,現在在國內也已逐漸普及。

非開挖技術主要用于管線鋪設、管線更換和管線修復三大類。管道不開槽施工方法有很多種,主要有頂管法、氣動矛鋪管法、夯管錘鋪管法、導向鉆進鋪管法等。本文主要就頂管施工法和導向鉆進法進行探討。

1 頂管施工法

頂管施工法是借助于主頂油缸以及中繼間的頂進力將機頭和緊隨其后的若干節(jié)管節(jié)頂出,穿越土層形成一道不開挖的地下管道或通道,從而達到鋪設管道的目的。適用管徑較大,一般不小于600 mm。

1.1 特點

1)相比開挖敷設技術,投資和工期將大大節(jié)省;2)可以降低噪聲,減少粉塵,減輕對周圍環(huán)境的干擾和破壞;3)只開挖工作坑和接收坑占地面積小,對地面交通干擾小;4)不影響現有管線及構筑物的使用;5)可以在很深的地下或水下敷設管道,可以安全穿越鐵路、公路、河流、建筑物;6)適用大口徑的管道;7)需要詳細的工程地質和水文地質勘探資料;8)設備的專用性較高,工程對設備的依靠程度較大;9)地下的不確定性使其具有一定的風險性。

1.2 設備

頂管施工設備主要由頂管機、頂進設備系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)及導軌、靠背等輔助設備組成。

1.3 施工方法

1.3.1 人員準備

其作業(yè)班的核心人員有三個:土建技術人員,負責測量、記錄和全面管理;機修工,負責機頭內的操作;電工,負責主頂油泵的操作。其他輔助人員為8人～10人。

1.3.2 頂管出洞

出洞要求頂管機和管道既要能從工作井內穿過出洞口進入土中并沿設計軸線頂進,又要求井外泥水不能流入井內,故要求工作井出洞口安裝可靠的密封裝置,一般是在洞口預埋鋼環(huán)或螺栓,用鋼環(huán)夾壓橡膠止水圈制成。橡膠圈內徑略小于管節(jié)外徑,緊緊地包裹住管子外壁,阻止泥水流入井內。

出洞頂進時,一定要不斷地測量,保證機頭和第一節(jié)管子位置正確。出洞和初頂時,機頭和后續(xù)幾節(jié)管子用螺桿連成整體,這在約束導向能力很差的軟土中尤為重要。

1.3.3 頂進與糾偏

頂進應與管外圍注漿同步進行,其原則是先注漿,后頂進,隨頂進,隨注漿,以保證管外圍充滿泥漿套,充分發(fā)揮減阻和支承作用。頂進速度一般為3 cm/min～4 cm/min,最大不超過5 cm/min。頂進施工應嚴格控制前5 m管道的頂進偏差,其左右及高程偏差均不能超過0.5 cm。管道頂進到離工作井井壁50 cm時,應停止頂進,使千斤頂回程,安裝下一管節(jié)并加頂鐵,然后繼續(xù)頂進。

糾偏是頂管的重要工作,關系到整個工程的成敗。管道頂進中發(fā)現管道偏移要立即采取措施糾正。要依照“隨偏隨糾,在頂進過程中糾偏,一次糾偏量不能過大”的原則。頂進糾偏可采取調整糾偏千斤頂的辦法,進行編組操作。如同時有高程和方向偏差,則應先糾正偏差大的一面。發(fā)生較大偏差應分析發(fā)展趨勢,采用分次逐步糾正,勤調微糾。當頂管機頭發(fā)生旋轉時,可采取在管內的相反方向增加壓重塊或在中間站提供旋轉糾正力矩等方法糾正。

1.3.4 頂進出土

頂進管節(jié)的方向和標高控制,主要取決于挖土操作,頂管工作面上的挖土質量不僅影響頂進效率,更重要的是影響質量控制。因此,熟練的操作工是重要的技術力量。

挖土應本著“勤挖、勤出、勤頂”的原則操作,在該掘進機前艙安裝有土壓表,通過掘進機前土壓的變化控制出土及頂進。

1.3.5 管道安裝

套管頂進完成后即可進行燃氣管道的安裝工作,如為鋼管將鋼管均分成2節(jié),截成6 m一根(能放入工作井內),管道用起重設備吊入井內配合安裝,架在鋼制的滑輪架子上,焊接完成后前拉后頂進入套管內,支架作為永久性支架留在混凝土管內。

2 導向鉆進法

導向鉆進法是利用導向鉆桿進行地下鉆進,通過回擴成型管道孔,并利用鉆桿回拖拉入管道達到不開挖鋪設管道的方法。適用管徑較小,一般在400 mm以下。

2.1 特點

1)無需開槽,可實現穿越施工,速度快,效率高;2)導向儀導向,躲避障礙,準確率高;3)操作簡便,施工安全性好;4)不用開挖操作坑,成本低,經濟效益顯著;5)施工場地要求簡單,對周圍環(huán)境影響和破壞很小;6)導向探測與管線探測相結合,適合復雜地層條件下施工;7)適合小管徑的PE管施工。

2.2 設備

導向鉆進設備主要由導航系統(tǒng)、鉆機、泥漿攪拌系統(tǒng)和附屬設備組成。

2.3 施工方法

2.3.1 人員組成

采用導向鉆機鋪設地下燃氣管線作業(yè)面比較小,操作簡單,一般只需機手1人,輔助人員4名～5名即可完成施工作業(yè)。

2.3.2 導向孔鉆進

利用造斜和穩(wěn)斜原理,在地面導航儀引導下,以一定角度入土鉆進一定距離后又以一定角度出土,施工前要對地下資料進行詳細的了解,根據地層情況,選擇并設計出導向孔軌跡曲線,考慮好鉆進角度和出鉆角度。在鉆孔時按照地質構造的不同制定出合理的泥漿配比方案,規(guī)定在不同的地質情況下選用不同的泥漿配方,在造斜段使用的泥漿中添加適量的潤滑劑,降低孔壁的摩擦系數,從而可以防止鉆具粘卡。鉆導向孔時要求應嚴格按設計曲線鉆進,在鉆進過程中要用導向儀對鉆頭的狀態(tài)進行實時監(jiān)控,控制好鉆進方向?？叵蛟O備宜采用有纜控向系統(tǒng),以提高鉆進的準確性。

2.3.3 擴孔

根據鋪設管線的直徑、材料、地層等因素選擇擴孔的最大孔徑、擴孔級序和擴孔方式。一般采用逐級擴孔,最終孔徑比預鋪管孔徑大100 mm。多級擴孔時擴孔器后端仍然要連接鉆桿,以便下線擴孔。在回擴過程中與鉆進過程中一樣,始終都要進行注漿。

2.3.4 管道回拖

擴孔完畢即可采用前拉后頂的方法進行回拖管道,拖管采用專門的回拖器,回拖拉頭類型有壓力密封式和專用于定向鉆進的改進型拉頭?；赝蠒r擴孔器隨鉆桿旋轉擴孔,同時采用邊打泥漿邊旋轉回拖的方法。管道通過拉頭前的旋轉接頭保持不旋轉,在最后一級擴孔的同時管道被回拖至孔內。

3 非開挖法的經濟效益分析

1)對周圍環(huán)境的影響較小:傳統(tǒng)開挖施工法對居民正常生活的干擾,對交通、環(huán)境、周邊建筑物基礎的破壞和不良影響較大,非開挖施工技術的應用正好解決了此矛盾。2)解決了大開挖法不能施工地段的情況:在穿越河流、湖泊、重要交通干線、重要建筑物的地下管線,大開挖技術往往無法滿足施工要求,非開挖技術可從其下方穿越鋪設,并可將管線設計在工程量最小的最佳地點穿過。3)經濟效益和社會效益較好:在相同的情況下,非開挖管線鋪設、更換、修復的成本均低于開挖施工法,且管徑越大、埋深越大時越明顯。4)加快了工程施工進度:非開挖技術的實施,可以加快工程進度,縮短施工周期。非開挖技術是科技發(fā)展的產物,工藝上有其先進性和優(yōu)越性,在繁華市區(qū)、管線埋深較大和特殊情況下(如穿越公路、鐵路、河流、建筑物等),非開挖施工法是開挖施工法極好的替代方法,蘭州城市燃氣管網建設中運用了該技術,取得了很好的經濟效益、環(huán)境效益和社會效益。

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