吊車輔助水平定向鉆進(jìn)鋪設(shè)管道技術(shù)

【摘 要】盡管目前非開挖水平定向鉆進(jìn)鋪設(shè)管道技術(shù)相對比較成熟了，但在施工過程中還存在一些問題，如：管道被拉長變形、拉斷，回擴(kuò)鉆頭進(jìn)行二次擴(kuò)孔破壞相鄰市政管線，實際所擴(kuò)孔洞過大導(dǎo)致地面下沉等。本文主要介紹利用吊車輔助施工，解決回拖管道鋪設(shè)時的上述問題。

【關(guān)鍵詞】非開挖；水平定向鉆進(jìn)；鋪設(shè)管道；吊車

一、前言

起源于國外的水平定向鉆進(jìn)技術(shù)作為一種先進(jìn)的非開挖管道鋪設(shè)施工技術(shù)，在全世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用于新建各種地下管道，如熱力、電力電信、給排水、燃?xì)獾裙艿?，在我國也得到的快速的發(fā)展和應(yīng)用。

雖然此項技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是在實際施工過程中還是會發(fā)生一些安全和質(zhì)量等方面的事故，尤其是在大型城市主要區(qū)域里進(jìn)行地下管道鋪設(shè)施工時，由于受現(xiàn)場作業(yè)空間較小，管道設(shè)計埋設(shè)深度較大，管道設(shè)計鋪設(shè)軌跡的曲率半徑較小，施工區(qū)域內(nèi)地下管線復(fù)雜等客觀因素的影響，會發(fā)生因回擴(kuò)鉆頭進(jìn)行二次擴(kuò)孔的情況，并可能造成破壞相鄰其它市政管線、地面下沉等事故。

為解決水平定向鉆進(jìn)鋪設(shè)管道施工過程中回擴(kuò)鉆頭進(jìn)行二次擴(kuò)孔的問題，本文首先對工程項目中發(fā)生的質(zhì)量事故進(jìn)行全面的分析和論述，然后試圖根據(jù)分析得到的事故原因和影響要素尋找有效解決問題的方法，最終達(dá)到有效解決回擴(kuò)鉆頭進(jìn)行二次擴(kuò)孔的問題，保證施工安全和質(zhì)量，以及提高施工效率，降低施工成本的目的。

二、施工案例

（一）工程慨況

本工程為北京市西城區(qū)電信管道入地工程，施工地點位于北京市西城區(qū)鬧市口大街，根據(jù)設(shè)計方案，采用水平定向鉆進(jìn)工藝鋪設(shè)電信管道，管材規(guī)格為18×DN110mmPE盤管，單根長度為62m。

（二）施工現(xiàn)場情況

施工現(xiàn)場位于北京西城區(qū)鬧市口大街，如圖2-1施工平面示意圖所示，設(shè)計電信管線橫穿現(xiàn)況道路，由于鬧市口大街為城區(qū)內(nèi)交通主干道，不宜采取明開挖鋪設(shè)施工方法，為最大限度的降低施工對周邊交通、環(huán)境的影響，設(shè)計采用水平定向鉆進(jìn)工藝進(jìn)行管道鋪設(shè)施工。需在現(xiàn)況道路兩側(cè)，即東西兩側(cè)人行步道處開挖2座工作坑，其中1座為砌井坑，位于西側(cè)，開挖尺寸為2m×2m×1.5m，另一座為拉管坑，位于東側(cè)，開挖尺寸為3m×3m×2m。

圖 2-1 施工平面示意圖

（三）工程質(zhì)量問題

在進(jìn)行回拖鋪管過程中，當(dāng)管材進(jìn)孔約9m時，工作坑內(nèi)瞬間流出大量清水，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查：原因可能是擴(kuò)孔鉆頭將設(shè)計鋪管孔洞上方的DN600mm自來水管打裂了。聯(lián)系自來水公司相關(guān)人員后發(fā)現(xiàn)施工區(qū)域內(nèi)自來水主管道的壓力有異常情況，最終證實DN600mm自來水管道發(fā)生損壞。

根據(jù)施工方案和實際導(dǎo)向記錄得知，設(shè)計所擴(kuò)孔洞上頂和自來水下底之間應(yīng)該有約50cm安全距離，施工中第一遍擴(kuò)孔用DN330mm鉆頭擴(kuò)孔帶鉆桿，第二遍擴(kuò)孔用DN470mm鉆頭帶鉆桿，第三遍擴(kuò)孔用DN680mm鉆頭擴(kuò)孔帶鉆桿，第四遍擴(kuò)孔用DN770mm鉆頭擴(kuò)孔帶鉆桿，第五遍擴(kuò)孔用DN770mm鉆頭清孔一遍帶鉆桿，以上過程中鉆機(jī)操作員均沒有發(fā)現(xiàn)異常反應(yīng)。

但是在最后管道回拖鋪設(shè)施工的過程中擴(kuò)孔鉆頭還是碰到了自來水管，分析原因是：由于設(shè)計鋪設(shè)管材直徑較大，自重較大，分別在地面、拉管坑孔洞口及孔洞內(nèi)這三個地方所產(chǎn)生的阻力致使鉆機(jī)回拖鋪管過程中發(fā)生鉆頭進(jìn)行二次擴(kuò)孔并向上產(chǎn)生了至少50cm的位移。

三、工程質(zhì)量事故分析

如圖3-1所示，在導(dǎo)向孔完成后使用擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔工序，在此過程中，擴(kuò)孔鉆頭尾部常常是連接著鉆桿進(jìn)行施工的，此時鉆頭后面拖帶鉆桿而增加的阻力是很小的，對設(shè)計孔洞的完成沒有太大的影響。

圖 3-1 設(shè)計鋪管孔洞示意圖

如圖3-2，在設(shè)計孔洞完成后，將設(shè)計鋪設(shè)管材牢固的連接擴(kuò)孔鉆頭后面即可進(jìn)行回拖鋪管施工，在此過程中，所鋪設(shè)管材常常順沿拉管坑后方被一次性焊接足夠長度，因此所鋪設(shè)管材的自重較大，在慢慢回拖鋪管過程中，管材和地面之間摩擦而產(chǎn)生的摩擦阻力F1是比較大的，再加上拉管坑管材進(jìn)孔洞處因管材彎曲變形而產(chǎn)生的彎曲阻力F2，還有管材進(jìn)入孔洞后和孔壁之間的摩擦而產(chǎn)生的摩擦阻力F3，這三個阻力和鉆機(jī)產(chǎn)生的回拖鉆頭的力F0是相反的，在管道被回拖鋪設(shè)過程中，鉆機(jī)回拖力、各摩擦阻力的方向及大小是不斷變化的，現(xiàn)就此過程中某一時刻進(jìn)行受力分析如下：是如圖4中的A點的受力分析示意圖所示，當(dāng)管道被回拖到A點位置時，鉆機(jī)拉力F0與合阻力（F1+F2+F3）這兩個的作用結(jié)果是合力F，其方向是斜上前方向的，合力F會致使擴(kuò)孔鉆頭產(chǎn)生向上方向的位移，并進(jìn)行二次擴(kuò)孔[1]。

圖 3-2 鋪管時孔洞實際示意圖

如圖3-2所示，粗的虛線段即是合力所造成的回拖鋪設(shè)管道時的實際孔洞，這樣就會發(fā)生實際所擴(kuò)孔洞大于設(shè)計所擴(kuò)孔洞的情況，設(shè)計孔洞曲線段高程往上方提升，提升量的多少取決于設(shè)計孔洞彎曲段曲率半徑的大小，鋪設(shè)管道直徑的大小，拉管坑的放坡大小等因素，因此將對相鄰市政管線造成影響甚至損壞，也會造成地面沉降破壞等施工安全問題。由于二次擴(kuò)孔導(dǎo)致鉆機(jī)回拖拉力增大，鉆機(jī)處于滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，會產(chǎn)生鉆桿斷裂，管材被拉長變形、拉斷等施工質(zhì)量問題。本工程在回拖鋪設(shè)管道過程中擴(kuò)孔鉆頭將自來水打破就是因此造成的。

四、解決措施

要想解決回擴(kuò)鉆頭進(jìn)行二次擴(kuò)孔的問題，就必須要施加一個外力作用。在回拖鋪管工序中使用吊車進(jìn)行輔助施工，操作吊車將帶鋪設(shè)管材提升至合適的高度，提升的目的是使管材即將被回拖進(jìn)孔洞時的彎曲半徑和所擴(kuò)孔洞的曲率半徑接近，這樣在洞口處就不會產(chǎn)生彎曲變形阻力了。在鉆機(jī)回拖鉆桿回拉管材的同時，指揮吊車擺動伸縮臂往管道鋪設(shè)方向送進(jìn)管材。還是以A點為例進(jìn)行受力分析如下：如圖3中A點受力分析示意圖所示，吊車的提升力可以分解為F4和F5兩個方向的分力，其中斜后向上的分力F4可以使管材的彎曲半徑接近于拉管坑處的所擴(kuò)空洞彎曲段曲率半徑，進(jìn)而完全（至少大部分）抵消管材因彎曲變形產(chǎn)生的阻力F2；水平向前的分力F5可以抵消部分摩擦阻力F3，由于待鋪設(shè)管材被提升至一定高度，減少了管材與地面之間的接觸面積，也就減小了管材與地面之間的摩擦阻力F1，最終將大大減小管道回拖鋪設(shè)過程中的各種阻力，最大限度的使管材按照設(shè)計所擴(kuò)孔洞進(jìn)行鋪設(shè)，從而避免回擴(kuò)鉆頭進(jìn)行二次擴(kuò)孔情況的發(fā)生。

五、實際應(yīng)用案例

本工程為北京市西城區(qū)電力架空入地工程——月壇西街電力拉管工程，設(shè)計新建電力管道為12×DN160mm+2×DN110mm，施工長度為43m，設(shè)計開挖2個工作坑，尺寸分別為設(shè)備坑6m×3m×5m，拉管坑4m×4m×5m，由于本工程施工長度較短，管線埋設(shè)深度較大（最深處約8m），而且拉管坑的設(shè)計位置緊鄰現(xiàn)況居民樓，而且管道鋪設(shè)方向和居民樓成90度，對鋪設(shè)管道的拉入有較大的影響。為避免在管道的回拖鋪設(shè)過程中，PE盤被拉長、變形，考慮現(xiàn)場作業(yè)空間情況后，決定使用8噸吊車配合水平定向鉆機(jī)進(jìn)行管道的回拖鋪設(shè)，拉管坑指派人員使用對講機(jī)和鉆機(jī)操作員保持聯(lián)系，吊車在拉管坑邊上就位后，使用吊裝帶將待鋪設(shè)管材提升至合適的高度，并減少與地面之間的接觸，使管材在被回拖進(jìn)入洞口時能夠保持接近于所擴(kuò)孔洞彎曲段曲率半徑的合理彎曲弧度，這樣就不會產(chǎn)生彎曲變形阻力，在鉆機(jī)回拖鉆桿的同時，指揮吊車擺動伸縮臂同時往管道鋪設(shè)方向送進(jìn)，給予一個推進(jìn)力輔助鉆機(jī)回拖鋪設(shè)管道施工。經(jīng)查看鉆機(jī)回拖壓力表得知，此時的回拖拉力與以往類似工程相比要小40% ，最終回拖鋪設(shè)時間也短30% ，而且PE管材沒有一點變形。使用吊車配合鉆機(jī)施工增加的費用是1個臺班費（600元），但是卻保證了施工質(zhì)量，很大的提高了施工效率，降低了施工消耗（柴油、泥漿等），實際上是極大的降低了施工成本，最重要是保證了施工安全，避免損壞相鄰的其它市政管線。

六、結(jié)論

本文水平定向鉆進(jìn)鋪設(shè)管道過程中的回擴(kuò)鉆頭進(jìn)行二次擴(kuò)孔這一施工問題進(jìn)行了論述，針對施工問題和原因進(jìn)行了相關(guān)分析，并提出了一種解決方案——使用吊車輔助水平定向鉆進(jìn)鋪設(shè)管道施工技術(shù)，通過在實際工程中的應(yīng)用，證明利用吊車輔助水平定向鉆進(jìn)鋪設(shè)管道施工技術(shù)，可以有效避免水平定向鉆進(jìn)鋪設(shè)管道過程中發(fā)成回擴(kuò)鉆頭二次擴(kuò)孔的情況。此項技術(shù)措施非常簡單有效，不僅能夠保證施工安全和質(zhì)量，還能提高施工效率，降低施工成本。