給水管道水平定向鉆進(jìn)拖拉法的應(yīng)用分析

趙　楊

上海達(dá)望元水務(wù)工程設(shè)計(jì)有限公司

給水管道水平定向鉆進(jìn)拖拉法的應(yīng)用分析

趙楊

上海達(dá)望元水務(wù)工程設(shè)計(jì)有限公司

水平定向鉆進(jìn)拖拉法鋪管在非開挖技術(shù)領(lǐng)域是一種占主導(dǎo)地位且發(fā)展很快的施工技術(shù)，以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在給水管道穿越河流、道路、建筑物等障礙物的施工中得到大量應(yīng)用。本文以工程實(shí)例并結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行闡述分析，以供同行參考。

給水管道；水平定向鉆進(jìn)；軌跡設(shè)計(jì)；施工

1　工程概況

上海市浦東新區(qū)南部某路段輸水管建設(shè)工程，新建管管徑DN800，設(shè)計(jì)壓力0.5MPa，管位在道路規(guī)劃綠化帶內(nèi)，地面標(biāo)高4.0m。局部管段從西往東需依次穿越某公司圍墻內(nèi)景觀綠化帶、市政道路及現(xiàn)狀河道，長(zhǎng)約430m。規(guī)劃部門對(duì)道路沿線景觀有嚴(yán)格要求，所有公用管線穿越河道不允許采用自建管橋方式；市政道路路口交通流量大，地下管線種類較多較復(fù)雜；穿越公司景觀綠化帶協(xié)調(diào)難度大，賠償費(fèi)用高。

該段場(chǎng)地土層水平分布較均勻，可分為5層土，地層自上而下分布為：①素填土、雜填土；②粉質(zhì)粘土夾粉土；③粉土夾粉砂；④粉砂夾粉土；④-1粉土夾粉砂；⑤粉砂。通過(guò)從施工方式、工程費(fèi)用、安全性及對(duì)現(xiàn)有交通和環(huán)境的影響等幾個(gè)方面的因素分析，決定對(duì)該管段采用非開挖水平定向鉆進(jìn)拖拉法施工，穿越層選擇④-1層，管中心標(biāo)高-7.0m，距規(guī)劃河床底7m。

2　水平定向鉆進(jìn)拖拉法的工藝原理和主要設(shè)備

2.1工藝原理

該方法是從石油鉆井領(lǐng)域發(fā)展演變過(guò)來(lái)的一種適用于快速鋪設(shè)地下管線的先進(jìn)非開挖施工技術(shù)，其主要運(yùn)用水平定向鉆機(jī)在最小地表開挖幅度下對(duì)多種地下公用設(shè)施進(jìn)行鋪設(shè)，在自來(lái)水、天然氣、電力和電信部門已是一種得到廣泛認(rèn)可的施工工藝，大量應(yīng)用在穿越河流、道路、建筑物等障礙物的施工中。其典型的鋪管作業(yè)可分為導(dǎo)向孔鉆進(jìn)、回拉擴(kuò)孔以及管線回拖三個(gè)階段。

（1）導(dǎo)向孔鉆進(jìn)

導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)一般采用小口徑全面鉆頭，進(jìn)行全孔底破碎鉆進(jìn)。使用的是可在地表控制方向的鉆頭或鉆具，一類是斜面鉆頭，是一種前端帶有斜掌面的射流輔助切削鉆頭，當(dāng)鉆桿帶動(dòng)鉆頭連續(xù)回轉(zhuǎn)給進(jìn)時(shí)鉆出直孔，當(dāng)鉆頭不回轉(zhuǎn)只給進(jìn)時(shí)，鉆孔發(fā)生偏斜，從而達(dá)到改變鉆進(jìn)軌跡的目的。另一類是孔底動(dòng)力機(jī)加彎接頭，即泥漿馬達(dá)，靠泥漿做動(dòng)力，將泥漿液壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)牙輪導(dǎo)向鉆頭旋轉(zhuǎn)。泥漿馬達(dá)的轉(zhuǎn)向原理是依靠馬達(dá)內(nèi)的彎接頭將馬達(dá)調(diào)整到所希望的鉆進(jìn)方向，然后啟動(dòng)泥漿泵，并使泵量達(dá)到泥漿馬達(dá)和鉆頭所需的值，由鉆機(jī)給鉆桿施加壓力進(jìn)行鉆進(jìn)，直到鉆進(jìn)方向達(dá)到設(shè)計(jì)方向?yàn)橹埂?/p>

導(dǎo)向孔的軌跡控制通過(guò)導(dǎo)向鉆頭完成。在鉆頭或鉆具內(nèi)安裝有測(cè)量探頭，鉆進(jìn)中探頭連續(xù)或間隔地測(cè)量鉆孔位置、指向等參數(shù)，并通過(guò)無(wú)線或有線的方式實(shí)時(shí)地將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送到地表接收器，操作人員根據(jù)實(shí)測(cè)鉆孔數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)和及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)狀態(tài)，從而人工控制鉆孔軌跡按設(shè)計(jì)軌跡延伸。

（2）回拉擴(kuò)孔

導(dǎo)向孔鉆進(jìn)完成后，需及時(shí)卸下導(dǎo)向鉆頭，換上擴(kuò)孔器進(jìn)行回?cái)U(kuò)。根據(jù)敷設(shè)管線的管徑、地質(zhì)條件、設(shè)備能力，分一次或多次逐級(jí)擴(kuò)孔，最終擴(kuò)孔直徑按經(jīng)驗(yàn)控制在管線外徑的1.2～1.5倍，當(dāng)?shù)貙泳|(zhì)完整時(shí)，擴(kuò)孔率取較小值，當(dāng)?shù)貙訔l件復(fù)雜時(shí)，擴(kuò)孔率取較大值。

（3）管線回拖

擴(kuò)孔完成后應(yīng)立即進(jìn)行管道回拖。拉管時(shí)，將擴(kuò)孔器接在鉆桿上，然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭連接到待鋪管子的拉頭上，旋轉(zhuǎn)接頭可防止管線和擴(kuò)孔器一起回轉(zhuǎn)并擰壞管線，利用定向鉆機(jī)一邊回轉(zhuǎn)一邊回拉，將管線拖入已擴(kuò)鉆孔，完成管道鋪設(shè)。

與傳統(tǒng)開挖法施工相比，水平定向鉆進(jìn)拖拉法鋪管不會(huì)阻斷交通，對(duì)周圍環(huán)境影響??；先進(jìn)的穿越設(shè)備具有較高的穿越精度，能夠?qū)β裆钜约胺笤O(shè)方向予以靈活調(diào)整，使管線能夠有效避免地下障礙物，方便施工；施工不受季節(jié)限制，施工周期短人員少，在很多情況下綜合費(fèi)用比其他施工方法少。

2.2主要施工設(shè)備

本工程施工過(guò)程中投入的主要儀器和設(shè)備見表1。

表1　主要儀器和設(shè)備

3　定向鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

定向鉆孔軌跡的設(shè)計(jì)是施工的依據(jù)和質(zhì)檢的標(biāo)準(zhǔn)，直接影響到施工的安全和成本。設(shè)計(jì)前要進(jìn)行詳細(xì)的工程勘察，包括地質(zhì)、地形、地貌、地物、現(xiàn)有地下管線及新建管線路徑等，充分掌握相關(guān)資料；設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮管線敷設(shè)的最小覆土深度、與地下管線及障礙物的安全距離、所用管材的規(guī)格和性能、出入土角及管線曲率半徑、穿越場(chǎng)地的條件限制及特殊要求等因素。

本工程導(dǎo)向孔軌跡由入土造斜段-直孔鉆進(jìn)段-出土造斜段構(gòu)成。造斜段曲率半徑由鉆桿和待鋪管線的允許曲率半徑共同決定，在條件允許情況下，宜選擇較大的曲率半徑，以減小管道彎曲應(yīng)力，降低管道的回拖阻力。本工程使用的鉆桿外徑為139.7mm；管線采用高密度聚乙烯（HDPE）給水管，外徑800mm，公稱壓力1.25MPa，徑厚比13.6；管線最大埋深11m。

（1）鋪設(shè)的HDPE管最小允許曲率半徑：

式中：E為HDPE管彈性模量，為960MPa；D為管線外徑，為800mm；δp為HDPE管彎曲應(yīng)力，取5MPa。

（2）鉆桿的曲率半徑由鉆桿的彎曲強(qiáng)度值所確定，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，取值不小于鉆桿外徑的1200倍。本工程鉆桿最小曲率半徑為167.64m。

（3）入土角α1、入土曲線段水平長(zhǎng)度L1及入土造斜段彎曲半徑R1值

地面始鉆式的入土角α1宜為8°～20°；

式中：R1為管線入土造斜段的彎曲半徑，應(yīng)不小于待鋪HDPE管和鉆桿彎曲半徑兩者中的大值；H為管道埋設(shè)深度。

本工程H為11m，取R1為500m，經(jīng)計(jì)算α1為12°，L1為104m。

（4）出土角α2、出土曲線段水平長(zhǎng)度L2及出土造斜段彎曲半徑R2值

地面始鉆式的出土角α2對(duì)塑料管宜為0°～20°；

式中：R2為管線出土造斜段的彎曲半徑，應(yīng)不小于待鋪HDPE管和鉆桿彎曲半徑兩者中的大值；H為管道埋設(shè)深度。

本工程H為11m，取R2為730m，經(jīng)計(jì)算α2為10°，L2為126m。

4　水平定向鉆進(jìn)拖拉法施工

施工工藝流程為：施工現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備→測(cè)量放線定位→鉆機(jī)就位→泥漿配置→導(dǎo)向孔鉆進(jìn)→擴(kuò)孔→管道焊接→管道回拖就位→清理現(xiàn)場(chǎng)。

4.1設(shè)備選型

回拖階段，在成孔良好情況下，管道回拖力構(gòu)成主要有兩部分，一部分是管段在泥漿中的重力和浮力作用引起的摩擦力，另一部分是拖管前進(jìn)時(shí)管段在泥漿中的黏滯力。GB 50423-2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中穿越管段回拖力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：FL-計(jì)算拉力（KN）；L-穿越管段的長(zhǎng)度（m），為430m；f-摩擦系數(shù)，取0.3；D-管道外徑（m），為0.8m；γm-泥漿重量（KN/m3），取12 KN/m3；γs-管道重度（KN/m3），為9.408KN/m3；δ-管道壁厚（m），為0.0588m；Wf-管道單位長(zhǎng)度配重（KN/m），為0；K-泥漿黏滯系數(shù)（KN/m2），取0.18KN/m2。經(jīng)計(jì)算本工程單位長(zhǎng)度FL值為1.844KN/m，其中摩擦力為1.392KN/m，泥漿黏滯阻力為0.452KN/ m，總回拖力為792.92KN。

水平定向鉆機(jī)能力應(yīng)能滿足穿越管道回拖力的要求，根據(jù)國(guó)內(nèi)外多年施工經(jīng)驗(yàn)，一般按上述回拖力計(jì)算值的1.5～3倍作為鉆機(jī)選型的依據(jù)。本工程投入使用的XZ-3000型定向鉆機(jī)最大回拖力為3000KN，完全滿足本次施工需要。

4.2測(cè)量放線

根據(jù)測(cè)量合格的控制樁測(cè)定出管線入土點(diǎn)、出土點(diǎn)、管線穿越中心線及管線施工作業(yè)邊界線。在入土點(diǎn)一端測(cè)量并確定鉆機(jī)安裝位置及泥漿池的占地邊界線，在出土點(diǎn)一端，根據(jù)管線中心軸線和占地寬度及長(zhǎng)度，放出管線組裝焊接預(yù)制場(chǎng)地邊界線及出土點(diǎn)作業(yè)場(chǎng)地邊界線。放線時(shí)入土點(diǎn)、出土點(diǎn)應(yīng)設(shè)置標(biāo)志樁，并注明穿越管線的入土角、出土角、水平轉(zhuǎn)角、高程坐標(biāo)。放線時(shí)入土點(diǎn)、出土點(diǎn)位置左右偏差不超過(guò)10mm，沿管線軸線方向誤差不超過(guò)20mm。

4.3鉆機(jī)就位

按照施工布置圖及規(guī)范要求，進(jìn)行鉆機(jī)就位，罐區(qū)擺放，開挖泥漿回收池。

4.4泥漿的配制

泥漿俗稱鉆孔施工的“血液”，泥漿質(zhì)量好壞對(duì)穿越工程施工順利進(jìn)行和安全生產(chǎn)起十分重要的作用，其主要作用體現(xiàn)在潤(rùn)滑冷卻鉆具、懸浮和攜帶鉆屑、穩(wěn)定孔壁、平衡地層壓力、軟化和輔助破碎巖土等方面。泥漿通常是由水、膨潤(rùn)土及添加劑經(jīng)攪拌而成的混合物，要求具有良好的穩(wěn)定性和流變性，不同的地質(zhì)條件對(duì)泥漿的使用有不同要求。

本工程穿越地層主要為粉砂、粉土夾粉砂，地層顆粒之間缺乏膠結(jié)，鉆進(jìn)時(shí)孔壁容易坍塌，因此成孔難度大，針對(duì)砂土層主要特點(diǎn)，本工程泥漿配制方案如下：1）在鉆導(dǎo)向孔階段，泥漿主要作用是護(hù)壁、排屑，另外還要考慮泥漿在鉆頭噴嘴處的粘度，提高鉆進(jìn)效率。本工程在泥漿中加入高分子聚合物，水解后可橋連更多的膨潤(rùn)土小板分子，形成良好的泥漿骨架體系，迅速提升泥漿粘度，同時(shí)在高分子長(zhǎng)鏈作用下，泥漿潤(rùn)滑性能也得到提升，有效降低鉆具在砂土層中鉆進(jìn)的扭矩。該階段泥漿粘度控制在40～50s，泥漿配方為水+5～7%膨潤(rùn)土+適量潤(rùn)滑劑。2）在擴(kuò)孔階段，泥漿的主要作用是護(hù)壁和排屑，本工程通過(guò)使用高分散性泥漿、增加膨潤(rùn)土含量、添加增粘劑、泥漿漏失控制劑等措施來(lái)提高泥漿粘度，抑制泥漿漏失，在孔壁上形成薄而韌的致密泥皮，從而增強(qiáng)泥漿攜沙能力及孔壁穩(wěn)定性。該階段泥漿粘度控制在70～90s，泥漿配方為水+8～10%膨潤(rùn)土+防塌劑+燒堿、火堿適量（1：1）。3）在回拖階段，本工程在泥漿中適當(dāng)加入無(wú)毒害植物潤(rùn)滑劑和添加劑，提高泥漿潤(rùn)滑性和流變性，從而降低管道回拖力，有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)。該階段泥漿粘度控制在70～90s，泥漿配方為水+7～10%膨潤(rùn)土+護(hù)壁劑+潤(rùn)滑劑。

施工現(xiàn)場(chǎng)用馬氏漏斗每2h對(duì)泥漿粘度測(cè)量一次，泥漿PH值控制在8～10之間，失水量宜控制在5ml/30min以下，比重控制在1.02～1.25g/cm3。鉆進(jìn)泥漿應(yīng)在專用的攪拌器中配置，并具有足夠的供應(yīng)量。在施工過(guò)程中，要密切注意泥漿壓力變化情況，合理控制鉆機(jī)扭矩、推力等參數(shù)，及時(shí)根據(jù)穿越地層地質(zhì)狀況的變化情況調(diào)整并控制好泥漿的壓力、排量等參數(shù)，防止壓力過(guò)大產(chǎn)生冒漿、漏漿等情況。

本工程利用泥漿固相控制技術(shù)（稀釋、沉淀和機(jī)械清除）對(duì)泥漿實(shí)施回收處理再利用，節(jié)約施工中泥漿的使用量，對(duì)無(wú)法回收利用的剩余泥漿統(tǒng)一采用罐車運(yùn)到指定地點(diǎn)妥善處理。

4.5鉆導(dǎo)向孔

本工程導(dǎo)向孔施工鉆具連接方式為：XZ-3000鉆機(jī)→鉆桿→泥漿分流器→無(wú)磁鉆鋌→無(wú)磁短節(jié)→泥漿馬達(dá)→牙輪鉆頭；采用DX-01型有線導(dǎo)向系統(tǒng)和GPS鉆頭跟蹤測(cè)量?jī)x來(lái)進(jìn)行精確控向。在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)鉆桿的方位角、傾角等數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，造斜段每0.5m～3m應(yīng)進(jìn)行一次測(cè)量計(jì)算，水平直線段每3m～5m進(jìn)行一次，如發(fā)現(xiàn)測(cè)量參數(shù)與設(shè)計(jì)軌跡有偏差，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行糾偏鉆進(jìn)，確保穿越曲線在合理的范圍內(nèi)。導(dǎo)向過(guò)程中遇到突然的振動(dòng)、卡鉆、扭矩變化等異常情況，應(yīng)立即停鉆，查明原因，解決問題后方可繼續(xù)施工。

4.6擴(kuò)孔、清孔、測(cè)孔、修孔

本工程擴(kuò)孔鉆具連接方式為：XZ-3000鉆機(jī)→鉆桿→擠擴(kuò)式擴(kuò)孔器→鉆桿。針對(duì)本工程穿越管徑較大、穿越距離較長(zhǎng)的特點(diǎn)，采用減小擴(kuò)孔器級(jí)差，增加擴(kuò)孔次數(shù)，加快預(yù)擴(kuò)孔速度的措施，擴(kuò)孔級(jí)差150mm，擴(kuò)孔直徑φ400mm～φ1000mm。根據(jù)擴(kuò)孔情況，每一次擴(kuò)孔后都進(jìn)行一次洗孔處理，以排除孔內(nèi)多余渣土，使孔內(nèi)壁進(jìn)一步穩(wěn)固，如發(fā)現(xiàn)有抱鉆桿情況，適當(dāng)增加洗孔次數(shù)。擴(kuò)孔完成后或在擴(kuò)孔、洗孔過(guò)程中，在鉆桿之間安裝測(cè)孔器，隨時(shí)在孔洞內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，如孔的參數(shù)（傾角、方位角）不滿足回拖管線角度要求，針對(duì)有問題部位進(jìn)行修孔，保證回拖前孔的光滑。

4.7回拖管道

擴(kuò)孔孔徑達(dá)到要求后應(yīng)立即進(jìn)行管線回拖，回拖前應(yīng)檢查已焊接完成的管線，確保管線長(zhǎng)度、焊縫等符合要求。本工程回拖時(shí)采用φ1150擴(kuò)孔器→旋轉(zhuǎn)接頭→U形環(huán)→待鋪管線。管道回拖時(shí)，要嚴(yán)密監(jiān)控孔內(nèi)情況，對(duì)鉆機(jī)的速度和拉力進(jìn)行嚴(yán)格控制，確?；赝系姆€(wěn)定性。管線回拖過(guò)程盡量一次性完成，若必須分段進(jìn)行要做好鉆孔的維護(hù)措施，以避免由于時(shí)間的停待而造成地層的變化，發(fā)生塌孔或抱管事故?；赝线^(guò)程中，應(yīng)盡可能降低卡管、鋪管擠壓變形以及泥漿滲出等情況發(fā)生的頻率，一旦發(fā)生應(yīng)對(duì)其原因予以認(rèn)真分析，及時(shí)采取相應(yīng)措施解決問題。

5　結(jié)語(yǔ)

與開挖施工相比，水平定向鉆進(jìn)拖拉管技術(shù)對(duì)施工設(shè)備、鉆具有較強(qiáng)依賴性，且導(dǎo)向孔鉆進(jìn)、擴(kuò)孔和管道回拖等過(guò)程存在不可預(yù)見性，具有較高的施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，因此需要加強(qiáng)技術(shù)指導(dǎo)，制定科學(xué)合理的設(shè)計(jì)及施工方案，并對(duì)施工每個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，出現(xiàn)失誤及時(shí)調(diào)整，才能保證工程的順利實(shí)施，從而為整個(gè)給水管道工程的施工質(zhì)量提供保障。

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