PE實(shí)壁管水平定向鉆回拖力計算公式的比選

陳 偉 羅雪萍

(1.臺州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院,浙江 臺州 318000； 2.臺州市城市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，浙江 臺州 318000)

PE實(shí)壁管水平定向鉆回拖力計算公式的比選

陳 偉1羅雪萍2

(1.臺州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院,浙江 臺州 318000； 2.臺州市城市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，浙江 臺州 318000)

PE實(shí)壁管因耐腐性、接頭可融接、韌性好等特性，較多運(yùn)用于水平定向鉆進(jìn)，其回拖力計算方法較多，計算結(jié)果也相差較大。針對這一問題，對《給水排水管道工程施工及驗收條文規(guī)范》《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》和《水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范、文獻(xiàn)中的4種計算公式：摩擦力法、凈浮力法、土壓力法、ASTM法進(jìn)行了比較、計算分析，并結(jié)合臺州當(dāng)?shù)貙?shí)際工程實(shí)例，選擇適合實(shí)際的公式，并提出了改進(jìn)建議，能夠更好的對工程進(jìn)行監(jiān)控，以使管道穿越工作更加安全、可靠。

PE實(shí)壁管，水平定向鉆，回拖力

0 引言

水平定向鉆進(jìn)技術(shù)是將石油工業(yè)的定向鉆進(jìn)技術(shù)和傳統(tǒng)的管線施工方法結(jié)合在一起的一項施工新技術(shù)，它具有施工速度快、施工精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于供水、煤氣、電力、電訊、天然氣、石油等管線鋪設(shè)施工工程中。

浙江省加快美麗鄉(xiāng)村建設(shè)，2013年率先提出了“五水共治”，即治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節(jié)水。五水共治，治污先行。其中全面治理農(nóng)村生活污水，是治污水的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在農(nóng)村污水治理中，PE實(shí)壁管因耐腐性、接頭可融接、韌性好等特性，較多運(yùn)用于水平定向鉆進(jìn)，最大限度的減少對居民正常生活和工作的影響，減小對環(huán)境的破壞。

現(xiàn)行多本規(guī)范中提供了水平定向鉆回拖力計算公式，本文對各計算公式進(jìn)行了計算對比，結(jié)合工程實(shí)際，最終選擇適合臺州軟土地質(zhì)的計算方法。

1 回拖力計算公式

管道牽引過程中受力復(fù)雜，且土的性質(zhì)較難模擬，因此也很難有一個跟工程現(xiàn)狀吻合的、具有普遍適用性的力學(xué)公式。

現(xiàn)行規(guī)范中，采用不同的受力模型，回拖力的計算公式也有不同。

1.1摩擦力計算法

GB 50268—2008給水排水管道工程施工及驗收條文規(guī)范[1]和上海《排水管道定向鉆進(jìn)敷設(shè)施工及驗收技術(shù)規(guī)范(試行)》采用摩擦力計算法，摩擦力主要分為管外壁周圍摩擦阻力和擴(kuò)孔鉆頭迎面阻力。

該公式計算簡單、方便。單位摩阻力為經(jīng)驗值，取值波動大，而且施工技術(shù)水平的高低對摩阻力影響很大。

P=P1+PF

(1)

(2)

P1=πD0Lf1

(3)

式中：P——總回拖阻力,kN；

PF——擴(kuò)孔鉆頭迎面阻力,kN；

P1——管外壁周圍摩阻力,kN；

Dk——擴(kuò)孔鉆頭外徑,m；

D0——管節(jié)外徑，m；

Ra——迎面土擠壓力,一般情況下黏性土50 kN/m2～60 kN/m2，沙性土80 kN/m2～100 kN/m2；

L——回拖管道總長,m；

f1——管節(jié)外壁單位面積的平均摩阻力，黏性土0.3 kN/m2～0.4 kN/m2，沙性土0.5 kN/m2～0.7 kN/m2。

1.2凈浮力計算法

GB 50423—2007油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范[2]和CECS 382—2014水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程[3]采用凈浮力計算法，認(rèn)為進(jìn)入鉆孔內(nèi)的管道主要受到浮力與管道自重差值引起的摩阻力、泥漿的粘滯力。

(4)

式中：T——總回拖阻力,kN；

L——回拖管道總長,m；

f1——摩擦系數(shù)，一般取0.1～0.3。

D0——管道外徑,m；

D——管道內(nèi)徑,m；

t——管道壁厚,m；

γm——鉆孔泥漿的重度,kN/m3；

γp——管材的重度,kN/m3；

ωw——進(jìn)行浮力控制時單位長度管道的配重量,kN/m；

K——泥漿的粘滯系數(shù)，取0.15 kN/m2～0.35 kN/m2。

1.3土壓力計算法

曹蘇軍[4]對土壓力法進(jìn)行了分析和簡化，具體詳見《多管組合穿越回拖力計算方法分析》，其公式適用于孔道內(nèi)塌方嚴(yán)重的情況下使用。

T=[2P(1+Ka)+P0]feL

(5)

式中：T——總回拖阻力,kN；

Ka——主動土壓力系數(shù)，一般取0.3；

L——回拖管道總長,m；

fe——摩擦系數(shù)，一般取0.1～0.3;

P——單位長度管段所受土壓力，kN/m;

P0——單位長度穿越管段自重，kN/m。

簡化得：

(6)

1.4ASTM計算法

CECS 382—2014水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程中塑料管回拖力計算公式參考美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)F1962—11大型水平定向鉆進(jìn)穿越障礙物(包括河流)敷設(shè)聚乙烯管道或?qū)Ч芗夹g(shù)指南[5]，并進(jìn)行了優(yōu)化，管道回拖必須要克服管道與孔壁的摩擦力、彎曲孔段中回拖管道增加的摩擦力等，取消了在鉆進(jìn)泥漿中回拖管道產(chǎn)生的粘滯阻力。

對于無水平方向彎曲的鉆孔，采用遞推關(guān)系估算回拖力。

典型鉆孔軌跡簡化示意圖見圖1。

TA=efgβfgωP(L1+L2+L3+L4)

(7)

TB=efhβ(TA+fh∣ωf∣L2+ωfH-fgωPL2efgβ)

(8)

TC=TB+fh∣ωf∣L3+efhβ(fgωPL3efgβ)

(9)

TD=efhα[TC+fh∣ωf∣L4-ωfH-efhβ(fgωPL4efgβ)]

(10)

式中：TA～TD——A～D點(diǎn)處管道所受回拖力,kN；

L1——焊接和熱收縮而增加的長度,m；

L2——入土端曲線段的水平長度,m；

L3——最大埋深水平延伸距離,m；

L4——出土端曲線段的水平長度,m；

H——管道埋深,m；

fh——管道與鉆孔孔壁摩擦系數(shù)，一般取0.1～0.3；

fg——管道與地面摩擦系數(shù)，一般取0.1～0.3；

ωP——單位長度管道重力,kN/m；

ωf——單位長度管道所受凈浮力,kN/m；

α——入土角,rad；

β——出土角,rad。

2 管材最大承重力

管道在回拖施工時，管材所能承受的最大回拖力可按下式計算：

(11)

其中，N為安全系數(shù)，給排水管道、通信取2.0。

3 不同計算模型比較與分析

3.1回拖力組成及計算

以上幾種計算法回拖力由摩阻力、端阻力、粘滯力等組成，如表1所示。

表1 回拖力組成

現(xiàn)采用PE實(shí)壁管(PE100，1.0 MPa)，對水平定向鉆常用管徑進(jìn)行最大回拖力和最大牽引長度計算。管材屈服強(qiáng)度取18 MPa，安全系數(shù)2.0，摩擦系數(shù)(摩阻力)0.3 kN/m2，泥漿粘滯系數(shù)0.2，入土角10°，出土角8°，管道埋深6 m，計算結(jié)果見表2。

表2 回拖力和牽引長度計算

由表2可以看出：1)回拖力隨管徑加大而增加；2)摩擦力法和凈浮力法的最大牽引長度與管徑成正比，土壓力法和ASTM法最大牽引長度與管徑無關(guān)。

3.2DN400管受力計算

對四種水平定向鉆計算法，采用DN400管進(jìn)行牽引長度和回拖力計算，其關(guān)系如圖2所示。

從圖2可以看出：1)各計算公式的牽引長度與牽引力基本呈線性關(guān)系；2)回拖力值：凈浮力法>摩擦力法>土壓力法；3)ASTM法初始回拖力較大，為管道與地面的摩擦力，其摩擦力隨牽引長度增長最慢。

3.3比較與分析

從計算公式及計算結(jié)果可以看出：

1)摩擦力法，是通過實(shí)踐摸索和工程總結(jié)的經(jīng)驗公式，回拖力主要分為管外壁周圍摩擦阻力和擴(kuò)孔鉆頭迎面阻力。不足之處在于認(rèn)為整個管壁完全與孔壁接觸。

2)凈浮力法，回拖力主要依據(jù)管段在泥漿中的浮力扣除自重后產(chǎn)生的摩擦力，再加上拖管前進(jìn)時管段在泥漿中的粘滯力。該公式主要用于鋼管等大型工程，計算結(jié)果偏保守，本次計算僅將材料密度改為塑料。

3)土壓力法，適用于孔道內(nèi)土塌方嚴(yán)重的情況，曹蘇軍對公式進(jìn)行了簡化。但從計算結(jié)構(gòu)來看，同樣距離回拖力最小，理論上孔道塌孔回拖力將急劇增大，因此該公式還需優(yōu)化。

4)ASTM法，管道回拖必須克服管道與孔壁和地面(或滾筒)間的摩擦力、彎曲段中增加的管道摩擦力和泥漿中回拖管道產(chǎn)生的粘滯阻力等，充分考慮了鉆孔軌跡的造斜段，最大回拖力通常在管道接近出口時出現(xiàn)。

4 結(jié)語

在臺州污水治理工程實(shí)際中，DN315～ DN500的PE100管最大牽引長度為300多米。水平定向鉆施工中不乏管道變扁、拉斷現(xiàn)象，為了能夠更好的對工程進(jìn)行監(jiān)控，以使管道穿越工作更加安全、可靠，結(jié)合以上各公式的計算分析，得出以下結(jié)論與建議：

1)回拖力計算公式中，大部分涉及到經(jīng)驗參數(shù)，尤其是摩擦力，對計算結(jié)果影響較大。合理的確定這些參數(shù)，以減少理論計算誤差。

2)根據(jù)計算結(jié)果與實(shí)際工程經(jīng)驗，PE實(shí)壁管水平定向鉆，推薦《水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程》規(guī)程中的ASTM計算法乘計算回拖力。

3)回拖力計算模型基本是假設(shè)鉆孔完整的情況下，實(shí)際施工中，會出現(xiàn)塌孔或某些意外情況，導(dǎo)致回拖力增加。因此計算回拖長度時，建議乘以安全系數(shù)0.5。

[1] GB 50268—2008,給水排水管道工程施工及驗收條文規(guī)范[S].

[2] GB 50423—2007,油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范[S].

[3] CECS 382—2014,水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程[S].

[4] 曹蘇軍，艾志久,孔娜娜,等.多管組合穿越回拖力計算方法分析[J].給水排水,2009(35):105-107.

[5] ASTM F 1960，Standard guide for use of maxi-horizontal directional drilling for placement of polyethylene pipe or conduit under obstacles,including river crossings[S].

ComparisonandselectionofcalculationformulasforhorizontaldirectionaldrillingpullingforceofPEsolidwallpipes

ChenWei1LuoXueping2

(1.TaizhouUrbanandRuralPlanning&DesignandResearchInstitute,Taizhou318000,China; 2.TaizhouUrbanConstructionInvestmentGroupCo.,Ltd,Taizhou318000,China)

PE solid wall pipes which are more application in horizontal directional drilling for its corrosion resistance, joint connection and good toughness, have more methods of calculating the pulling force of PE pipes, while the results are different. To solve this problem, the article makes a comparison, calculation and analysis of four calculation methods of friction, net buoyancy, soil pressure, ASTM in the literature likeCodeforConstructionandAcceptanceofWaterandSeweragePipelineWorks,CodeforDesignofOilandGasTransportationPipelineCrossingEngineeringandTechnicalSpecificationforPipelineCrossingbyHorizontalDirectionalDrillingand etc., and it also combines with local practical case in Taizhou to choose the appropriate formula recommends improvements to monitor better for the project so that pipeline crossing will be more safe and reliable.

PE solid wall pipes, horizontal directional drilling, pulling force

1009-6825(2017)32-0102-03

2017-09-01

陳 偉(1986- )，男，碩士，工程師; 羅雪萍(1971- )，女，碩士，教授級高級工程師，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師

TU990.3

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