水平定向穿越在供水工程中的應(yīng)用分析

李中連

（無棣縣農(nóng)村供水服務(wù)中心，山東 無棣 251900）

1 水平定向鉆進(jìn)技術(shù)概述

水平定向鉆機(jī)是在不開挖地表面的條件下，鋪設(shè)多種地下公用設(shè)施（管道、電纜等）的一種施工機(jī)械，它適用于沙土、黏土、卵石等地層，工作環(huán)境溫度為-15℃～+45℃。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(xiàng)施工新技術(shù)，具有施工速度快、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于供水、煤氣、電力、天然氣、石油等管線鋪設(shè)施工工程中。

農(nóng)村供水工程不可避免地會(huì)遇到道路、溝渠、河流、建筑物等無法正常開槽施工的障礙，通過增加開槽深度、架空管道、水平定向鉆進(jìn)等方式進(jìn)行施工。無棣縣農(nóng)村供水工程自2009年引入水平定向鉆進(jìn)技術(shù)，在施工中得到廣泛的應(yīng)用，解決了管道穿越特殊地段的施工問題。與傳統(tǒng)的施工方式相比，具有遷占少、費(fèi)用低、工期短、后期破壞少等優(yōu)點(diǎn)。

2 穿越深度控制

根據(jù)《室外給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50014-2006）規(guī)定，穿越公路、鐵路、河流、地面建筑物時(shí)，最小覆土深度應(yīng)符合專業(yè)規(guī)范要求；當(dāng)專業(yè)規(guī)范無特殊要求時(shí)，最小覆土深度可參照表1中規(guī)定。采用泥漿輔助鉆進(jìn)時(shí)，與水體的最小距離應(yīng)至少為5～6m，以保證不發(fā)生泥漿噴涌。水平距離按《室外給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定執(zhí)行。

表1 最小覆土深度

3 穿越距離計(jì)算

1）入、出土角和曲線段的確定可按圖1中進(jìn)行。

圖1 穿越距離計(jì)算示意斷面圖

圖中：α1、α2分別為入、出土角；B 為第一曲線段和直線段軌跡變化點(diǎn)；C為直線段和第二曲線段軌跡變化點(diǎn)；h為軌跡（鋪管）深度；L1+L2+L3為定向鉆鋪管水平長(zhǎng)度。

2）定向鉆鋪設(shè)PE管的最小允許曲率半徑可采用公式（1）計(jì)算：

式中：ρ為曲率半徑，cm；E為彈性模數(shù)，MPa；DH為管外徑，cm；δρ為彎曲應(yīng)力，MPa。

鋪設(shè)PE管時(shí)，因PE管彈性模量小，鉆孔軌跡的曲率半徑主要取決于鉆桿的曲率半徑。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，鉆桿彎曲半徑為1200D以上（D為鉆桿外徑），一般情況下取1500D。

單曲段最小水平距離可采用公式（2）計(jì)算：

式中：L為曲段最小水平距離；ρ為曲率半徑；L1為入土、出土直段距離；α為出土角、入土角。

3）出入土角度確定。出入土角應(yīng)根據(jù)定向鉆鋪設(shè)管線類型、材質(zhì)、管徑、穿越深度確定。PE管的出土角宜在6°～20°。在地面上采用鉆機(jī)鉆進(jìn)導(dǎo)向孔時(shí)，第一直線段軌跡應(yīng)是入土角的斜直線段，該段最小距離不應(yīng)小于一根鉆桿長(zhǎng)度；大型設(shè)備該段距離不宜小于10m。對(duì)坑內(nèi)鉆式，入土角和出土角一般應(yīng)采用0°或近似水平。

4）水平穿越距離。穿越位置與入土點(diǎn)、出土點(diǎn)障礙物距離應(yīng)符合《室外給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，并考慮管道擴(kuò)孔、回拖時(shí)土層壓縮對(duì)既有障礙物的影響。入土點(diǎn)或出土點(diǎn)與穿越的第一個(gè)障礙物之間的距離應(yīng)至少大于3根鉆桿的長(zhǎng)度。

4 管材回拉力計(jì)算

管道回拉力采用公式（3）計(jì)算：

其中，Py=πDk2Ra/4；Pf=πDLf。

式中：Pt為回拉力，kN；PY為擴(kuò)孔鉆頭迎面阻力，kN；Pf為管周摩阻力，kN，適用于砂土層和黏土層；Dk為擴(kuò)孔鉆頭外徑，m，一般為管道外徑1.2～1.5 倍；D 為管道外徑，m；Ra為迎面土擠壓力，kPa。在護(hù)孔泥漿中黏性土Ra在50～60kPa；砂性土在 80～100kPa；L 為管道長(zhǎng)度，m；f為管周與土的單位側(cè)壁摩擦力，kPa；黏性土f在0.3～0.4kPa；砂性土在 0.5～0.7kPa；采用泥漿護(hù)壁時(shí)建議在 0.15～0.35kPa。

5 管材鋪設(shè)的最大長(zhǎng)度計(jì)算

目前，拖拉管主要針對(duì)PE管材，根據(jù)《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》（CJJ63-2008）中規(guī)定：聚乙烯盤管或因施工條件限制的聚乙烯直管或鋼骨架聚乙烯復(fù)合管道采用托管法埋地敷設(shè)時(shí)，聚乙烯管道的最大拖拉力采用公式（4）計(jì)算：

式中：F為最大拖拉力，N；DN為管道公稱直徑，mm；SDR為標(biāo)準(zhǔn)尺寸比。

根據(jù)管材所承受的最大拉力F，由管材回拉力計(jì)算公式可以導(dǎo)出每種規(guī)格的管材所能拖拉的最大長(zhǎng)度，計(jì)算參照回拉力公式（5）計(jì)算：

式中：L為最大鋪設(shè)長(zhǎng)度；F為最大拖拉力，N；D為管道外徑，mm；f為管周與土的單位側(cè)壁摩擦力，kPa。黏性土在0.3～0.4kPa；砂性土在0.5～0.7kPa；采用泥漿護(hù)壁時(shí)建議在0.15～0.35kPa。

6 定向穿越設(shè)備選型

定向鉆機(jī)的選型應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定，主要根據(jù)穿越深度、穿越水平距離及設(shè)計(jì)終孔口徑、彎曲曲率半徑、鋪管長(zhǎng)度等，計(jì)算出回拖力來選擇確定鉆機(jī)，定向鉆機(jī)分類見表2。由于回拖時(shí)邊界條件復(fù)雜，故在選擇鉆機(jī)時(shí)應(yīng)有一定的安全余量，根據(jù)國(guó)內(nèi)外多年施工經(jīng)驗(yàn)，一般按1.5～3倍的回拖力作為選取鉆機(jī)的依據(jù)。

表2 定向鉆機(jī)分類

水平定向穿越在供水工程施工中，得到越來越廣泛的應(yīng)用，穿越長(zhǎng)度、管材、設(shè)備的選擇嚴(yán)重影響著整個(gè)工程的造價(jià)和工期。以上是對(duì)給水管道穿越軌跡設(shè)計(jì)、設(shè)備選型的一些見解，希望能給供水工程施工提供一些參考。