農(nóng)村飲水工程輸水管道穿越高速公路施工設計

王燕東

（五家渠農(nóng)六師勘測設計研究有限責任公司，新疆五家渠 831300）

近年來，新疆農(nóng)村隨著發(fā)展的轉(zhuǎn)型期，群眾生活水平的提高，對飲水工程提出了更高、更全面的需求。目前，新疆奇臺部分供水管網(wǎng)多建于20世紀80—90年代，受當時資金、技術條件及工程建設管理水平等方面的限制，工程設計標準低，供水預測規(guī)模偏小，供水技術和工藝設備陳舊、落后，工程在運行多年后出現(xiàn)種種安全隱患，諸如供水管道材質(zhì)差，供水設施不配套等，亟需實施農(nóng)村飲水安全工程建設。

1 工程概況

奇臺縣位于新疆自治區(qū)東北部，全縣總面積1.67萬km2（其中南部山地面積占8.3%，中部平原面積25.6%，北部沙漠面積66.1%），其中中部平原區(qū)為耕地集中區(qū)，共有耕地約10.47萬hm2。此次飲水工程設計計劃解決飲水人口2.387 5萬人，水源性質(zhì)為地表水、泉水，項目水源地為奇臺農(nóng)場上游的一萬泉及開墾河水源地。項目建設內(nèi)容包括新建水廠2座，新建清水池1座，減壓池9座，閥井1 223座，廠房360 m2，建供水管網(wǎng)52.269 km，配套輸配水管道配件及附屬建筑物，總投資估算8 278.98萬元。其中，工程管網(wǎng)部分設計主要為一萬泉水源、開墾河水源至水廠輸水管，中途需要穿過大奇高速（G335），工期12個月。建成后，將成為昌吉市境內(nèi)規(guī)模最大、距離最長的輸水管道工程，輸水工程設計采用單管方案，管材為球墨鑄鐵管。

2 輸水管道穿越高速公路設計和施工分析

該輸水管道工程末段DN1 000段全長約26 km，中途需穿過大奇高速（G335，大黃山至奇臺），大奇高速設計標準為雙向六車道，路基寬34.5 m。輸水管道穿過公路的常見應對方案及優(yōu)缺點見表1[1]。

表1 輸水管道穿過公路的常見應對方案及優(yōu)缺點

通過地質(zhì)勘察，項目段路基土為均質(zhì)粘土和沙土層，可以順利應用頂管法或定向鉆法。項目需要穿越長度約75 m，兩種方法可靠性都較好：頂管法造價較低（約64萬元），工期較長（13 d）；定向鉆法造價高（約100萬元），工期較短（5 d），且施工質(zhì)量相對較好。經(jīng)專家組討論研究，最終確定定向鉆作為穿越公路的施工方案。

3 定向鉆設計和施工要點分析

定向鉆施工工序主要包括：導向管鉆進→擴孔施工→輸水管回拖[2]，下面針對前兩個重點工序進行詳細說明。

3.1 導向管鉆進

3.1.1 設計

1）覆土層和入（出）土角度設計

根據(jù)工程要求、地質(zhì)條件及相關規(guī)范，定向鉆技術上覆層厚度具體要求[3]：一般地層不小于10倍管徑；河床不小于設計不沖刷線以下6 m；公路不小于路基受力層以下1.5 m。經(jīng)地質(zhì)勘探，設計該項目穿越公路上覆層厚度為10.5 m。

定向鉆起終點可以是地面穿越式，也可以是坑內(nèi)式，其中地面穿越式一般設計入土角度為8°～18 °，出土角為4 °～12 °[4]。采用坑內(nèi)式的穿越管道直接水平（接近0°）就可敷設。考慮到此項目穿越管道長度、管段埋深等條件，確定采用地面穿越式定向鉆法，設計入土角度為15°，出土角度為6°。

2）曲率半徑的確定

定向鉆管道一般采用彈性敷設形式，如果設計的曲率半徑合適，會很好地保護防腐涂層，也會保證管道有足夠強度安全余量。地面穿越式定向鉆最小曲率半徑R可按照公式（1）計算[5]，根據(jù)理論計算并結合其他工程經(jīng)驗，設計最小曲率半徑不小于管道外徑的1 500倍。

式中：D——管道外徑，m；S——安全系數(shù)，取值1.5；K——管道屈服極限。

3）各段長度設計

地面穿越式定向鉆由3段組成：第一弧段L1、中間直線段L2、第二弧段L3，見圖1。各段長度直接影響著工程量、工期和成本，是施工設計重點。其中要求直線段長度L2≥10 m，結合項目實際情況，設計為35 m，兩弧段長度計算公式[6]。

式中：h——管道鋪設深度，m；R1——第一弧段曲率半徑，m；R1——第二弧段曲率半徑，m。

經(jīng)計算，第一弧段長度28 m，第二弧段長度33 m。

3.1.2 導向管鉆進施工要點分析

圖1 穿越管道各段示意圖

導向管鉆進是定向鉆施工的關鍵步驟，其施工原則為“軟不加、硬要減、交界面要劃眼”，即：遇到軟地層不得加快速度或加大壓力，遇到硬地層要減小鉆頭壓力，遇到軟硬地層交界面或井徑變化面要做好記錄[7]。其施工要點有如下幾個：

1）排除附近電磁干擾，保證標定信號的穩(wěn)定，可適當增加測定頻率，當鉆頭在出土側上抬時，可利用套筒作向?qū)В欣诮鉀Q過渡抬頭較難問題；

2）為防止鉆孔出現(xiàn)“S”形，要求將鉆桿角度改變控制在0.1°～0.2°，水平糾偏的變化范圍不得超過0.3 m，若單根鉆桿改變角度過大則需及時抽回并重新鉆進；

3）導向孔鉆進時要實時檢查泥漿成分，當?shù)刭|(zhì)條件發(fā)生改變時，需及時對泥漿配比進行調(diào)整。

3.2 擴孔

1）擴孔器選擇

定向鉆擴孔器常用類型：飛旋式、板式、桶式。各類擴孔器的特點及適用條件如表2所示[8]。結合項目實際情況，設計采用飛旋式擴孔器施工。

表2 各類擴孔器特點及適用條件

2）施工參數(shù)設計

擴孔采用多次成型，具體擴孔次數(shù)無明確規(guī)定，要求逐級擴大，直至達到設計要求。對最小擴孔直徑有如下要求：①當管道直徑d≤220 mm，最小擴孔直徑D=d+100 mm；②220＜d≤610 mm，D=1.5d；③當d＞610 mm，D=d+300 mm。項目管徑d=1 000 mm，所以最小擴孔直徑D=1 300 mm。

3）泥漿配比要點

泥漿參數(shù)直接決定了定向鉆施工質(zhì)量，項目要往泥漿中加入適量堿粉，要求pH在8～10之間，但不得用燒堿。為保證泥漿性能，建議采用灌裝存儲泥漿。當鉆進中出現(xiàn)泥漿失水情況，可適當加入改性淀粉。為防止泥漿泄漏，可在施工中遵循“兩高一適當”泥漿方案，即高粘度、高土含、適當濃度封堵材料，可阻止泥漿大量鉆入土層裂隙中。

4 結語

奇臺縣輸水管道工程長度較大，不可避免會遇到特殊地質(zhì)條件，定向鉆進法是穿越公路、河道的常用辦法之一。導向管鉆進是定向鉆施工的重點和基礎。項目應用定向鉆技術僅用15 d便完成了穿越高速施工，對交通沒產(chǎn)生任何影響，取得了較好的經(jīng)濟社會效益，也取得了一系列寶貴施工經(jīng)驗。

［1］高小濤，馬浩，馬玉濤，等.長距離大流量重力流輸水管道設計實例［J］.給水排水，2015（10）：115-119.

［2］豐文俊.長距離大口徑輸水管道設計施工方案研究［D］.東南大學，2015.

［3］鄭源，張健，索麗生，等.輸水管道水流對截留氣團的沖擊［J］.水利學報，2005，36（11）：1365-1370.

［4］王圃，焦麗瑩，席星林.長距離壓力輸水管道優(yōu)化設計研究［J］.給水排水，2014（12）：113-116.

［5］楊海芹.低壓輸水管道中幾種管材的應用分析［J］.水利規(guī)劃與設計，2015（7）：112-115.

［6］劉建紅，郭東茹，齊向南.寒冷地區(qū)供水工程長距離輸水管道設計和施工［J］.給水排水，2013，39（5）：98-101.

［7］南海蛟.長距離大流量輸水管道防腐研究［J］.水利規(guī)劃與設計，2017（4）：92-94.

［8］陳守慶，陳氵勇城，羅昊進，等.海島縣洞頭陸域引供水工程輸水管道海域段設計［J］.中國給水排水，2013，29（14）：32-37.