非開(kāi)挖定向鉆技術(shù)在大管徑PE給水管道工程中的應(yīng)用

廖 禎 虎， 馬 棟 梁， 熊 小 龍

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610037)

1 概 述

隨著城市化建設(shè)的不斷加快，20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的水平定向鉆施工技術(shù)正以其對(duì)周邊建筑物影響小、對(duì)道路交通干撓小、施工效率高、綜合成本低、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于給排水、電力、燃?xì)獾阮I(lǐng)域不宜采用開(kāi)挖施工的管道敷設(shè)。

白龍路供水管道建設(shè)工程是海南省?？谑袘?yīng)急供水工程，主要解決新埠島及海甸島居民供水問(wèn)題，合同工期為90 d，工期緊、任務(wù)重。該供水管道沿白龍路兩側(cè)非機(jī)動(dòng)車(chē)道布置，穿越橫溝河直至新埠島，全長(zhǎng)4 413 m,管材采用DN800PE100給水管，其中供水管道穿越橫溝河段時(shí)需穿越橫溝河與跨河新埠大橋及其兩側(cè)通行棧橋樁基，該棧橋樁基為Φ800 mm,L=18 m，間距5 m×2.9 m(長(zhǎng)×寬)，沿寬度方向四排平行布置。橫溝河河面寬度約為200 m，河道中心深度約為5 m，管段地質(zhì)條件復(fù)雜、跨度長(zhǎng)，施工難度較大。

2 管道穿越方案的設(shè)計(jì)

2.1 水平定向鉆工藝具有的優(yōu)點(diǎn)

(1)施工工藝簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，進(jìn)、出場(chǎng)速度快，施工場(chǎng)地可靈活調(diào)整，占地少，容易組織實(shí)施，綜合施工成本低。

(2)不破壞地貌和環(huán)境，不影響交通，解決了傳統(tǒng)施工工藝對(duì)居民生活的干撓，對(duì)周邊環(huán)境影響較小。

(3)施工人員、設(shè)備均位于地面，避免了深基坑等不良作業(yè)條件，不損傷道路及河堤結(jié)構(gòu)，安全性高。

(4)施工精度高，容易調(diào)整管道敷設(shè)方向和埋深，可有效避讓地下管線、構(gòu)筑物等障礙物，施工難度小。

2.2 高密度聚乙烯管材的性能

高密度聚乙烯管材(PE管)是我國(guó)近年來(lái)新興的給水管材，其優(yōu)點(diǎn)為管材密閉性能好、使用壽命長(zhǎng)、耐腐蝕、重量輕，聚乙烯管材斷裂延長(zhǎng)率較高，具有極為優(yōu)異的柔韌性、良好的抗不均勻沉降和抗震性能，適用范圍極為廣泛。其缺點(diǎn)為管道承壓能力略小，PE100系列SDR11，DN800管道的承壓能力不大于1.6 MPa(注：SDR11為管材徑壁比；DN800為管道直徑)。高密度聚乙烯管材性能見(jiàn)表1。

表1 高密度聚乙烯管材性能表

2.3 穿越方案的設(shè)計(jì)

(1)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)勘。管道穿越施工前，對(duì)河流地質(zhì)情況、棧橋樁基分布情況等進(jìn)行了全面、細(xì)致的復(fù)查，查缺補(bǔ)漏，防止發(fā)生遺漏等情況，有助于對(duì)沿線情況進(jìn)行全面了解，以便設(shè)計(jì)定向鉆鉆進(jìn)的最佳線路，降低施工難度。

(2)鉆進(jìn)軌跡設(shè)計(jì)。根據(jù)《水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程》(CECS382—2014)中表5.3.5要求，PE管直徑≥800 mm時(shí)，水平定向鉆先導(dǎo)孔鉆進(jìn)軌跡曲率半徑不應(yīng)小于300D(D為管道直徑),入土角度為8°～30°，出土角度為4°～20°[1]。該工程鉆進(jìn)入土角取10°，出土角取8°，曲率半徑取400 m。因管道穿越需避讓棧橋基礎(chǔ)灌注樁，故將穿越平直段的深度取25 m，經(jīng)計(jì)算得出本段管道穿越長(zhǎng)度L=550.3 m，管道穿越軌跡設(shè)計(jì)情況見(jiàn)圖1。

圖1 管道穿越軌跡設(shè)計(jì)示意圖

(3)估算管道回拖力。根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》(GB50268-2008)中的式6.6.2-1進(jìn)行計(jì)算[2]，其回拖力F=1 110 kN。

(4) 鉆機(jī)的選擇。根據(jù)《水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程》(CECS382—2014)中第6.3.1要求，該工程選用徐工XZ2860水平定向鉆機(jī)用于穿河段管道的施工，其設(shè)備額定最大推拉力F額=2 860 kN>1.5×F拖=1.5×1 110 kN=

1 665 kN，滿足施工要求。

(5)管材承受的最大回拖力。根據(jù)《水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程》(CECS382—2014)中的式5.2.5進(jìn)行計(jì)算得知：F=1 137 kN。

管材所能承受的最大回拖力1 137 kN>回拖力估算值1 110 kN，故管材滿足施工要求。

3 定向鉆施工方法

3.1 施工流程

施工準(zhǔn)備→鉆機(jī)就位調(diào)試→泥漿配置→導(dǎo)向孔鉆進(jìn)→預(yù)擴(kuò)孔→管道焊接→管道回拖→土體加固→管道試壓。

3.2 施工準(zhǔn)備

(1) 測(cè)量定位。測(cè)量人員根據(jù)施工圖放出供水管道中心樁位及出、入土點(diǎn)位，采用木樁標(biāo)定并記錄木樁頂高程。中心樁每3 m左右打一標(biāo)志樁，對(duì)于管道穿越棧橋樁基范圍應(yīng)加密軸線控制點(diǎn)位，放樣點(diǎn)按0.5 m左右一個(gè)標(biāo)定。

(2) 場(chǎng)地布置。鉆機(jī)就位前，分別在管道出、入土點(diǎn)中心位置開(kāi)挖工作坑，工作坑尺寸為9 m×3 m×2 m(長(zhǎng)×寬×深)，工作坑四周打入4 m長(zhǎng)的SP-IV型拉森鋼板樁進(jìn)行支護(hù)，防止基坑坍塌。

3.3 鉆機(jī)就位調(diào)試

鉆機(jī)設(shè)備固定前，測(cè)量人員應(yīng)對(duì)鉆桿位置進(jìn)行校核，直至方位調(diào)整與設(shè)計(jì)穿越軸線延伸線重合后將鉆機(jī)固定在地面。鉆機(jī)就位后進(jìn)行試鉆，確保設(shè)備控制系統(tǒng)、接收器、遠(yuǎn)程同步監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行正常。

3.4 泥漿配置

供水管道主要穿越河底中砂層，對(duì)泥漿的性能要求較高，要求泥漿應(yīng)具有良好的流變性、較強(qiáng)的攜帶鉆屑能力、較低的摩擦系數(shù)、良好的潤(rùn)滑性以及優(yōu)異的固壁能力。泥漿由膨潤(rùn)土、泥漿添加劑加水?dāng)嚢柚瞥?，將漿液黏度控制在60～80 s，水堿性值控制在8～10，鉆進(jìn)過(guò)程中每2 h觀測(cè)一次馬氏漏斗黏度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況變化及時(shí)調(diào)整漿液配比。

3.5 導(dǎo)向孔鉆進(jìn)

控向系統(tǒng)采用Eclipse有線和無(wú)線控測(cè)儀結(jié)合的雙控向方式對(duì)鉆進(jìn)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。將所設(shè)計(jì)的穿越軌跡主要參數(shù)在施工前輸入鉆機(jī)控向系統(tǒng)，由控向系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算穿越軌跡的有關(guān)數(shù)據(jù)。

首根鉆桿入土鉆進(jìn)時(shí)先輕壓慢鉆，穩(wěn)定入土點(diǎn)位置，待其符合設(shè)計(jì)鉆進(jìn)軌跡后正常鉆進(jìn)，鉆進(jìn)時(shí)泥漿泵噴嘴壓力不大于1 MPa，壓力過(guò)大易出現(xiàn)冒漿。

斜段測(cè)量頻率為每0.5 m一次，平直段為每3～5 m一次，同一量測(cè)點(diǎn)沿鉆頭不同角度讀取的讀數(shù)不少于3次并取其平均值做為最終數(shù)據(jù)，以減少控向數(shù)據(jù)采集誤差。鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)與設(shè)計(jì)鉆進(jìn)軌跡進(jìn)行對(duì)比，出現(xiàn)偏差時(shí)及時(shí)調(diào)整。

導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)注意井眼返漿情況并做好記錄，以準(zhǔn)確判斷鉆進(jìn)過(guò)程中的地質(zhì)情況，為預(yù)擴(kuò)孔提供可靠的數(shù)據(jù)[3]。

3.6 預(yù)擴(kuò)孔

擴(kuò)孔采用反拉旋轉(zhuǎn)多級(jí)擴(kuò)孔。首次擴(kuò)孔直徑為350 mm，擴(kuò)孔直徑逐級(jí)增大，按照每級(jí)100 mm逐級(jí)增加，終孔直徑取1 150 mm。

導(dǎo)向孔鉆進(jìn)完成后，卸下起始桿和導(dǎo)向鉆頭，先更換為直徑350 mm的回?cái)U(kuò)鉆頭進(jìn)行回?cái)U(kuò)，完成擴(kuò)孔后再更換下一級(jí)回?cái)U(kuò)鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔。最后一次回?cái)U(kuò)鉆頭需采用相應(yīng)的擠擴(kuò)式鉆頭，若回拖力和回?cái)U(kuò)扭矩過(guò)大，則需多回?cái)U(kuò)一次，以利孔壁的成型和穩(wěn)定[4]。

擴(kuò)孔過(guò)程采用“中鉆速、中鉆壓、大泵量”的方法控制，回?cái)U(kuò)時(shí)將泥漿密度控制在1.1～1.2 g/cm3，黏度控制為45～70 s,PH值控制在8～9。回?cái)U(kuò)期間，保持工作坑漿液高于地下水位，并根據(jù)扭矩、回拖力和進(jìn)尺等情況及時(shí)調(diào)整漿液性能指標(biāo)。

3.7 管道的連接

沿河堤將PE管按順序擺放以便于管道組對(duì)焊接。該工程采用SHBD800熱熔焊機(jī)進(jìn)行焊接施工，將焊接溫度控制在210 ℃～220 ℃，熱熔時(shí)間控制在5～10 min，冷卻時(shí)間不低于30 min，管材冷卻時(shí)間不得移動(dòng)或在連接處施加外力。

3.8 管道的回拖

鑒于PE管材抗拉屈服強(qiáng)度較低，為避免回拖力超過(guò)管材拉伸極限發(fā)生斷裂而影響到管道的安裝質(zhì)量，在管道中設(shè)Φ140 mm×9.6 m通長(zhǎng)鉆桿，鉆桿穿過(guò)拉管頭后固定在拉管頭外側(cè)，管道四周均勻固定三根Φ50 mm PE花管。

清孔完成后，將擴(kuò)孔器與萬(wàn)向節(jié)、U型環(huán)與拉管頭連接牢固，在確保全部準(zhǔn)備工作完成后開(kāi)始管道回拖，管道回拖采用機(jī)械輔助發(fā)送，設(shè)專(zhuān)人統(tǒng)一指揮吊車(chē)根據(jù)回拖速度向前吊送。

管道回拖宜連續(xù)進(jìn)行，中途不能中斷并保持泥漿回流，回拖速度按平均0.8～1 m/min勻速、平穩(wěn)拉進(jìn)管道。在回拖管材施工過(guò)程中，應(yīng)盡量避免發(fā)生卡管、鋪管受擠壓變形、泥漿滲出等事故，若發(fā)生則應(yīng)分析原因、采取相應(yīng)措施予以解決[5]?；赝贤瓿珊?，封閉管口并等待3～5 d，使管道回拖所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變恢復(fù)后方可切斷管頭。

3.9 土體加固

為防止地面沉降，在管道回拖完成后，通過(guò)預(yù)留花管對(duì)管道四周的土體進(jìn)行加固，采用1∶1.5的水泥漿液對(duì)管道孔壁間進(jìn)行填充置換。

4 注意事項(xiàng)

(1)PE管材進(jìn)場(chǎng)后，必須組織驗(yàn)收并取樣檢測(cè)，合格后方可使用，以確保材料性能滿足要求。

(2)司鉆在操作過(guò)程中，設(shè)備啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)、停止平穩(wěn)過(guò)渡，采用低速鉆孔及擴(kuò)孔；出現(xiàn)扭矩過(guò)大情況時(shí)應(yīng)及時(shí)降低速度，待處理完成后再繼續(xù)鉆進(jìn)。

(3)鉆進(jìn)時(shí)，泥漿泵開(kāi)泵不宜過(guò)快，壓力不能過(guò)大，避免漿液壓力驟增對(duì)孔壁造成猛烈沖擊而導(dǎo)致塌孔，

(4)鉆進(jìn)過(guò)程中，一定要注意觀察漿液狀態(tài)，保持漿液均勻、性能穩(wěn)定，防止?jié){液性能出現(xiàn)大幅度變化，若發(fā)現(xiàn)泥漿因失水、攜帶鉆屑而變稠時(shí)，應(yīng)及時(shí)過(guò)濾鉆屑并稀釋漿液。

(5)在鉆進(jìn)與擴(kuò)孔階段，鉆進(jìn)和擴(kuò)孔速度不能過(guò)快，以保證孔洞內(nèi)有充足的泥漿能快速帶出土屑，防止堵塞孔道；管道回拖階段應(yīng)勻速、平穩(wěn)回拖，防止速度過(guò)快導(dǎo)致孔洞內(nèi)的泥漿無(wú)法快速流動(dòng)釋放而造成瞬間高壓破壞。

(6)擴(kuò)孔時(shí)，嚴(yán)格按照相關(guān)要求逐級(jí)進(jìn)行擴(kuò)孔，禁止為追求進(jìn)度越級(jí)擴(kuò)孔。

5 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，水平定向鉆施工技術(shù)在我國(guó)得到了迅猛發(fā)展，PE管材也愈來(lái)愈多地應(yīng)用于管道工程建設(shè)，無(wú)論在管道敷設(shè)、置換、修復(fù)中都發(fā)揮著重要的作用，取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

目前國(guó)內(nèi)長(zhǎng)距離、大管徑管道敷設(shè)應(yīng)用水平定向鉆技術(shù)施工的項(xiàng)目其管材主要采用鋼管；長(zhǎng)距離、大管徑PE管道敷設(shè)主要為嘗試應(yīng)用，可供借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)不多，因此，總結(jié)非開(kāi)挖水平定向鉆大管徑PE管道敷設(shè)技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)極為必要。通過(guò)白龍路供水管道工程大管徑PE管敷設(shè)應(yīng)用非開(kāi)挖水平定向鉆施工技術(shù)，其管道施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，施工安全、高效，綜合成本低，所取得的施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)類(lèi)似工程管道施工具有一定的借鑒意義。