城鎮(zhèn)燃氣管道非開挖定向穿越施工技術(shù)

劉宇翔 楊 楠

（四川華油集團有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

0 引言

燃氣管道是城鎮(zhèn)建設(shè)發(fā)展中非常重要的基礎(chǔ)設(shè)施，對改善城鎮(zhèn)的大氣環(huán)境及污染問題等有著積極的影響。但是，燃氣管道實際施工中，時常會與既有道路、既有管道或者其他既有建筑物相交，這時采取傳統(tǒng)的開挖技術(shù)進行施工，難度很大，且會牽扯多方利益，甚至?xí)鸢踩鹿实?。鑒于此，非開挖定向穿越施工技術(shù)應(yīng)運而生，并逐漸廣泛應(yīng)用于燃氣管道施工中，為了充分發(fā)揮出非開挖定向穿越施工技術(shù)的優(yōu)勢，有必要對其加強研究。

1 非開挖定向穿越施工技術(shù)概述

1.1 技術(shù)原理

非開挖定向穿越施工技術(shù)顧名思義就是不用在地面進行開挖，而是利用水平定向鉆機沿著預(yù)定的方向進行鉆進，從而實現(xiàn)地下管道鋪設(shè)、修復(fù)及更換等施工技術(shù)。其中利用水平定向鉆機進行鉆進鋪管是最為常用的施工方法，首先利用水平定向鉆在地面上鉆出一個導(dǎo)向孔，接著再換成擴孔鉆頭實施反向擴孔，再把所要鋪設(shè)的管道拉入擴充好的鉆孔內(nèi)，擴孔次數(shù)主要根據(jù)現(xiàn)實施工的工作量及管道直徑大小來確定（具體施工示意圖見圖1）。

圖1 非開挖水平定向穿越施工方法示意圖

具體來說，非開挖定向穿越施工的技術(shù)原理就是通過鉆機提供鉆機動力，再利用水平定向鉆機上的可操作、可控制鉆進系統(tǒng)，根據(jù)施工要求進行導(dǎo)向鉆進。導(dǎo)向鉆進過程中可以根據(jù)鉆桿的旋轉(zhuǎn)情況及一個特殊設(shè)計的楔形鉆頭實現(xiàn)三維控制。同時鉆進過程中，若需要改變鉆進方向，則只需停止鉆桿旋轉(zhuǎn)，并根據(jù)實際需要把楔形鉆頭的楔面固定到相應(yīng)位置上，再開啟鉆桿進行鉆進便能實現(xiàn)變向。地表的電磁接收設(shè)備可以通過接收探測儀傳回的信號來確定鉆頭位置及鉆進傾斜角度等。鉆進結(jié)束回拉鉆桿前，應(yīng)用錐形擴孔器把楔形鉆頭換下來，然后進行擴孔并回拉管道[1]。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

1.2.1 適用范圍較廣

非開挖定向穿越施工技術(shù)在粉土、黏土、砂土等各類地質(zhì)條件下應(yīng)用都能取得不錯的施工效果；同時，也可以適用于管徑DN40～DN2000 的塑料管、鋼管及鑄鐵管等管材鋪設(shè)施工。

1.2.2 作業(yè)操作面小

非開挖定向穿越施工技術(shù)應(yīng)用過程中，只要挖一個適合作業(yè)的淺坑即可，且鉆孔施工只需在預(yù)先挖好的發(fā)射坑及接收坑之間進行，整個施工過程都無須進行過多開挖，對既有建筑物等破壞小。

1.2.3 施工周期較短

相對于傳統(tǒng)大開挖施工技術(shù)來說，應(yīng)用非開挖定向穿越技術(shù)通常可以在10d～15d 完成管道施工，而應(yīng)用傳統(tǒng)的大開挖技術(shù)則通常要耗時2～3 個月，顯然非開挖定向穿越施工的周期要短很多。

1.2.4 無須大量施工人員，且安全性更高

應(yīng)用非開挖定向穿越施工技術(shù)時，通常需要幾名施工人員便可以完成相關(guān)工作，且施工作業(yè)基本都是使用機械鉆桿在地下工作，而施工人員只需在地面操作就可以，安全性更高。在大開挖施工中，會形成高切坡，安全系數(shù)比較低。再加上城鎮(zhèn)燃氣管道施工的安全性直接關(guān)系著周圍居民生產(chǎn)生活，對安全性要求比較高，因此，城鎮(zhèn)燃氣管道施工必須要求采取最為安全有效的技術(shù)措施。

1.3 施工工藝

1.3.1 前期準(zhǔn)備

進行非開挖管道定向穿越施工前，要了解及調(diào)查清楚目標(biāo)施工區(qū)域的土壤類型、周邊自然環(huán)境及既有建筑物情況等，再根據(jù)設(shè)計圖紙選擇合適的鉆頭及鉆進路線，并編制現(xiàn)場施工方案，確定鉆機型號、鉆頭出入角度、擴孔直接及管材型號等[2]。

1.3.2 導(dǎo)向鉆進

通過鉆機提供動力驅(qū)動定向鉆頭，并根據(jù)提前設(shè)定好的方向及路線旋轉(zhuǎn)鉆進，直至完成鉆孔施工。在該過程中，鉆頭的信號棒會實時發(fā)出信號，并被地面的信號接收設(shè)備接收到，以此來確定鉆頭的深度及角度等情況，便于施工操作人員根據(jù)實際情況來操控或調(diào)整鉆頭方向，確保導(dǎo)向鉆進施工質(zhì)量符合設(shè)計圖紙要求。

1.3.3 分級擴孔

做完導(dǎo)向孔施工之后，要及時對鉆孔進行分級擴孔，直到鉆孔直徑達到設(shè)計要求。然后把配置好的鉆液注入鉆孔內(nèi)，避免孔洞塌方，并把石屑等清理出去，為后續(xù)管道回拉施工奠定基礎(chǔ)。

1.3.4 回拉管道

做完擴孔工作后，把管道和回拉頭、錐形擴孔器及鉆桿牢固連接到一起，再把管道拉進孔洞中完成鋪設(shè)。

2 實例分析

某燃氣管道施工項目施工長度共計約1.9km，經(jīng)勘察單位現(xiàn)場勘測后得知，擬建區(qū)域的土層屬中軟土，覆蓋層厚度大于3.0m，場地類別為Ⅱ類建筑場地，且有河流經(jīng)過，穿越斷面分布地層土石工程分級如下：人工填土（Q4ml）為Ⅱ級；粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）（可塑）為Ⅱ級；卵石（Q4al+pl）（松散）為Ⅱ級；泥巖（強風(fēng)化）為Ⅳ級，為典型的卵石地質(zhì)層。同時，該區(qū)域也埋有電纜管道，埋設(shè)深度變化不大，但是埋的比較淺，基本都在1m～2m，燃氣管道擬分布于其下方，埋設(shè)深度2.5m～2.7m。另外，擬建區(qū)域交通線比較密集。為確定最終的施工方案，對開挖方式及非開挖定向穿越方式進行了對比，結(jié)果見表1 和表2。綜合上述情況，且為了減少不必要的影響，最終選定非開挖定向穿越施工方式進行施工，施工用的管材為φ160mm、壁厚15mm、PE100 級的HDPE 燃氣管道，定向穿越每段φ250mm 管道的長度為200m～300m。

表1 燃氣管道施工方案對比

表2 施工費用對比

3 非開挖定向穿越施工

3.1 施工準(zhǔn)備

在正式非開挖定向穿越施工前，須結(jié)合燃氣管材和直徑等情況，明確燃氣管道的最大允許彎曲角度；再根據(jù)燃氣管道設(shè)計埋深及現(xiàn)場地質(zhì)情況，確定最優(yōu)施工路線，確保管道施工長度最短；再滿足施工需要調(diào)配的各種施工機具及材料的要求。另外，在現(xiàn)場要根據(jù)設(shè)計圖紙要求，利用導(dǎo)向儀等測量并確定燃氣管道施工的中心線和觀測點。

3.2 操作坑開挖

根據(jù)圖紙中設(shè)計的燃氣管道直徑、埋深和施工長度等相關(guān)要求，明確燃氣管道實際鉆入點位置，并畫好標(biāo)識。然后設(shè)計井位并開挖入管工作井和出鉆工作井，工作井的深度以滿足燃氣管道埋深及管道施工為準(zhǔn)。

3.3 鉆機就位和調(diào)試

按照施工設(shè)計圖紙和施工規(guī)范要求，把鉆進和配套設(shè)備安裝到制定位置上，并按管道軸線方向把鉆機方向調(diào)好，使兩者方向保持一致，左右誤差在30mm 內(nèi)。安好鉆機之后，進行試運行，檢測鉆機運行狀態(tài)，并根據(jù)出入土角把鉆頭調(diào)好，有問題及時處理，確保鉆機性能[3]。

3.4 泥漿配制

泥漿是影響非開挖定向穿越施工質(zhì)量的關(guān)鍵，因此，非開挖定向穿越施工中要合理配制泥漿，且要根據(jù)地質(zhì)土層的變化及時調(diào)整，可以適當(dāng)?shù)靥砑犹砑觿?，確保泥漿的動、靜切力、失水和潤滑等性能都滿足施工要求。該項目中泥漿基漿配比如下：5%～8%預(yù)水化膨潤土+堿（Na2CO3）進行攪拌后水化制成，根據(jù)水質(zhì)情況來確定實際的用堿量。

3.5 鉆孔導(dǎo)向

導(dǎo)向軌跡的設(shè)計如下。當(dāng)公稱直徑Dn＜75mm 時，鉆桿半徑R≥75m、塑料管半徑R=400D～2500D且R≥75m。因此，塑料管的入土曲率半徑的計算如下。

R1=500D=500×0.20=100m式中：D為管道內(nèi)徑。

出土曲率半徑的計算如下。

R2=600D=500×0.20=120m

經(jīng)計算，符合鉆桿曲率半徑的設(shè)計要求。

深度為h1，長度L1、L2、入土角度a1及出土角度a2計算如下。

路面長度為：L=L1+L2+L3，導(dǎo)向鉆進施工軌跡見下圖2所示。

圖2 導(dǎo)向鉆進施工軌跡示意圖

鉆頭鉆進入土的角度是12.84°，并采用φ200 的牙輪式擴孔器進行導(dǎo)向孔施工（如圖3 所示）。鉆進施工的整個過程中，要按設(shè)計要求嚴(yán)格控制鉆進速度及方向，確保導(dǎo)向孔質(zhì)量。

圖3 導(dǎo)向孔施工示意圖

燃氣管道定向穿越施工對方向精度要求高，因此在鉆進施工中每鉆進1 根鉆桿便設(shè)置1 個明顯的標(biāo)記，并且對鉆桿的鉆進方向探測最少2 次，以確保方向正確。如果鉆進方向出現(xiàn)偏移，則須抽出1～2 根鉆桿，并調(diào)整好導(dǎo)向鉆頭方向重新進行鉆進，鉆進軌跡要和燃氣管道軸線一致無偏移，避免“S”彎。同時，要清楚記錄好鉆進施工期間的扭矩、推力、泥漿流量及壓力、方向誤差等數(shù)據(jù)信息，以便控制鉆進施工質(zhì)量[4]。做完導(dǎo)向孔施工后，根據(jù)鉆孔軌跡及記錄的數(shù)據(jù)信息判斷該導(dǎo)向孔是否合格。并嚴(yán)格控制軸線左右偏離距離＜1%鉆進長度，控制深度誤差＜0.5%鉆進長度，控制出土位置偏差＜1m。

3.6 分級反擴成孔

做完導(dǎo)向孔施工之后，應(yīng)及時將鉆頭卸下，并安上回擴器實施分級回擴施工（如圖4 所示）。該項目的管材為φ160mm 的HDPE 管道，采取φ300mm 的曲輪式擴孔器按1.2～1.5 倍管道直徑進行分級反拉旋轉(zhuǎn)擴孔作業(yè)。擴孔施工過程中，要結(jié)合地質(zhì)勘察報告和導(dǎo)向鉆進的實際情況來嚴(yán)格控制地層軟硬交替位置的施工速度及泥漿壓力，且應(yīng)嚴(yán)格控制擴孔質(zhì)量，防止因擴孔而引起路面隆起或下沉等問題[5]。

圖4 分機反擴成孔示意圖

3.7 管道回拖

用φ300mm 的曲輪式擴孔器做完擴孔工作后，送泥漿沖洗，且檢查泥漿噴嘴正常之后，便開始管道回拖施工。首先，通過燃氣管道端頭提前焊設(shè)的拖管頭把擴孔鉆頭和萬向節(jié)牢固連到一起。然后，啟動鉆機進行管道回拖施工?；赝线^程中要把燃氣管道放到輪胎上，并往輪胎上涂一層黃油，每隔12m 便設(shè)置一個輪胎，這樣既能減小回拖施工的阻力，又能有效保護燃氣管道防腐層不被破壞（管道回拖如圖5 所示）。實時記錄好管道回拖的各項數(shù)據(jù)，并在管道回拖完成之后，及時用挖掘機把管道的前端和擴孔器等設(shè)備挖出來，然后把擴孔器拆掉。

圖5 管道回拖示意圖

3.8 管道連接

做完管道回拖施工后，及時開展試壓工作，檢查管道有無泄漏等不合格情況。待合格后再跟相鄰管道進行連接施工，連接施工要嚴(yán)格按照設(shè)計及規(guī)范要求，安排專業(yè)的技術(shù)人員按照“布管→組對→實施焊接”的流程進行熱熔對接焊接，以確保質(zhì)量。

3.9 工程事故及應(yīng)急措施

非開挖定向鉆機施工基本都是地下機械施工，雖然施工效率高、操作簡便，但是地下環(huán)境復(fù)雜，不可預(yù)見因素較多，所以也可能出現(xiàn)一些問題或事故。鑒于此，項目部應(yīng)提前制定應(yīng)急方案，以便發(fā)生事故后可以及時處理，且必要的情況下，也應(yīng)上報建設(shè)單位、設(shè)計單位及監(jiān)理單位等，召開轉(zhuǎn)角討論會，及時制定針對性補救方案[6]。

4 結(jié)語

綜上所述，非開挖定向穿越施工技術(shù)在城鎮(zhèn)燃氣管道工程中應(yīng)用較廣，尤其是在交通繁忙、人流量較大的施工環(huán)境中有著明顯的優(yōu)勢。但是該技術(shù)在實際應(yīng)用中也存在一定的風(fēng)險，因此在實際應(yīng)用時，要充分調(diào)查現(xiàn)場施工環(huán)境及地質(zhì)條件等情況，并編制合適的非開挖定向穿越施工方案，嚴(yán)格落實每項施工，保證燃氣管道施工安全、穩(wěn)定、高效完工，為城鎮(zhèn)社會及經(jīng)濟發(fā)展提供保障。