非開挖定向鉆進(jìn)技術(shù)在小型水庫壩下涵管改造中的應(yīng)用

胡衛(wèi)星，尚 斌，張 昕

（1.浙江省金華市武義縣水務(wù)局，浙江 武義 321200；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；3.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

1 問題的提出

目前，我國已建成各類水庫約8.7萬座，其中小型水庫約8.3萬座，小型水庫占水庫總數(shù)的95%以上。小型水庫是我國防洪體系與水利基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在防洪、灌溉、供水、發(fā)電和改善生態(tài)與環(huán)境等方面發(fā)揮巨大的作用。我國小型水庫大部分是在“大躍進(jìn)”時(shí)期修建，受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)水平的制約，小型水庫放水設(shè)施主要是采用壩下涵管型式[1-2]。壩下涵管管材主要有陶瓦、竹筋混凝土、素混凝土、漿砌石等。經(jīng)過多年運(yùn)行，部分（很多）小型水庫壩下涵管存在斷裂、滲漏、淤積等問題[3]，不得不采取限制水庫水位等措施，保證水庫安全運(yùn)行，嚴(yán)重影響水庫效益的發(fā)揮并威脅大壩結(jié)構(gòu)安全。對存在病險(xiǎn)問題的壩下涵管，目前主要采用壩體開挖重建、新建隧洞、頂管法重建、增加虹吸管等幾種方法處理[4-7]。受適用條件限制，以上幾種壩下涵管改造技術(shù)在實(shí)際工程中均無法大規(guī)模推廣應(yīng)用，使我國壩下涵管改造技術(shù)陷入被動(dòng)。因此，迫切需要研發(fā)一種通用的壩下涵管改造技術(shù)以提高我國小型水庫壩下涵管改造的技術(shù)水平。

2 非開挖定向鉆進(jìn)技術(shù)簡介

非開挖水平定向鉆進(jìn)技術(shù)是采用安裝于地表的鉆孔設(shè)備，以相對于地面較小的入射角鉆入地層形成先導(dǎo)孔，將先導(dǎo)孔擴(kuò)徑至所需大小并鋪設(shè)管道的一項(xiàng)技術(shù)，在施工中具有跟蹤和導(dǎo)向功能[8]。該技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代的石油鉆井工業(yè)，結(jié)合水井工業(yè)和公用設(shè)施建設(shè)方面的技術(shù)，經(jīng)演變之后廣泛應(yīng)用于市政管道、油氣管道的建設(shè)中。

2013年，浙江省金華市武義縣水務(wù)局在小型水庫除險(xiǎn)加固工程中引入非開挖定向鉆進(jìn)技術(shù)改造土壩壩下涵管并取得成功。截至2017年，武義縣共有8座水庫采用該技術(shù)新建壩肩放水涵管，經(jīng)過2~3 a觀測，均運(yùn)行正常。非開挖定向鉆進(jìn)技術(shù)與土石壩壩下涵管改造常用技術(shù)優(yōu)劣比較見表1。

從表1中可以得出：相對于水庫壩下涵管改造常用技術(shù)，非開挖定向鉆進(jìn)技術(shù)具有施工速度快、安全性能高、不影響壩體安全、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[9]。但由于非開挖定向鉆進(jìn)技術(shù)在現(xiàn)有水利行業(yè)規(guī)范中暫無明確表述且應(yīng)用時(shí)間不長，其施工工藝缺乏系統(tǒng)研究，導(dǎo)致該技術(shù)在各地應(yīng)用水平參差不齊，影響該技術(shù)的推廣應(yīng)用。結(jié)合近年來各地在采用非開挖定向鉆進(jìn)技術(shù)改造壩下涵管過程中積累的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對該技術(shù)的施工工藝流程和注意事項(xiàng)進(jìn)行總結(jié)，為全國各地水庫壩下涵管改造提供一個(gè)可行的參考方案。

表1 非開挖定向鉆進(jìn)技術(shù)與壩下涵管改造常用技術(shù)比較表

3 施工工藝

采用非開挖定向鉆進(jìn)技術(shù)改造壩下涵管的施工工藝流程，分為以下10個(gè)步驟：

（1）測量放樣。根據(jù)設(shè)計(jì)的鉆進(jìn)線路進(jìn)行測量放樣，鉆進(jìn)線路的基巖覆蓋層厚度必須大于2 m，避免穿越壩體。

（2）工作面開挖。根據(jù)計(jì)算選定的鉆機(jī)設(shè)備尺寸開挖鉆機(jī)平臺，然后進(jìn)行管線進(jìn)出口兩端的工作面開挖。位于庫區(qū)內(nèi)的工作面應(yīng)保證干地施工條件，施工期間，原涵管做施工導(dǎo)流，排除水庫上游來水。鉆機(jī)平臺最好設(shè)置在庫外，鉆孔方向由庫外向庫內(nèi)；若條件不允許，可設(shè)在庫內(nèi)，同時(shí)設(shè)圍堰及排水設(shè)施，不作業(yè)時(shí)安排人員值守，預(yù)防突發(fā)強(qiáng)降雨，導(dǎo)致設(shè)備被淹沒。

（3）導(dǎo)向孔掘進(jìn)。鉆機(jī)安裝好后，先掘進(jìn)導(dǎo)向孔，在掘進(jìn)過程中，用導(dǎo)向探測儀監(jiān)測掘進(jìn)方向、深度、高程，同時(shí)，在鉆機(jī)旁邊設(shè)置泥漿池，泥漿采用非開挖專用膨潤土，按設(shè)計(jì)配比進(jìn)行調(diào)配。鉆機(jī)自帶吸水功能把泥漿送至工作面，通過泥漿把鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的碎石粉末排出洞外。

（4）擴(kuò)孔。導(dǎo)向孔貫通后進(jìn)行擴(kuò)孔，應(yīng)按設(shè)計(jì)擴(kuò)孔系數(shù)和級差進(jìn)行分級施工。

（5）孔壁清洗。擴(kuò)孔成功后，用水泵和鉆頭清洗孔壁，全孔清洗。

（6）拖管。鉆機(jī)將PE管從進(jìn)口（出口）拉到另一側(cè)。

（7）壓水試驗(yàn)。PE管安裝完成后進(jìn)行壓水試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力不低于0.6 MPa，持續(xù)時(shí)間24 h，檢驗(yàn)PE管接頭的密封性，防止灌漿漿液進(jìn)入PE管，造成堵塞。壓水試驗(yàn)中若發(fā)現(xiàn)PE管焊接段發(fā)生漏水現(xiàn)象，可采用以下3種方式進(jìn)行處理：選用相應(yīng)電熔套管進(jìn)行維修；采用熱熔法進(jìn)行維修，將接頭鋸開，用電動(dòng)刨刀削除舊接頭兩端各0.5 m，若施工條件允許，可采用直接管道對接焊進(jìn)行修復(fù)，如場地限制可用法蘭鏈接修復(fù)；選用相應(yīng)尺寸的哈夫節(jié)緊固到漏水接頭兩側(cè)進(jìn)行維修。

（8）回填灌漿。先把進(jìn)出口兩端用混凝土封堵，封堵時(shí)需預(yù)留排氣管與灌漿管，封堵完成48 h后才能進(jìn)行回填灌漿作業(yè)。灌漿作業(yè)的同時(shí)，保持PE管壓水狀態(tài)，防止灌漿壓力過大導(dǎo)致PE管變形。灌漿時(shí)，觀測排氣管的逸流狀態(tài)，水泥漿液從排氣管排出5 min后，封堵排氣管，灌漿壓力達(dá)到0.4 MPa時(shí)停止作業(yè)，3 h后進(jìn)行復(fù)灌。

（9）進(jìn)出口處理?；靥罟酀{完成后，修建進(jìn)出口設(shè)施，主要為進(jìn)口閘門、出口消力池及渠道等設(shè)施。

（10）原涵管封堵。新建涵洞正常運(yùn)行后封堵原涵管。原涵管在黏土套井施工中予以擊穿，清理干凈后，用水泥土回填夯實(shí)；原涵管進(jìn)口段混凝土封堵，預(yù)留回填灌漿管，1條深入涵管，1條作為出氣管，同時(shí)觀察回填漿液的情況，出漿后達(dá)到壓力值后停灌，隔3~4 h復(fù)灌；出口段混凝土封堵，以防萬一，預(yù)留排水管，并接往壩外。若在施工中遇到原涵管無法擊穿的現(xiàn)象，則在該處做出標(biāo)記，在后期帷幕灌漿時(shí)再擊穿。

4 注意事項(xiàng)

采用非開挖定向鉆進(jìn)技術(shù)改造土石壩壩下涵管需注意以下事項(xiàng)：

（1）采用非開挖定向鉆進(jìn)技術(shù)施工時(shí)，需將設(shè)備置于庫區(qū)內(nèi)或庫區(qū)外，向另一面鉆孔施工，嚴(yán)格控制水平開挖精度，否則會引發(fā)另一端進(jìn)口（出口）高程偏高（偏低），影響涵管的正常排水。如果由涵管進(jìn)口端往庫區(qū)外出口端掘進(jìn)，造成出口端位置抬高，將導(dǎo)致水庫死水位抬高，增加死庫容；偏低又造成與原有渠道高程不符，造成死水位下庫水無法排出。因此，掘進(jìn)過程中的水平高差控制需較高的施工水平。

（2）控制好灌漿壓力，PE管材需選用承壓1.0 MPa的優(yōu)質(zhì)管材，在灌漿時(shí)不易引起PE管壓縮，否則管徑變小，導(dǎo)致涵管出水量不正常。

（3）在涵管進(jìn)水口處宜設(shè)Φ5 cm通氣管，該管連接到啟閉機(jī)房頂，防止啟閉機(jī)快速關(guān)閉時(shí)出現(xiàn)負(fù)水錘現(xiàn)象。

（4）為方便運(yùn)行管理，涵管進(jìn)口處宜設(shè)置斜拉式平板放水（檢修）閘門，出口處宜安裝工作閘閥，設(shè)閘閥室或閘閥井。

（5）由于涵管穿越壩下山體，施工工藝與常規(guī)市政道路穿越施工工藝不同，施工完成后還需封堵、壓水、回填灌漿工序，建議選擇專業(yè)水利施工隊(duì)伍。

（6）用導(dǎo)向儀控制定向鉆進(jìn)的高程方向，鉆頭裝發(fā)射器發(fā)射信號，導(dǎo)向儀接收信號，司鉆員控制方向。按操作規(guī)程標(biāo)定控向參數(shù)，為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，在穿越軸線的不同位置測取，且每個(gè)位置至少測4次，進(jìn)行對比并做好記錄，取其有效值的平均值作為定向鉆進(jìn)的控向方位角度。

（7）水平定向鉆進(jìn)泥漿中的黏土是以蒙脫石為主的膨潤土，主要由粒徑很?。? μm以下）的黏土礦物顆粒組成。主要含氧化硅、氧化鋁和水，還有少量的鐵、堿金屬和堿土金屬。黏土礦物的化學(xué)成分是含水鋁硅酸鹽。

（8）在擴(kuò)孔中，為保證泥漿的性能、用量，現(xiàn)場配備一套泥漿性能檢測裝置（馬氏漏斗），根據(jù)穿越段反漿情況調(diào)整泥漿配比值，根據(jù)地質(zhì)資料，初步設(shè)計(jì)泥漿粘度為40~50 s。

（9）回拖是定向穿越的最后一步，也是最為關(guān)鍵的一步。回拖采用的鉆具組合為：D-83鉆桿+φ300 mm飛旋式切割刀進(jìn)行擴(kuò)孔+50 T萬向節(jié)穿越管線。回拖時(shí)需連續(xù)作業(yè)，避免因停工造成阻力增大。管線回拖前仔細(xì)檢查各連接部位是否牢固，對回拖頭、萬向節(jié)、U型環(huán)等進(jìn)行檢測及驗(yàn)算。為保證回拖順利和防腐層不受破壞，采用發(fā)送溝的方式回拖管線，在作業(yè)時(shí)增加高潤滑泥漿，回拖前后，準(zhǔn)備好補(bǔ)口、補(bǔ)傷材料及電火花檢漏儀，安排專人巡視。

（10）PE管熱熔焊接施工工藝分為切削管端頭、對正檢查、接通電源、加溫熔化、加壓對接、保壓冷卻、試壓7個(gè)階段。對正檢查時(shí)應(yīng)取出銑刀再合攏焊機(jī)，要求管端面間隙≤1 mm，兩管的管邊錯(cuò)位小于等于壁厚的10%；接通電源時(shí)應(yīng)使加熱板達(dá)到（210±10）℃，用凈棉布擦凈加熱板表面再裝入焊機(jī)；加溫熔化時(shí)將兩管端合攏，使焊機(jī)在一定壓力下給管端加溫，當(dāng)出現(xiàn)0.4~3.0 mm高的熔環(huán)時(shí)，停止加溫，進(jìn)行無壓保溫，持續(xù)時(shí)間為壁厚的10倍；加壓對接時(shí)達(dá)到保溫時(shí)間即打開焊機(jī)，取出加熱板，并在10 s內(nèi)重新合攏焊機(jī)，逐漸加壓，使熔環(huán)高度達(dá)到0.3~0.4 mm，單邊厚度達(dá)到0.35~0.45 mm；保壓冷卻時(shí)間為20~30 min；試壓壓力為工作壓力1.5倍。

5 改進(jìn)措施

由于非開挖定向鉆進(jìn)技術(shù)改造土石壩壩下涵管應(yīng)用時(shí)間不長，在實(shí)際工程施工及運(yùn)行管理中還存在改進(jìn)空間，具體如下：

（1）非開挖定向鉆進(jìn)技術(shù)在現(xiàn)有水利行業(yè)規(guī)程規(guī)范中暫無明確表述且應(yīng)用時(shí)間不長，其設(shè)計(jì)理論及施工工藝均需要進(jìn)一步研究。

（2）由于非開挖定向鉆進(jìn)技術(shù)改造的壩下涵管管徑較小，其回填灌漿質(zhì)量目前暫無法檢驗(yàn)，可以考慮研發(fā)小型管道檢測機(jī)器人攜帶物探設(shè)備進(jìn)行回填灌漿質(zhì)量檢驗(yàn)。

（3）由于非開挖定向鉆進(jìn)技術(shù)為新技術(shù)，水利工程概算定額中尚無相關(guān)計(jì)價(jià)方式，實(shí)際運(yùn)用中采用市場定價(jià)。為便于技術(shù)推廣，建議各地水利工程概算定額完善相關(guān)計(jì)價(jià)方式。

（4）小型水庫主要功能一般為灌溉和供水，以灌溉水稻為主的水庫一般對水溫有要求，需取表層溫水；以供水為主的水庫一般對水質(zhì)有要求，需取表層清水。因此部分水庫涵管進(jìn)水口需根據(jù)實(shí)際情況考慮采用分層取水式進(jìn)水口，可考慮與非開挖定向鉆進(jìn)技術(shù)改造的壩下涵管結(jié)合取表層水。

6 結(jié) 語

自2013年以來，浙江省采用非開挖定向鉆進(jìn)技術(shù)改造土石壩壩下涵管的水庫已經(jīng)超過100座，改造的最大涵管長度365 m，最大管徑達(dá)到1 m，經(jīng)過改造后的涵管均運(yùn)行良好。由于采用非開挖定向鉆進(jìn)技術(shù)改造土石壩壩下涵管具有施工速度快、安全性能高、不影響壩體安全、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，建議在通過完善設(shè)計(jì)理論、改善施工工藝、提高施工水平、降低工程造價(jià)的基礎(chǔ)上，在小型水庫壩下涵管改造中全面推廣應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)。