市政管線非開挖水平定向鉆導(dǎo)向軌跡設(shè)計(jì)探討

陳洪濤，王紹華，郭嘉镕，黃祥云

（1.天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300392；2.天津?yàn)I海新區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)管有限公司，天津 300450）

隨著我國城市化的發(fā)展，城市范圍越來越大，為完善市政設(shè)施配套，建成區(qū)域內(nèi)增設(shè)各種專業(yè)管線的案例越來越多?？紤]到穿越重要路段或河道時明挖施工對環(huán)境及交通等方面的較大影響，非開挖技術(shù)的應(yīng)用得到推廣。作為穿越工程常用的非開挖技術(shù)，水平定向鉆工藝無需全線明開槽，一般不涉及深基坑，工程安全性高；對周邊環(huán)境及現(xiàn)狀管線的影響較小；道路和綠化的破除恢復(fù)面積得到控制，節(jié)省人力和設(shè)備成本，施工周期短，工程經(jīng)濟(jì)性較好；自20世紀(jì)80年代引入中國，在給水、排水、燃?xì)?、電力、通信、石油等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 水平定向鉆工藝

水平定向鉆（又稱為拖拉管施工）的實(shí)施可分3步：

1）導(dǎo)向孔鉆進(jìn)，利用鉆機(jī)、導(dǎo)向鉆頭及導(dǎo)向儀等機(jī)具，按穿越軌跡和操作規(guī)程實(shí)施導(dǎo)向孔，過程中利用探測器根據(jù)地下情況隨時調(diào)整鉆頭；

2）擴(kuò)孔護(hù)壁，鉆孔到達(dá)出土端時卸下導(dǎo)向鉆頭，換上較大直徑的擴(kuò)孔鉆頭，多次擴(kuò)孔至所需孔徑；

3）管道回拖，將管道自出土端反向回拖，完成穿越施工。

注漿貫穿整個過程，泥漿從鉆頭前端噴出，主要作用是固孔護(hù)管、減少鉆具與土層摩擦、對鉆具降溫及清除鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生土屑等。

水平定向鉆技術(shù)有兩種常規(guī)導(dǎo)向方式，即地面造斜導(dǎo)向和坑內(nèi)導(dǎo)向（又稱為二程式拖拉法）。見表1。

表1 水平定向鉆技術(shù)導(dǎo)向方式對比

郭坤[1]和龍秋亮[2]提出單邊造斜導(dǎo)向方式并應(yīng)用到實(shí)際工程，為場地受限條件下的水平定向鉆施工提供了新的導(dǎo)向方式。

2 水平定向鉆技術(shù)參數(shù)選擇

導(dǎo)向軌跡是工藝設(shè)計(jì)的核心，關(guān)系到施工成功與否。地面造斜導(dǎo)向的軌跡計(jì)算依據(jù)為CECS 382：2014《水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程》。見圖1。

圖1導(dǎo)向軌跡

圖1 中，α和β分別為入/出土角，（°）；R為曲率半徑，m；h1和h2分別為入/出土端地面與底部直線段的高度，m；L0為底部直線段長度，m。

h1、h2和L0為自變量，其他參數(shù)為因變量。L0、h1和h2由障礙物客觀實(shí)際首先被確定，導(dǎo)向軌跡設(shè)計(jì)的主控參數(shù)為R、α和β，數(shù)理分析見表2。

表2 主控參數(shù)影響分析

入/出土角應(yīng)根據(jù)場地空間、地質(zhì)概況和管徑等條件綜合選取。因角度過大不利于施工，實(shí)際項(xiàng)目中入/出土角取值大多未達(dá)到CECS 382：2014中5.3.5允許的上限值[3～5]。

在曲率半徑不變的前提下，增大入土角可減小入土端總長度；但地面空間受限時，為減小穿越長度盲目增大入土角是不可行的。當(dāng)管道水平鉆進(jìn)高度h1被確定，入土角α增大到一定程度時，入土端直線段長度a1和入土端直線段高度b1計(jì)算值可能為負(fù)。分析原因：b1可理解為以地面為零點(diǎn)，沿豎直向下方向距離直線段與曲線段分界點(diǎn)的豎直長度，b1為負(fù)即分界點(diǎn)位于地面以上，鉆桿在空中就開始逐步偏轉(zhuǎn)，顯然不符合實(shí)際；a1是b1的因變量，b1為負(fù)時計(jì)算a1也為負(fù)。針對這個問題，可考慮采取兩種措施：一是調(diào)整為坑內(nèi)導(dǎo)向，但工作井會增加投資；二是根據(jù)工程實(shí)際，人為增大h1同時適當(dāng)增大α和減小R，將分界點(diǎn)控制在地面以下，但會增大管道埋深，對運(yùn)行后養(yǎng)管工作不利。見圖2。

圖2 入土角調(diào)整前后對比

影響曲線段長度的主要因素是曲率半徑，其取值量級計(jì)算出的曲線段長度一般情況下有數(shù)十米，因此地面造斜導(dǎo)向的穿越場地需有一定地面空間。CECS 382：2014強(qiáng)調(diào)曲線段曲率半徑取決于管道特性、巖土層造斜能力、機(jī)具設(shè)備造斜能力等綜合因素。在各方面條件允許的情況下曲率半徑越大越好。

工程設(shè)計(jì)中如曲率半徑取值過小，會影響軌跡的平滑性和穩(wěn)定性，回拖力猛增；設(shè)計(jì)與實(shí)際軌跡偏差較大，可能發(fā)生回拖過程中管道變形，因路徑偏差與現(xiàn)狀管線碰撞等事故。因此工程設(shè)計(jì)在規(guī)范要求基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場條件合理調(diào)整曲率半徑取值。見表3。

表3 曲率半徑取值對比

3 水平定向鉆管材選擇分析

水平定向鉆技術(shù)采用的管材主要有鋼管和聚乙烯管（以下簡稱為PE管），近年來球墨鑄鐵管也開始得到應(yīng)用。因特性不同，管材用于水平定向鉆技術(shù)的特點(diǎn)差異顯著。

1）鋼管：管材屈服強(qiáng)度大，抗扭和抗外力破壞能力強(qiáng)；管節(jié)長度大，管道柔性較低，管道回拖場地所需空間大。

2）PE管：管材耐腐蝕、防滲性好，抗刮磨；接口熱熔連接，密封可靠；高柔性，管道回拖場地所需空間較??；管材抗拉強(qiáng)度低，管道無法承受很大的回拖力，穿越長度受限制；為控制管道變形，建議管材級別采用PE100，標(biāo)準(zhǔn)尺寸比采用SDR11[7～8]。

3）球墨鑄鐵管。依靠接口偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)管道彎曲；耐腐蝕；管節(jié)長度較大，管道柔性較低，管道回拖場地所需空間較大；采用自錨式接口，抗拉能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)長距離穿越；接口安裝速度較快；.因接口尺寸，擴(kuò)孔直徑略大于同管徑鋼管和PE管；綜合造價(jià)較高，尚未推廣應(yīng)用。

根據(jù)CECS 382：2014并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，3種管材理論的曲率半徑下限值見表4。

表4 不同管材曲率半徑理論下限值

整體性連接的鋼管和PE管均依靠自身柔性實(shí)現(xiàn)管道彎曲，曲率半徑計(jì)算原則一致。因鋼管柔性明顯低于PE管，兩者曲率半徑相差明顯，鋼管適合長距離穿越。球墨鑄鐵管為非整體性連接，依靠接口偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)管道彎曲，曲率半徑根據(jù)管節(jié)長度和接口允許最大偏轉(zhuǎn)角計(jì)算，管道規(guī)格被劃分成若干區(qū)間，所以球墨鑄鐵管理論最小曲率半徑并非逐級增大。

4 結(jié)語

水平定向鉆技術(shù)的導(dǎo)向軌跡設(shè)計(jì)關(guān)系到方案的技術(shù)合理性和工程經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)結(jié)合穿越場地的土質(zhì)和空間合理選取主控參數(shù)；管材選擇除遵循專業(yè)領(lǐng)域要求外，還應(yīng)結(jié)合管材特性和工程實(shí)際因地制宜、擇優(yōu)使用。