極限彎曲導向技術在市政非開挖鋪管施工中的應用

盧純青

（1 福建省煤田地質(zhì)勘查院 福建福州 350005 2 福建東辰綜合勘察院有限公司 福建福州 350005）

0 引言

伴隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們的環(huán)保意識日益提升，在現(xiàn)代城市建設中，兼顧環(huán)保友好型的施工方式越來越受推崇。而非開挖技術作為友好型施工方式之一被廣泛應用于擁擠的市政地下管網(wǎng)施工中［1］。福建作為沿海發(fā)達城市，對城市地下管網(wǎng)設施（如：電力、通訊、給排水、熱力燃氣等）的運輸能力需要不斷提高，因此需要大量新建、擴建和改建現(xiàn)有的地下管網(wǎng)設施。本論文中所涉及的工程正是在這個大背景下進行的。

導向技術是決定非開挖鋪管是否成功的前提，通常導向軌跡平順度越高，越有利于非開挖鋪管施工。理論上，當導向弧度超過每根Φ73 mm 鉆桿（3 m）15%的變化或每根Φ73 mm鉆桿（3 m）12%連續(xù)變化3 根鉆桿（9 m）的彎曲時［2］，極易發(fā)生鉆具斷裂或脫扣的安全事故。但在實際施工中，常常由于受場地條件限制、地形及地質(zhì)情況、現(xiàn)狀地下管線分布等的影響，采用常規(guī)導向技術無法達到預期目的，這種情況下，極限彎曲導向技術應運而生。

1 工程概況

本工程為福建省某地小區(qū)排污管道接駁項目。工程設計非開挖鋪設DN400 mm 污水管，由小區(qū)內(nèi)污水井沿外部小巷人行道下覆接入校園內(nèi)污水井，長度約270 m。該小巷由北向南從山頂依山腰順勢而下，高差12 m，平直段的寬度僅約6 m，路兩側皆為陡坎。施工現(xiàn)場平面圖及剖面圖見圖1 和圖2。

圖1 施工現(xiàn)場平面圖

圖2 施工現(xiàn)場剖面圖

從圖1 可以看出，由于現(xiàn)場地形及場地構筑物限制，需要進行大弧度的導向施工。

1.1 地下管線分布情況

經(jīng)過現(xiàn)場查勘，擬穿越施工范圍內(nèi)地下管線具體分布有：通信管（埋深1.6 m 以內(nèi)，靠近道路的北東側）、雨水管（埋深1.3 m～1.7 m，沿道路中心走向順流而下）、DN315 mm 給水管（埋深1.5 m 以內(nèi)，在道路西南側的人行道上）、其他橫穿不知名支管（埋深均在1.2 m 以內(nèi)）。

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地勘報告，結合現(xiàn)場工作坑的開挖斷面及小區(qū)內(nèi)污水管開挖段斷面所揭示的情況分析，該區(qū)域地層由上至下大致為：砼路面及水穩(wěn)層（1 m 以內(nèi)），下覆為粘土或殘積土，非開挖穿越地層基本位于粘土層或殘積土層。

2 非開挖鋪管施工工序優(yōu)化

2.1 施工設備選擇

受施工場地狹小因素制約，綜合考慮地質(zhì)條件因素，本工程選用ZT-25 型小型非開挖鉆機，配套Φ73 mm 鉆桿（單根3 m）；采用美國月蝕無線導航儀配合雙頻信號棒進行導向施工。

2.2 導向孔施工

2.2.1 導向孔軌跡設計

（1）平面軌跡設計。考慮到后續(xù)鋪設煤氣管道施工的安全性，平面上應盡量避開煤氣管道的設計鋪設軌跡。若實在無法完全避開，出現(xiàn)局部接近或交叉，剖面上要確保低于煤氣管道設計鋪設埋深0.6m 以上。

（2）剖面軌跡設計。如圖3 所示，前半部A 段煤氣管道的埋深為地面向下2.2 m，相交處穿越的導向深度設計大于3 m；B 段路的東側見防空硐出入口，為了保證順利安全穿越下方防空洞，擬參照現(xiàn)狀雨水管埋深。C 段是整個導向施工中的最大彎曲段，也是本次施工的難點和關鍵段，按常規(guī)軌跡設計，導向孔軌跡在平面上會與后續(xù)煤氣管的設計鋪設軌跡相交，剖面上后續(xù)煤氣管的設計埋深為2.5 m，所以本次導向孔設計埋深應超過3 m。

圖3 剖面軌跡設計圖

2.2.2 平面弧度的計算方法

如圖4 所示，在小路彎曲段兩端相連的直線段，沿路的中心線分別取A、B、E、F 4 點，用細繩分別延長AB、FE 線段相交于C 點，延長AB 與路沿相交于D 點，從D 點向FE 段引近似垂線交FE 于G 點，此時量取CD、CG、GD 的長度分別為4.65 m、2.41 m、4.00 m。套用三角函數(shù)公式計算可得：∠DCG≈59.3°、∠BCE≈180°-59.3°=120.7°，即：道路中心線的夾角為120.7°。通過計算（180°-120.7°）可知，穿越該彎曲路段的弧度變化是59.3°，換算成儀器上的百分比弧度約為100.8%（59.3°×1.7=100.8%，儀器顯示的1°換算成百分比等于1.7%）。

圖4 彎曲段平面示意圖

按照相關規(guī)范，結合以往施工的經(jīng)驗，每根Φ73 mm 鉆桿（3 m）在粘土和淤泥地層中每次最大變化不超過15%，在砂層、殘積土層中不超過12%；每個弧度段連續(xù)變化不超過36%［1］，平直過渡段長度應大于連續(xù)彎曲段長度。本工程中穿越道路狹窄，轉彎長度僅為63.0 m，變化總弧度達到100.8%。如果按常規(guī)的彎曲弧度施工，軌跡將越過人行道而進入民宅，導致無法完成施工。因此需突破常規(guī)，導向軌跡設計上通過3 次大的弧度變化來完成導向孔鉆進。

設計思路如下：圖1 中，第1、2 段彎曲弧度變化均為36%、變化段的長度均為3 根鉆桿，平直過渡段安排4 根鉆桿長度，總長為42 m；第3 段彎曲弧度變化為28.8%，變化長度為3 根鉆桿，平直過渡段為剩余穿越的長度。特別要注意的是：實際施工中，在過第3 段彎曲時，在確保不越過人行道邊界進入民宅且能進入接入端工作坑的前提下，盡量延長以減小彎曲弧度，保證施工安全。

2.2.3 導向孔鉆進施工工序優(yōu)化

（1）考慮到穿越地層為粘土層和殘積土層，質(zhì)地較硬。為減小在硬地層中導向施工的阻力，采用特制的尖嘴導向斜掌進行導向鉆進，保證導向孔平滑的同時，又可以防止異常彎曲，保護鉆具，確保安全施工。

（2）由于穿越硬地層給進過程中阻力較大，因此需設置地錨箱，以加固鉆機以免發(fā)生反向推移；同時為有效避免懸空段鉆桿在導向鉆進給進過程中受力彎曲變形，對鉆機機頭處到入土點間懸空部分的鉆桿采用墊木樁或沙袋的方式進行支撐。

（3）在彎曲段導向施工時，通過加大水泵泵壓方式減小給進阻力。

2.3 擴孔施工工序優(yōu)化

由于本工程導向軌跡彎曲度較大，考慮到穿越地層為粘土層和殘積土層、成孔效果較好，為有效防止回拖管道時在彎曲處出現(xiàn)卡管或憋管增大摩擦的不利現(xiàn)象，實際擴孔的終孔直徑應比常規(guī)擴孔直徑再大一級。理論上，常規(guī)擴孔終孔直徑應為擬鋪管直徑的1.2～1.5 倍。本工程擬鋪管直徑為Φ400 mm，因此實際擴孔終孔直徑應為Φ700 mm，即選用Φ280 mm、Φ380m、Φ480 mm、Φ580 mm、Φ680 mm 擴孔鉆頭分5 級回拉擴孔。同時，還要注意控制回擴孔速度，盡量使彎曲的孔道順滑，有效降低回拖力和扭矩，最后在實施回拖管前還要用筒式擴孔器進行清孔，以進一步清除孔內(nèi)鉆屑，確保鉆孔內(nèi)壁光滑?？紤]到穿越地層為粘土和殘積土層，我們選用凹槽型回擴頭，它是特別為在硬實性土層中擴孔而設計的。凹槽型回擴頭可以使大量的泥漿流過回擴頭，焊上去的切削齒能起到更好的切削硬土和混合泥漿的作用（見圖5）。

圖5 凹槽型回擴頭

2.4 泥漿工藝優(yōu)化

本工程穿越地層為粘土層及殘積土層，含砂量不高且質(zhì)地較硬，造漿、成孔效果較好，因而泥漿的配置相對而言較為簡單，泥漿pH 值的控制及泥漿泵量大小的選擇是關鍵。泥漿的pH 值表示泥漿中含酸、堿的程度，一般來說泥漿在呈堿性的水溶液內(nèi)比較穩(wěn)定，否則會引起泥漿粘度、靜切力和失水量等性能的變化。不同的膨潤土和處理劑，只有在其所處水質(zhì)環(huán)境的pH 值大于7 的條件下，最好是在8～9 之間，才能充分發(fā)揮作用，所以，我們要保證施工所用水和泥漿的pH 值在8～9之間。這就要求我們要對現(xiàn)場所用的水質(zhì)進行化驗，用PH 值試紙測定水和泥漿的pH 值。經(jīng)檢測現(xiàn)場用水pH 值為7，不適合用來制配泥漿，我們采用添加蘇打以提高水的pH 值。

加大泥漿泵量更有利于在鉆孔內(nèi)形成可流動的泥漿，充分形成濾餅環(huán)型空間，保持孔壁穩(wěn)定防止孔道坍塌的同時，在后續(xù)回拖管道中起到很好的潤滑作用，最大程度減少管道與孔壁間的摩擦力，確保回拖管道安全。實踐證明，優(yōu)化后的泥漿工藝效果相當明顯。

2.5 回拖鋪管工序優(yōu)化

回拖鋪管是非開挖定向鉆穿越鋪管的最后一道工序，也是實現(xiàn)非開挖鋪管目標的最后一步，因此回拖過程中的控制尤其重要（見圖6）。

圖6 管道回拖示意圖

由于本工程導向及鉆孔軌跡彎曲段較多且長度較長，為避免回拖過程管道在曲折的孔道中出現(xiàn)卡管、憋管等不利局面，在管道材質(zhì)選擇上選用柔韌性好的給水等級高純PE 管材，而非常規(guī)的排水PE 管（質(zhì)地偏硬）。同時，采用注水平衡法，往管道內(nèi)注入一定量水的方式使得孔道內(nèi)的管道懸浮于泥漿中，以最大程度減小回拖過程中因管道與孔壁間的摩擦產(chǎn)生的阻力。

由于項目組人員對整個非開挖鋪管過程中可能會出現(xiàn)的種種困難充分考慮，對各道工序進行了針對性優(yōu)化改進，最終成功完成了這次大弧度、多彎道的高難度非開挖鋪管施工。

3 結語

本次非開挖鋪管的順利完成，不僅克服了狹窄彎曲道路周邊民宅對工程的不利影響，而且在原本就并不寬裕的地下空間給后續(xù)的煤氣管道施工留下了足夠的施工空間。實踐證明，通過工藝優(yōu)化，多次、大弧度、連續(xù)彎曲的導向孔施工是可以成功的，為后續(xù)類似工程起到了積極的示范指導作用。