球墨鑄鐵管水平定向鉆技術(shù)在供水工程中的應用

陳登旭CHEN Deng-xu

（合肥供水集團有限公司，合肥 230000）

0 引言

城市供水工程與居民的日常生活緊密相連。隨著城市化的持續(xù)發(fā)展和加速，這一關(guān)系變得更加重要，人們對供水需求也在日益提升，建設(shè)市政供水工程的力度也不斷加大。傳統(tǒng)的明挖施工在實際施工過程中會對城市的正常運行造成影響，并且在復雜的地下管網(wǎng)環(huán)境下，施工質(zhì)量控制難度大。此外，國家還規(guī)定新建道路5 年內(nèi)不允許開挖，改造道路3 年內(nèi)不許開挖且施工過程中還需要進行交通管制，給城市交通帶來不便。為了解決這些問題，水平定向鉆施工技術(shù)被引入。水平定向鉆施工技術(shù)的引入有效地避免了對周邊環(huán)境和交通的影響。通過水平定向鉆進，施工可以在不破壞地面和地下管道的情況下進行，避免了對城市正常運行的干擾。

1 水平定向鉆施工技術(shù)概述

水平定向鉆施工技術(shù)是在不具備開挖溝槽條件下，采用管道形成弧線實現(xiàn)地下穿越，用以鋪設(shè)流體輸送的管道的施工方式[1]。水平定向鉆施工技術(shù)在城鎮(zhèn)供水工程中具有高度實用性，并相比傳統(tǒng)的明挖施工方法具有明顯的應用價值。

1.1 加快施工進度

市政供水管道施工中常常需要在城市道路上進行施工，經(jīng)常會面臨在現(xiàn)有道路上進行施工的困難，一方面需要對現(xiàn)狀道路進行明挖，然后方可施工，造成交通擁堵，施工效率低。另一方面施工可能會遇到相關(guān)拆遷問題，導致施工無法繼續(xù)進行。水平定向鉆施工技術(shù)占地面積小，施工受外界條件約束低，提高了施工效率，縮短了整體施工周期。

1.2 對周邊居民影響小

市政供水工程通常位于人口稠密且交通繁忙的城市地帶。傳統(tǒng)的建設(shè)方式是使用圍擋進行開放式挖掘，這種方法在施工過程中可能會對周邊擾動大、影響周邊居民生活。然而，采用水平定向鉆技術(shù)可以有效地避免這些問題。這種技術(shù)主要在地下進行施工，對地上的構(gòu)筑物和地方的交通的干擾小，施工環(huán)境相對較為封閉，施工過程中消音、占地面積少，不采取“拉鏈式”施工，有利于揚塵治理，所以對周邊環(huán)境和城市居民影響小。

1.3 適用范圍廣

水平定向鉆施工在人口密度較大的城市、穿越河流區(qū)域、植被綠化保護區(qū)域、交通流量大的區(qū)域較傳統(tǒng)施工方法具有更大的適用性[2]。在繁華都市，水平定向鉆施工場地選擇靈活、便捷，占地少，施工成本低，對附近的管線和環(huán)境造成的影響都很小，城市交通可正常運行。在河流、特殊植被保護區(qū)域，水平定向鉆施工區(qū)域小、植被破壞率低，適應性強，能繞開地下障礙物進行施工，最大程度保留原有的地勢、地貌。尤其應用于長距離輸送管道上。此外，水平定向鉆施工技術(shù)在交通流量大的繁華都市中也更加適用。相較明挖等傳統(tǒng)施工模式，可降低對現(xiàn)狀道路的影響，確保道路的正常通行，施工附近噪音小，不影響周邊居民生活。最后，該技術(shù)往長距離、大口徑方向發(fā)展，被認為未來最有發(fā)展?jié)摿Φ墓芫W(wǎng)施工技術(shù)。

2 工程概況

文章選取項目為廬州大道DN600 供水管道過十五里河采用定向鉆施工，長約290m。該給水管位于廬州大道與十五里河交口東側(cè)，給水管位于廬州大道與十五里河交口東側(cè)，給水管管材選取一根DN600 自錨式球墨鑄鐵管，壁厚等級為K9 級，管道外徑為De635mm，承口外徑D1738mm，最大偏轉(zhuǎn)角度2°，最小曲率半徑169m，最大允許拖拉力1140kN。單支管道有效長度為5.9m，執(zhí)行標準為GB/T 13295。管道水壓試驗標準壓力為0.8MPa，外防腐涂層為金屬鋅+200um 灰色環(huán)氧樹脂涂層，內(nèi)襯采用符合GB/T 17457 要求的普通硅酸鹽水泥砂漿內(nèi)襯，本次回拉力設(shè)計值：360kN（參考值）。

在球管各個承口部分采取以下兩種防護措施。一是增設(shè)熱縮套，二是金屬套保護裝置。主要作用是防止泥漿進入接口間隙，影響管道水壓試驗。另球墨鑄鐵管外防腐層應滿足設(shè)計文件的技術(shù)要求。通過調(diào)查和物探單位探測，位于十五里河北側(cè)有一道DN1600 污水管，管底標高10.33m。管道入土點坐標X：3515673.127，Y：528071.778；管道出土點坐標X：3515386.412，Y：528071.791，穿越管道中心線埋深為14.59m，水平段總長度76.67m，曲線段總長度211.61m，穿越入土角為12°，出土角為12°。主要穿越地層為素填土、黏土，適合選用球墨鑄鐵管。具體的地質(zhì)勘察報告見表1。

表1 擬建場地地質(zhì)分布

表2 軌跡計算條件

表3 軌跡計算結(jié)果

3 供水工程中水平定向鉆穿越技術(shù)施工要點

3.1 軌跡設(shè)計

先導孔軌跡設(shè)計中非常重要的一個環(huán)節(jié)就是確定各項軌跡參數(shù)，典型的先導孔軌跡設(shè)計見先導孔軌跡中各參數(shù)計算見公式計算先導孔軌跡參數(shù)[3]。

圖1 定向鉆穿越示意圖

TA：A 點處所承受的回拖力（kN）；

TB：B 點處所承受的回拖力（kN）；

TC：C 點處所承受的回拖力（kN）；

TD：D 點處所承受的回拖力（kN）；

Th：泥漿對管道穿越的阻力（kN）；

q：鉆孔內(nèi)泥漿壓力，一般取5～10（kN/m2）；

P0：單位管道重量（kN）；

Pf：泥漿產(chǎn)生的浮力（kN）；

L1：穿越管道的附加長度（m）；

L2：A 到點B 的水平距離（m）；

L3：B 到點C 的水平長度（m）；

L4：C 到點D 的水平距離（m）；

H1：入土端的最大埋深（m）；

H2：管道出土端深度（m）；

μa：球管與地表面的摩擦系數(shù)，一般取值0.15～0.20；

μb：球管與孔壁之間的摩擦系數(shù)，一般取值0.20～0.30；

α：管道入土角（rad）；

β：管道出土角（rad）。

3.2 先導孔鉆進

近年來，水平定向鉆技術(shù)逐漸加入導向儀，此項技術(shù)的加入大大提高了鉆機的工作效率，進一步保證工程的順利完成。在鉆機準備工作完成后，不僅要檢查鉆機是否有問題，還要按要求進行試鉆，確保鉆機可正常工作。鉆機安裝結(jié)束后進行導向孔施工，對施工區(qū)域的地質(zhì)進行分析，將控向、泥漿和司鉆的每個環(huán)節(jié)都落實到位，并分析各項參數(shù)以確保鉆出的導向孔符合施工方案，在實際鉆孔時，還要參照穿越曲線以及設(shè)計曲線，保證鉆孔過程中方向控制的準確，具體來說導向孔施工期間，將建立穿越曲線數(shù)據(jù)庫，采集每個數(shù)據(jù)采集點的，傾角、方位角、水平距離、高差、左右偏差值等控向數(shù)據(jù)。該工程導向孔施工采用月蝕導向系統(tǒng)實時跟蹤與定位，保證數(shù)據(jù)準確性。（圖2）

圖2 導向孔施工

圖4 接口防護

3.3 回拉擴孔

在導向孔施工完成后，進行管道安裝，但為最大程度上確保管道可順利安裝，需要進行擴孔工作，通常擴孔直徑要比導向孔直徑大1.5 倍，同時擴孔還應根據(jù)實際導向孔的大小、施工區(qū)域的地質(zhì)特征以及鋪設(shè)管道的直徑大小來進行多次擴孔，為保證施工的質(zhì)量，擴孔器應根據(jù)地質(zhì)來進行選擇，從而符合施工方案。該工程穿越最終成孔直徑應選取900mm，通過對現(xiàn)場地質(zhì)分析綜合考量來看，最終擴孔要達到900mm。當鉆頭到達指定出土位置后，將鉆具拆掉安裝上擴孔器，并在孔洞內(nèi)噴上泥漿，隨后進行擴孔施工。

3.4 管道安裝

首先對管道承口進行清潔處理，將其所有的附著物，如泥土、砂石等全部鏟除，再進行橡膠圈的清潔、然后將膠圈裝入承口槽內(nèi)[4]。其次分別對球管承口膠圈內(nèi)表面、插口外表面涂刷潤滑劑，最后將管道插口推入承口、完成管道安裝。安裝過程必須報驗，經(jīng)監(jiān)理單位核查無誤后，方可進入下一道工序。

3.5 接口防護

承口部分按照設(shè)計要求進行防護，主要采取兩種措施，一是增設(shè)熱縮套，二是采用金屬套保護裝置，避免管道在拖動過程中，泥漿進入接口間隙，減少拖動阻力。

3.6 回拖前試壓試驗

供水管道在安裝完畢后，必須進行水壓試驗驗收，因此在回拉鋪管前，應在地面進行管道預試壓驗收，檢查管道連接處是否存在漏水現(xiàn)象，確保接口安裝質(zhì)量，具體操作步驟如下：在管道首尾部安裝球法蘭，連接好打壓裝置及壓力表，在管道充滿水后，根據(jù)驗收標準進行試壓驗收。

3.7 回拖鋪管

管道的回拖工作是通過管道與鉆孔相連接，將管道從一端回拖至另一端[5]。一般情況下在管道下溝前先放入一些水，目的是使得管道受到阻力大大減小，從而降低回拖力同時對管道的防腐層進行保護，因此在放入管道前，要派專業(yè)的人員對管道進行檢查，以此來保證管道是否合格。管道的回拖工作具體是在鉆桿上裝好擴孔器，擴孔器再與管道頭相連，以此來保證管道的回拖工作可正常進行。若水不能起到減小阻力的作用時，那么需要加入適當?shù)臐櫥瑒﹣肀ＷC管道可順利穿過鉆孔。另外在回拖的過程中還會產(chǎn)生一部分的泥漿，這些泥漿也要進行專門的處理，以保證不會對周圍的環(huán)境造成破環(huán)。管道在出土時，為了保證回拖順利進行，避免出現(xiàn)管道在地下回拖時候出現(xiàn)拖不動的狀況，一定要控制好出土的角度以及方向。（圖5）

圖5 管道回拖施工

3.8 消毒沖洗

管道回拖完畢后，及時對管道進行消毒沖洗，清潔沖洗至出水口水樣濁度小于3NTU 為止。此項指標現(xiàn)場實時檢測，合格后停止沖洗，清潔沖洗合格后，施工單位按審批后的方案投加次氯酸鈉消毒液，浸泡24 小時后，隨即進行管道消毒沖洗，管道消毒沖洗的合格標準是濁度小于1NTU。

4 總結(jié)

球墨鑄鐵管繼承了灰口鑄鐵的耐腐蝕性性能，機械性能指標與碳鋼管管相當，另外還具備強度高、抗內(nèi)外壓能力等特點。球墨鑄鐵管在水平定向鉆技術(shù)上使用，是供水管道施工的一種新的嘗試。在本工程施工過程中，不僅不會對周圍環(huán)境造成影響，而且具有良好的經(jīng)濟效益，另球墨鑄鐵管具備耐腐蝕性，抗內(nèi)外壓力強度高等特點，使用壽命周期長，施工又快捷，為大口徑供水管道水平定向鉆技術(shù)做出了成功示范?？偠灾蚰T鐵管水平定向鉆在供水工程中的應用既能節(jié)省施工成本，又能提高施工效率，在實際施工中具有很強的應用性。