非開挖定向鋪設技術在建設工程中的應用

摘要：城市非開挖技術在世界上已經經歷了100年的歷史，而在中國卻處于初步應用階段。隨著城市建設的發展，非開挖技術越來越顯示其優越性，并廣泛地被人們認識和接受。我國很多大中城市均采用此技術，發揮了非開挖技術的獨特作用。文章介紹了運用非開挖鋪設工程技術穿越教學樓底部鋪設電纜套管工程的施工過程。其中詳細介紹了現場勘察及地下管線調查的方法和導向孔設計以及成孔液的選擇使用。

關鍵詞：穿越多層建筑物；非開挖工程；管道鋪設；導向孔設計；成孔工藝設計

一、工程概況

（一）工程地理位置及地質條件

該工程位于市委黨校內，施工場地周圍建筑物較密集，施工范圍內地層自上而下為：碎石土（0—2m），粘土層（2—10m）。施工管段穿越建筑物底部分處于粘土層。

（二）工程要求

工程要求擬鋪設電纜管線，采用非開挖鋪管施工技術將12根Φ160mmPE管和1根扁鐵穿越圖書館和9#教學樓底部。單根管長約90m，總工作量約1080m。管道在基底部埋深≥5m。同時要求保護好建筑物基礎；不影響建筑物正常的使用功能；不危害附近建筑物和地下管線安全。另外由于工地所處的地理位置和環境的特殊性，要求施工過程中嚴格控制施工噪聲強度值和施工廢水（包括泥漿廢液等）的處理。

（三）設備及儀器

根據工程需要，選用華力重工生產的HL518B型非開挖水平導向鉆機。該機最大扭矩6000N.M，最大回拖力180KN，最大轉速80rpm，導向孔孔徑76mm，鉆機自帶一部BWF-160/10型泥漿泵。使用Φ73mm×3m鉆桿。采用美國數字控制有限公司生產的Digi TraKMARKⅢ定向定位系統。地下原有管線測量定位用加拿大雷迪公司生產的RD4000地下管線探測儀。PE管焊接用江蘇無錫產的SHD-250塑料管道熱熔對結焊機現場焊接。

二、工程設計

非開挖鋪管工程工藝流程包括現場勘測及地下構筑物調查、導向孔及成孔工藝設計、工作坑開挖、導向孔施工、反拉擴孔、清孔、鋪管、竣工驗收。其中最關鍵的技術是導向孔及成孔工藝設計。

（一）現場勘測及地下管線調查現場勘測及地下管線調查是導向孔設計的重要依據，也是判定施工難易程度、制定施工工藝的依據

進場施工前公司技術人員對現場進行了勘測，測繪了施工場地周圍的地形地質情況，標定了欲鋪管線的起點、終點位置。對周圍各種管道檢查井逐一探查，判明管道直徑、走向及埋深。采用管線儀探測法及物探法對地下金屬管道、非金屬管道、電纜及其他構筑物進行探測，判明走向、深度，在關鍵部位開挖探井探測。同時調閱了擬穿越的兩座建筑物的相關資料，了解其基礎類型、深度及有無地下室、出入建筑物的地下管線情況等。最后繪制出完整的施工現場勘測平面圖及剖面圖，交由技術負責人復查。

（二）導向孔設計及回拉拖管安全性核算

導向孔設計根據管線的起點、終點位置，建筑物基礎及地下構筑物情況，在現場平面圖及剖面圖上繪制出管道軌跡。設計要求：管道繞過建筑物基礎；導向孔距離地面≥5米，以確保建筑物安全；穿越建筑物時采用半盲鉆導向；曲線造斜段盡可能短以方便施工及加快施工速度，曲線造斜段要順。本工程導向孔軌跡由3段組成，分別為第一造斜段、第二直線段、第三造斜段組成。為了便于施工將穿建筑物底部段設計為直線段。

考慮其擴孔直徑較大，為減小對建筑物基礎影響，取導向軌跡最深點h為5.5m；由經驗公式L=[h（2R-h）]^0.5，R1≥1200d，R2≥206DS/K，α＝2arctg[h/（2R－h）]^0.5。式中L——造斜段長度；h——鋪管深度；R——曲率半徑（R1——鉆桿，R2——管材）；d——鉆桿直徑；D——鋪設管道外徑；S——安全系數；K——管子的屈服極限。

計算得R1=87.6m，L1=30.55m≈31m，入射角α1=21°；

本工程選用的管材為PE管，這種材料對于其他剛性管材來說具有較強的柔韌性。通常PE管的曲率半徑等參數生產廠家都會提供。表1即此工程用PE管的參數值：

根據表1，PE管的曲率半徑R2為37m，小于（鋼）鉆桿曲率半徑R1。為了施工安全，取R2=R1，因此α2=α1，L2=L1。

（三）成孔工藝設計

根據計算，當孔徑最小為Φ640mm時可容納12根Φ160mmPE管。為確保擴孔順利及安全，通常的將成孔孔徑設計為最小孔徑的1.2-1.5倍，即Φ720mm-Φ900mm。受鉆機設計性能限制，最大回擴鉆頭直徑為620mm，故將12根管分兩次鋪設，即進行兩次6回路鋪設。經計算本工程設計最大回擴孔徑為Φ620mm。根據地質情況，擬分別采用直徑Φ160mm、Φ250mm、Φ350mm、Φ450mm、Φ560mm、Φ620mm錐型小出刃擠壓式擴孔鉆頭分級擴孔。

成孔液是鉆孔成功的重要因素。在導向鉆進或是在回拖擴孔過程中，成孔液主要起防止塌孔、平衡地壓、減小阻力、冷卻鉆頭和發射探頭的作用。在鉆進時，成孔液用量相對較少，可調整泥漿泵在小流量狀態；在回擴或回拖過程中，由于鉆孔直徑較大，所需成孔液相對較多。泥漿泵要調整為大流量。采用合適的鉆進或回擴速度，以保證有足夠的成孔液，形成良好的鉆孔。非開挖成孔液有多種類型，一般分為清水、泥漿、化合物溶液、乳狀液、泡沫漿液和鹽水漿液。根據本工程的地質情況和施工經驗，在粘土層中用清水作成孔液即能基本達到施工要求，既減少工作量又降低了施工成本。

（四）計算管道的回拖阻力

W=[2P（1+Ka）+P。]f·L

式中W——管的摩擦力（KN）；P——土對管的壓力（KN/m）；Ka——主動土壓力系數；P。——管的重量（KN/m）；f——管壁的摩擦系數；L——管道的長度（m）。

W=[2×（0.48×0.24×18.5）×（1+0.3）+0.227]×0.3×90=124.65（KN）

本工程所選用華力重工HL518B型導向鉆機最大回拖力F=180KN>W，符合安全施工條件。

三、施工

（一）入鉆工作坑開挖

根據擬鋪設管道的深度和最大回擴鉆頭直徑，設計在導向鉆頭入土處垂直挖一個3m×2m×2m（長×寬×高）的工作坑。主要作用是：下管坑，減少施工管線的長度；當計算的入射角大于鉆機所能抬升到的角度時，可以通過坑內鉆進導向來減小入射角而不影響軌跡；盛放從孔中溢出的成孔液和導向擴孔產生的泥漿廢液，以便澄清后將成孔液循環使用或者全部廢液直接由泥漿車集中抽走，不污染環境。

（二）導向孔施工

由于入鉆工作坑的運用，必須根據原導向軌跡的設計，計算出從工作坑壁入鉆的垂直深度和入射角來進行入鉆施工。根據原導向軌跡的設計，計算出從工作坑壁入鉆的垂直深度和入射角來進行入鉆施工（如圖1所示）。施工時在地面每3.0m測量一次導向鉆頭深度角度坐標，并在地上用漆做好位置標記。同時以每3-5根鉆桿為一組，返觀鉆孔曲線是否平順，發現較大偏差及時糾正。施工至直線段時，鉆桿深度、斜度均符合設計要求，此時導向作業的主要任務就是保持好豎直方向的角度和左右方向的擺動范圍，確保鉆進方向符合設計要求。當進入到建筑物正下方后采用半盲鉆方式保持水平鉆進。導向頭順利穿越第一棟建筑物后，恢復用儀器跟蹤導向頭深度角度；以同樣的方法使導向頭穿越第二棟建筑物，并從預先設計地點進入第三造斜段施工。根據預先設計，第三造斜段施工軌跡可按照第一造斜段參數進行（如圖1所示）。通過第三造斜段的施工，鉆頭在電纜溝預定點成功出土，隨后在鉆頭出土處開挖一個工作坑。整個導向過程中，使用泥漿泵持續將清水注入導向孔，以達到護孔與減阻的目的，同時能防止泥土或沙石顆粒堵塞導向鉆頭水眼。

（三）反拉擴孔施工

擴孔時按設計仍使用清水護壁，多個擴孔鉆頭逐級擴孔。隨擴孔鉆頭的孔徑不斷加大，泥漿泵的泵水量也應相應加大。由于擴孔會帶出大量的地下土體，與水混合形成泥漿（廢液）不斷聚集在工作坑內，應及時將廢液用泥漿車清走，以免影響后續工作。整個過程回擴阻力均勻，出泥量也較均勻，沒有出現塌孔事故。成孔質量較好，擴孔比較成功。

（四）拖管

在擴孔的同時現場進行管道焊接，一次焊接到鋪設的長度。為減小拖管阻力，從拖頭開始每隔10m用8號鐵絲將6根Φ160mmPE管和1根扁鐵捆扎一圈讓其形成一個相對的整體結構。由于前面的擴孔工作質量較好，孔壁阻力較小，拖管過程比較順利，拖管拉力不大于100kN。拖管結束后，我們對管道兩頭分別作了臨時封口處理，防止泥沙進入管道引起堵塞事故。

（五）第二條管道施工

施工過程基本與第一次鋪設相同。關鍵是控制好兩次鋪設的管道之間的距離。本著既不威脅已經鋪設好的管道安全又不影響工程技術要求的原則，設計前后兩次導向軌跡水平距離為1.6m。經過施工，第二階段管道也順利鋪設。整個工程僅用時10天。

四、總結

非開挖鋪設管道技術以其獨特的優越性，已被人們逐步接受，特別是在大中城市，商業繁華地區普遍采用此項技術。

非開挖技術有如下優點：對交通干擾小；對周圍物景的損壞和對周圍的環境影響少；全年可施工，施工安全、效率高；社會效率高，且綜合成本低，工時少。工程實施過程中，學校的教學秩序正常和校內交通暢通，施工完畢后場地立即恢復，很好的體現了非開挖鋪設工程的以上優點。

科學巧妙的設計鉆孔軌跡能降低施工難度、加快進度、提高效益。

非開挖施工之前必須進行鉆孔軌跡的設計，施工過程中還要根據這一設計進行控制，使實際軌跡符合設計軌跡，以保證鋪設管道位置的準確性。因此，鉆孔軌跡設計既是非開挖施工的依據，又是施工質量檢查的標準。設計方案是否正確合理是非開挖施工成功的首要條件。同時，科學巧妙的鉆孔軌跡設計能降低施工難度、加快進度、降低施工成本。例如：穿越建筑物底部時設計成直線段，降低對導向鉆頭測量的次數和難度，簡化施工，加快進度。在設計施工的鉆孔軌跡中，由于鉆桿和管材曲率半徑較大，全孔拖管則管線可能會很長、施工難度大，這時可在鉆孔軌跡直線段兩端設計工作坑和下管坑，減少施工管線的長度。鉆孔軌跡設計要避免S型彎曲，它會大大增加拖管的阻力。

鉆機、導向鉆頭、擴孔鉆頭、拖頭和其它工具會附著大量泥漿，施工完畢應及時清洗干凈，避免污染周圍環境。

施工產生的泥漿等廢液也應當及時清走，嚴禁直接排入市政污水管道，以免造成堵塞。

參考文獻：

1、顏純文等.非開挖地下管線施工技術及其應用[M].地震出版社，1999.

2、烏效鳴等.導向鉆進與非開挖鋪管技術.地質大學出版社[M]，2004.

（作者單位：廣西省柳州市鉆通非開挖鋪管工程技術有限責任公司）