水平定向鉆鋪管技術在污水管鋪設工程中的應用——以福州陽岐河工程為例

福州市政工程管理處 黃丙權

1 工程概況

應用水平定向鉆鋪設地下管線（下稱：定向鉆鋪管）是近年來發展起來的一種鋪設地下管線的新技術、新工藝。該技術工藝徹底改變了傳統應用人工開挖溝槽鋪設地下管線的單一鋪管施工作業方法，是地下管線鋪設施工的一場技術革命。定向鉆鋪管施工主要工序：①穿越路由放線定測、②導向孔軌跡及鉆具出入土角確定、③工作坑開挖、④泥漿配制、⑤導向孔施工、⑥導向孔擴大和洗孔、⑦管道回拉就位。定向鉆鋪設陽岐河污水管道工程屬福州市重點工程項目。陽岐河位于福州市南面郊區蓋山鎮陽岐村。鋪設管道為管徑500mm，管材壁厚29.7mm,設計壓力0.1MPa，定向鋪管長度260m，管道埋深要求在河床深度4.0m以下。2009年10月23日設備進場開始施工，10月28日完成管道回拖就位任務。施工歷時6天。

1.1 穿越工程地貌及地質

地貌狀態屬福州斷陷盆地西南角沖擊平原。陽岐河呈東西流向，“U”字型河谷上建有陽岐橋，河水呈季節性變化，平均水位在-2.8m左右，陽岐河面寬30m，河床底標高-4.3m，河的南北兩側地形受人工改造弱顯起伏。參見圖1、圖2所示。

本工程沒有鉆探取芯資料。從周邊群眾宅基打樁及穿越工程開挖工作坑揭露的地層在地表下10m范圍內為第四系淺海沉積的粘土夾少量細砂質透鏡體組成，地層單一，且穩定，很適合定向鉆鋪管施工。地表為耕植土。

粘土：灰黑色，質純，濕，切面光滑，可塑，含少量有機質，且有滑膩感。

細砂透鏡體：灰白色，含較多的細小白云母碎片，濕，較松散，遇水液化。

1.2 工程特點

（1）工程地質條件好，有利于穿越鋪管工程施工。粘土層中雖夾有少量細砂質透鏡體，但粘土的粘結力很強，可塑性好，不易塌孔，成孔性能好。

（2）穿越工程需占用當地群眾的道路和擬建房屋用地，現場協調工作十分困難。

（3）施工地點屬較偏僻的郊區村落，周邊民宅緊密，道路運輸和放置鉆機設備的場地都受到限制，鋪管工程只能采用小型定向鉆機進場施工（鉆機給進與回拉能力在50t以內，稱小型鉆機）。

（4）鋪管施工單位為福建東辰市政工程有限公司，該公司是福建省最早從事定向鋪管的施工企業。施工設備、人員素質和施工經驗在省內都是一流的。但使用小型鋪管鉆機鋪設長度260m，管徑500mm的PE管道還是第一次。因此，每一工序都必須準備充分、精心施工。建設和監理單位都十分關注。

2 定向鋪管鉆機選擇

計算時，有關技術參數取保守值。先計算管道回拉就位時鋪管鉆機應具備的力量，然后選擇定向鉆機的類型（噸位）進場施工。

其中：F——計算回拉力（t）；

L——鋪管長度，為260m；

f——摩擦系數，為0.3；

D——管道直徑，為0.500m；

γ——泥漿密度，為1.2；

δ——管道壁厚，為0.297m；

k——粘滯系數，為0.03。

計算結果F=16.17t。根據有關規程規定要求，鉆機的實際回拉力應按計算結果的2倍選擇，即F實際=2F計算=32.34t，因此選擇ZT-35型鉆機（回拉力35噸）進場施工。

3 定向鉆鋪管施工

3.1 鋪管路由放線定測

10月23日放線定測，路由從南向北進行，與陽岐河走向垂直。路由地表受人工改造后弱顯起伏，為保證導向孔的施工精度要求，采用測量儀器定測鉆具出入土點、地表起伏變化點、河床深度、河床寬度等高程數據，并使它們保持在一條直線上。根據測量結果，繪制鋪管施工斷面示意圖的地表形態，為導向孔軌跡設計提供依據。

3.2 導向孔軌跡及鉆具出入土角確定

導向孔軌跡的確定是工程的重要環節。對鋪設較大管徑的 PE管道工程，導向孔軌跡形態直接關系到整個工程的成功與失敗。根據有關規程規定要求，導向孔的彎曲半徑必須大于1500D（D是指PE管直徑），且將軌跡形狀選擇為兩側基本對稱的圓滑曲線，不能有波浪起伏形狀出現。根據有關技術參數，導向孔的彎曲半徑可以通過計算獲得。

其中：R——導向孔彎曲孔徑，m；

L——鋪管長度，為260m；

h——相對于地面的管道最深覆土深度，為9.3m；

h1——出入土工作坑中的管道覆土深度，為3m。

計算結果：R=1344m。

計算結果和有關規程規定要求的彎曲半徑1500D相比較

所確定的實際軌跡彎曲半徑是有關規程規定要求的1.79倍，可以滿足定向鉆鋪管工程施工要求。

鋪管軌跡確定為一條兩側基本對稱的圓滑曲線，鉆具出入土角的度數應相近，并通過計算獲得。

根據鋪管路由的地表起伏情況、工作坑位置、河流位置、河床深度、鋪管長度等，并結合導向孔彎曲半徑和鉆具出入土角等數值繪制鋪管工程斷面示意圖（見圖 1）和鋪管工程平面示意圖（見圖2），指導施工。

圖1 定向鉆鋪管工程斷面示意圖

圖2 定向鉆鋪管工程平面示意圖

3.3 工作坑開挖

在鉆具入土和出土位置分別開挖工作坑，方能滿足施工要求。根據鋪管深度和定向鉆機前緣平板到入土點之間的水平距離及對鉆具入土角的控制等要求，確定鉆具入土工作坑的開挖深度應達3.5m。考慮到ф500mmPE管的剛性強度較大，鉆具出土工作坑的坑底開挖形狀應向外緩慢放坡，使拉管就位時管道在鉆機牽引力作用下能夠順利進入鉆孔內。

此外，要使鉆具入土角保持在6o左右，現場鉆機擺放位置和鉆具入土工作坑之間所需要的距離，場地條件不能滿足。因此，采用挖坑降低鉆機機坪地面高度0.6m來滿足要求。

3.4 泥漿配制

近年來，定向鉆鋪管施工技術取得了很大的發展和突破，鋪管長度和管徑在不斷創造新的記錄，泥漿功能起了非常重要的作用。本工程使用泥漿的固相物質為山東濰坊產的專用定向鉆鋪管泥漿復合膨潤土，具有強懸浮、弱凝膠、弱抑制、嚴封堵等性能。采用淡水配漿，pH值控制在8.5，呈弱堿性。利用地質條件好（粘土層）的優勢，導向孔施工和擴大孔徑施工過程配制泥漿粘度在35s左右，洗孔和管道回拉就位過程泥漿粘度調整到50s左右，并加入少量美國產的“鉆液寶”，進一步增強泥漿的潤滑性能。

3.5 導向孔施工

10月25日開始導向孔施工。為保證實際鋪管軌跡和設計軌跡盡量做到吻合，公司派出經驗豐富的導向人員，采用美國月蝕手提步履式導向儀確保精度。導向鉆頭內信號發射器電源采用美國產的“勁量”電池，它具有高強度、持久性電量表現。采用鏟式導向鉆頭，根據鋪管路由地形變化情況，采用“深度”和“角度”相結合的測控方法，每鉆進一根鉆桿長度（3m）至少測控一次導向鉆頭的頂角、方位角、深度及平面偏差數值，發現偏離設計軌跡及時糾正，使實際軌跡做到“直、滑、圓、緩、準”。

3.6 導向孔擴大和洗孔

導向鉆頭的直徑僅有 78mm，而需要鋪設的 PE管經為500mm，因此，必須將導向孔進行孔徑擴大。按有關規程規定要求，鉆孔的孔徑需要擴大到800mm，方能滿足定向鉆鋪管要求。由于地層為粘結力較強的粘土，采用流道式擴孔鉆頭，可以提高擴孔鉆進速度。分五級擴孔，分別按孔徑78mm—200mm—400mm—600mm—700mm—800mm逐級擴孔。

擴孔過程應注意的幾個事項：（1）配制泥漿施工。泥漿粘度不宜過大，在粘土層中擴孔泥漿粘度過大，會造成泥漿的液壓柱壓力增大，同時還會使擴孔鉆頭造成糊鉆卡鉆現象，泥漿粘度控制在35s左右能起到潤滑孔壁、提高鉆速。（2）不應盲目追求擴孔速度，ZT-35型鉆機在 260m長的粘土層中逐級擴孔，擴孔施工過程還是比較輕松的，但擴孔速度應控制在每根鉆桿長度（3m）的擴孔時間5min左右為宜。因為在粘土層中擴孔排出的鉆屑總是不徹底，一大部分鉆屑殘留在孔內，必須保證孔內良好的泥漿環境，防止產生液壓鎖現象，導致卡鉆。同時鉆具在粘土層中擴孔，鉆機的回轉拉力不大，鉆機回轉扭力則大于地層扭力，為保證鉆桿在彎、扭等多種受力荷載情況下不被折（扭）斷，也要求擴孔速度不能太快。（3）工程使用的泥漿不做重復處理利用，考慮到環境保護和施工成本，在滿足正常擴孔條件下，采用低檔泵壓施工，節省泥漿泵入量。（4）當800mm鉆頭擴孔結束時，緊接著就進入洗孔和拉管就位工序。此時，必須適當提高泥漿粘度，將泥漿粘度調整到50s左右，并加入少量美國產的“鉆液寶”，提高泥漿性能，有利于管道回拉就位。

10月27日開始進入洗孔工序。當800mm鉆頭擴孔結束后，再用800mm擴孔鉆頭從孔內再“過”一趟稱為洗孔。鉆機操作采用慢拉快轉的方式，其目的：（1）進一步修正鉆孔軌跡。（2）能從孔內帶出部分鉆屑，清潔暢通鉆孔，減少管道回拉就位時的鉆機拉力和扭力。（3）對孔壁的保護也能起到作用。洗孔過程不斷從孔內返出的泥漿比配制的沖洗液泥漿粘度大得非常多，說明孔內暢通，洗孔效果達到預期的目的。

3.7 管道回拉就位

管道回拉就位是定向鋪管的最后一道工序。用專業的語句來形容，那就是“只許成功，不許失敗”。工程管材價值超過20萬元，一旦被卡在孔內損失慘重。管道回拉過程必須注意以下幾個方面問題：（1）鉆機錨固：鉆機放置在松散的雜填土上，僅靠鉆機前板的四個錨桿，根本不能保證管道回拉時鉆機不被位移，必須采用鋼絲繩索和牢固木樁等材料將鉆機進行錨固。（2）拉管過程必須確保PE管外層不能受到損傷。管道未拉入孔內部分采用每間隔 8～10m 用土袋鋪墊在PE管下面架空管道，并在PE管和土袋之間澆上泥漿，使接觸面保持充分潤滑狀態。（3）各種機具設備在拉管前應進行一次全面的檢查維護，使機具設備處于最佳的工作狀態。特別是對鉆桿絲扣和鉆桿的完好性及分動器靈活性等進行檢查。（4）管道焊接過程受到現場排管場地限制，260m長的PE管無法一次性焊接完成，必須分兩段進行,兩管段的焊接工作時間應控制在1小時以內。（5）拉管過程采用600mm擴孔鉆頭做為“帶動鉆頭”，拉管過程泥漿通過“帶動鉆頭”的小眼泵入孔內。拉管就位前和拉管就位過程的各項技術工藝措施合理到位，拉管就位過程用了9個小時10分鐘。其中，應扣除兩管段的焊接時間 1小時。鉆機回拉力始終保持在17～23t之間，于2009年10月28日22時18分順利完成管道回拉就位施工任務。

4 結束語

定向鉆鋪設 PE污水管道陽岐河工程取得圓滿成功，創造了定向鋪管鉆機在省內鋪設管徑 500mmPE管長度最長的記錄，使我們又獲得一次成功經驗的積累，對進一步在福州市及其周邊地區推廣使用定向鉆鋪管技術做出了貢獻。

工程順利結束是施工單位廣大員工，分工明確、責任清晰、從嚴要求、有序管理、理論和實踐相結合的結果。每一工序都按照有關規程規定的要求施工，把困難考慮充分一些，將可能出現的事故消除在萌芽狀態。技術人員嚴格把關、優化施工方案、嚴格論證，也是工程成功的關鍵。由于整個施工過程各工序都準備充分到位，各環節銜接緊湊順暢，未發現工藝技術方面的異常現象。工程順利竣工，并通過閉水壓力驗收，質量合格。受到建設和監理單位的高度贊賞，也為在定向鉆鋪設大管經污水道工程積淀了寶貴的經驗，并在今后的工程施工中發揮更大的作用和必將再創輝煌。

[1] 水平定向鉆進管線鋪設工程技術規程.J11214-2008,DBJ13-102-2008.