非開挖頂管技術的應用

成曉君

在世界范圍內(nèi),頂管施工技術發(fā)展至今有100余年的歷史,在我國也有56年的發(fā)展歷史了。在最近的30年中,頂管施工技術無論是在施工理論,還是在施工工藝方面,都有了突飛猛進的發(fā)展,在我國也不例外,其中有些方面還居于世界領先水平。

頂管施工是繼盾構(gòu)施工之后而發(fā)展起來的一種地下管線管道施工方法,它不需要開挖面層,并且能夠穿越公路、鐵路、河川、地面、建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種地下管線等。頂管施工分為非開挖頂管和開挖頂管。

非開挖頂管與開挖頂管相比較具有以下優(yōu)點:

1)工程質(zhì)量好,穿越管線能夠做到完全滿足設計曲線和埋深,不受地下水位變化影響,質(zhì)量可靠。

2)有利于保護環(huán)境,不影響路面的正常通行,沒有粉塵污染。3)施工人員相對較少,采用開挖方法進行穿越至少需要10人～20人,而采用管道定向鉆穿越技術只需8人,甚至更少。

4)施工占地相對較少,工期相對要短。

5)應用范圍比較廣泛,不受水流、氣候和環(huán)境的影響。陸地、海上、市區(qū)以及鐵路、河流的穿越均可采用。

6)由于成孔孔徑僅略大于管徑,空隙率僅10%,且為泥漿充填,不會造成上部土層等結(jié)構(gòu)下沉。因此該工藝特別適合于公路、鐵路下鋪設管線。

非開挖頂管施工方案及工藝措施:

定向鉆機的施工工藝:現(xiàn)場勘查復合→鉆機設備選取→穿越曲線設計→鉆機進場就位→鉆導向孔→擴孔→管線回拖→撤場。

1)現(xiàn)場勘查復合。

施工設備進場前,對現(xiàn)場地下管網(wǎng)布置,地質(zhì)情況進行再復查,確保安全施工。

2)水平定向鉆機的工作原理及鉆機配套設備選取。

a.水平定向鉆機的工作原理是:在施工時,按照設計的鉆孔軌跡(一般為弧形),采用水平定向鉆機鉆一個滿足曲率半徑的導向孔,待導向鉆頭在出土端出土后,逐級換上擴孔鉆頭和直徑小于擴孔鉆頭的修孔器,然后進行反向擴孔,當孔擴到滿足回拖要求時將待鋪管線回拉入鉆孔內(nèi),鉆桿被全部拖回,鋪管工作也就完成了。

b.鉆機設備選取:鉆機設備的選取與工程量,地質(zhì)狀況和施工場地大小三方面有關,依據(jù)本次紅旗街穿越工程現(xiàn)場勘查,本次工程選用FDP-25中型鉆機及配套的FJ-5泵站。FDP-25鉆機具有優(yōu)越的鉆進性能及機動性,占用施工場地很小,但回拉能力極強,可達到25 t扭矩,達到 1.6萬N·m足以滿足本次施工需求,鉆機施工配套的導向儀器采用美國MarkIV導向儀,控向精度高,抗干擾能力強,適合城市管網(wǎng)中復雜管網(wǎng)的控向任務。主要材料選用供排水集團公司提供的PE600管材。

3)穿越曲線設計。

導向孔的施工過程曲線設計較為重要,一般情況曲線分為以下階段:入鉆時的直線段;曲線段;水平過渡段;曲線段;出鉆時的直線段,但直線與曲線的過渡必須是圓弧的切線,否則,穿越容易失敗。

曲線設計的最小曲率半徑為:Rmin=206×D×S/fp。

其中,Rmin為最小曲率半徑,m;206為經(jīng)驗常數(shù),N·m/mm2;D為鋼管直徑,mm;S為安全系數(shù),1.3 N/mm2～2.1 N/mm2;fp為管材料的極限強度,N/mm2。

根據(jù)計算和經(jīng)驗,一般情況最小曲率半徑采用Rmin=1 200D～1 500D均能滿足材料的強度及施工工藝要求。

4)設備就位、安裝、調(diào)試。

鉆機依照設計軸線進行就位,根據(jù)設計要求的入土點、入土角度對鉆機進行定位,連接動力系統(tǒng)和泥漿系統(tǒng),安裝完畢后,對設備進行調(diào)試,確保設備安全運行。

5)鉆導向孔。

a.嚴格按照設計導向孔軌跡曲線進行操作。

b.鉆導向孔的成功與否關鍵在于如何成功導向的問題,故此在鉆導向孔時按照地質(zhì)構(gòu)造的不同詳細制定出合理的泥漿配比方案,規(guī)定在不同的地質(zhì)情況下選用不同的泥漿配比方案,充分提高泥漿的護壁能力,在造斜段使用的泥漿中增加某種添加劑的含量,降低泥皮的摩擦系數(shù),從而可以防鉆具粘卡。

c.為保證預擴孔及回拖工作的順利進行,鉆導向孔時要求每根鉆桿的角度改變量不應超過1.5°,連續(xù)4根鉆桿的累計角度改變量應控制在6°以內(nèi)。

d.經(jīng)過施工負責人對軸線及鉆機就位情況進行校準,檢查無誤后方能開始鉆進工作。探頭裝入探頭盒,標定、校準后再把導向鉆頭連接到鉆桿上,轉(zhuǎn)動鉆桿測試探頭發(fā)射信號是否正常,回轉(zhuǎn)鉆進2 m后方可開始按照設計軌跡進行穿越。

e.導向孔完成后,經(jīng)施工負責人檢查合格后方可進行擴孔。

6)擴孔。

一般情況下,使用中型鉆機,直徑大于200 mm時,就要進行預擴孔,本工程為PE600管,孔徑為 640 mm,根據(jù)技術規(guī)范,預擴孔為管道直徑的1.37倍～1.5倍,才能確保管道順利回拖。故本工程預擴孔將擴至φ 820 mm,采用FDP-25型導向鉆機進行邊擴孔邊打入泥漿,視旋轉(zhuǎn)壓力及回拖壓力逐級加大擴孔級別。擴孔前要做好泥漿循環(huán)系統(tǒng)的準備工作,保證施工需要。

7)拖管。

a.拖管采用專門的回拖器,同時采用邊打泥漿邊旋轉(zhuǎn)回拖的方法。

b.扶正器與工作管的連接要牢固,并要求工作管與拉管器的連接要牢固、安全、密封,做到可靠。

c.在管道回拖前,擴孔后孔內(nèi)有充足泥漿,適量增加潤滑劑、護壁劑,以便回拖中起到護壁潤滑作用,減少管線回拖中的阻力,降低回拖拉力。

d.經(jīng)甲方監(jiān)理確認PE管道焊接合格后,準備拖管。

8)施工完畢后,清理現(xiàn)場并撤出施工設備。

非開挖頂管技術的應用,解決了很多管線施工的難題,大量節(jié)約資金,促進了城市建設進程。非開挖頂管施工越來越受歡迎,它將會迅速地普及開來。

[1] 王 爭.非開挖頂進施工技術探析[J].山西建筑,2008,34(11):179-180.