水平定向鉆進在排水管道中的可行性研究

石 磊

近年來,隨著城市建設力度不斷加大,城市面貌日新月異,城市化水平不斷提高。雨污分流容易適應社會發展的需要,又符合城市衛生的要求,因此將已有的合流制排水系統逐步改造為分流制排水系統,代表著城市發展的必然。

雨污分流改造是把現有的合流管道作為雨水管道,新修一條污水管道。雨污分流改造工程存在3個難點:1)不能大開挖;2)不能降水;3)滿足城市功能要求的地下管線占據著城市地下空間。

水平定向鉆進是采用安裝于地表的鉆孔設備,以相對于地面較小的入射角鉆入地層形成先導孔,然后將先導孔擴徑至所需大小并鋪設管道(線)的一項技術,在施工中具有跟蹤和導向功能。與傳統的挖槽埋管相比,它具有不影響交通、不破壞環境、施工周期短、綜合成本低、施工安全性好等優點,適用于穿越街道、公路、鐵路、建筑物、河流以及在鬧市區、古跡保護區、綠化帶等無法或不宜開挖作業的地區,目前已廣泛應用于市政建設、電力、電信、煤氣管道、自來水管道以及各種管道的鋪設。

1 工程概況

該工程為雨污分流改造工程,需要新鋪設一條污水管道。該工程位于某市和平路西側非機動車道上,分為550 m主管道和5條32 m過路管,共計全長710 m。現狀道路及道路兩側建筑物已經形成,地下管線平行鋪設于道路人行便道及綠化帶范圍內,開挖降水施工勢必會造成沿線道路、建筑物、管線的破壞,而且施工投資大,施工周期長,對環境、交通影響大。目前國內非開挖技術已經成熟,頂管施工技術能夠滿足不同管徑的排水管道,但管徑在D250～D800范圍內頂管施工,其施工費用高昂,風險系數大,成本高于管徑D800的頂管施工費用。故根據經濟分析比較,管徑在D250～D800范圍內的管道采用水平定向鉆進工藝施工。

目前,水平定向鉆進工藝用于排水工程還缺乏大量的工程實例,原因是這種工藝在用于排水工程上還存在局限性:1)排水管材沒有專門適合水平定向鉆進使用的管材,只能選用給水用的聚乙烯(PE)管材。2)水平定向鉆進鉆機正向高性能、大功率方向發展,體積普遍較大,城市道路沒有可供安放的空間。因為排水管道為直線管道,施工中造斜段的產生對工程產生極大影響,所以施工單位經過有意義的改進,鉆機尺寸縮小為長3.5 m、寬2 m。最大回拖力也能滿足施工需要。但是根據施工地點和要求的不同,鉆機尺寸應該更加靈活。3)管道坡度可控性較差,不能按照設計要求的坡度嚴格完成施工。本文主要從這個方面探討水平定向鉆進用于排水管道施工的可行性。

2 工程設計

本工程采用公稱外徑450 mm HDPE100聚乙烯塑料管。工程地質條件見表1。

表1 工程地質條件

由表1可知,本工程地質情況適合水平定向鉆進的地質施工條件。主管道550 m采用分段施工,單次拉管長度直線段250 m,中間50 m采用鉆機安放在工作坑底部直線拖拉,過路管因管長較短也采用鉆機安放在工作坑底部拖拉施工。

由圖1可以看出,排水管道施工完成之后,管道坡度是變化的,最小坡度為1.14‰,最大坡度為6.70‰。

3 污水管道水力計算

污水由支管流入干管,在管道中一般是靠管道兩端的水面高差從高向低處流動。假定污水的流動按照一般液體流動規律,并假定管道內水流是均勻流。目前在排水管道的水力計算中仍采用均勻流公式。

流量公式:

流速公式:

其中,Q為流量,m3/s;A為過水斷面面積,m2;v為流速,m/s;R為水力半徑(過水斷面面積與濕周的比值),m;Ⅰ為水力坡度(等于管底坡度);C為謝才系數。

滿流時流量公式為:

水力計算圖見圖2。

表2 用戶連接支管的流量

表3 管段流量

污水從與檢查井W3,W5,W7,W9,W11連接的污水用戶連接管進入主管道,根據本地區人口密度和居民生活污水定額,污水起始檢查井W1經過計算平均流量為1.327 L/s,設計流量為3.052 L/s。

數據分析:流速是防止管道中污水所含懸浮物沉淀的重要因素,保證管道內不致發生淤積的流速稱為最小設計流速,從實際運行情況及參考國外經驗看,污水管道的最小設計流速為0.6 m/s。

從表2,表3設計流速的數據可以看出,W5排水檢查井以后的管段設計流速滿足不淤流速,施工造成的坡度變化對管道功能的影響不大,但W5排水檢查井以前的管段流速不滿足不淤流速,原因是設計管道管徑過大,流量小,如果調小設計管道管徑,理論上管道不致發生淤積,但實際情況復雜,管徑過小發生淤堵的情況頻率高,清通管道難度大,工程費用高。所以綜合所有因素來看,施工工藝造成的坡度變化對管道排水功能影響不大,但也要在一定的坡度范圍之內。

4 結語

采用水平定向鉆進對其進行地下污水管道的敷設,從技術層面、施工對城市環境的影響方面、施工經濟層面都具有一定優勢。所以對于某市后期雨污分流工程中相類似地質條件、接近施工要求的工程,采用水平定向鉆進是切實可行的。

[1] 馬保松.非開挖工程學[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2] GB 50014-2006,室外排水設計規范[S].

[3] 王美萍.城市排水工程施工質量問題及防治[J].山西建筑,2008,34(22):175-176.