PE實(shí)壁管水平定向鉆回拖力計(jì)算公式的比選

陳 偉 羅雪萍

(1.臺(tái)州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,浙江 臺(tái)州 318000； 2.臺(tái)州市城市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，浙江 臺(tái)州 318000)

PE實(shí)壁管水平定向鉆回拖力計(jì)算公式的比選

陳 偉1羅雪萍2

(1.臺(tái)州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,浙江 臺(tái)州 318000； 2.臺(tái)州市城市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，浙江 臺(tái)州 318000)

PE實(shí)壁管因耐腐性、接頭可融接、韌性好等特性，較多運(yùn)用于水平定向鉆進(jìn)，其回拖力計(jì)算方法較多，計(jì)算結(jié)果也相差較大。針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收條文規(guī)范》《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》和《水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范、文獻(xiàn)中的4種計(jì)算公式：摩擦力法、凈浮力法、土壓力法、ASTM法進(jìn)行了比較、計(jì)算分析，并結(jié)合臺(tái)州當(dāng)?shù)貙?shí)際工程實(shí)例，選擇適合實(shí)際的公式，并提出了改進(jìn)建議，能夠更好的對(duì)工程進(jìn)行監(jiān)控，以使管道穿越工作更加安全、可靠。

PE實(shí)壁管，水平定向鉆，回拖力

0 引言

水平定向鉆進(jìn)技術(shù)是將石油工業(yè)的定向鉆進(jìn)技術(shù)和傳統(tǒng)的管線(xiàn)施工方法結(jié)合在一起的一項(xiàng)施工新技術(shù)，它具有施工速度快、施工精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于供水、煤氣、電力、電訊、天然氣、石油等管線(xiàn)鋪設(shè)施工工程中。

浙江省加快美麗鄉(xiāng)村建設(shè)，2013年率先提出了“五水共治”，即治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節(jié)水。五水共治，治污先行。其中全面治理農(nóng)村生活污水，是治污水的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在農(nóng)村污水治理中，PE實(shí)壁管因耐腐性、接頭可融接、韌性好等特性，較多運(yùn)用于水平定向鉆進(jìn)，最大限度的減少對(duì)居民正常生活和工作的影響，減小對(duì)環(huán)境的破壞。

現(xiàn)行多本規(guī)范中提供了水平定向鉆回拖力計(jì)算公式，本文對(duì)各計(jì)算公式進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比，結(jié)合工程實(shí)際，最終選擇適合臺(tái)州軟土地質(zhì)的計(jì)算方法。

1 回拖力計(jì)算公式

管道牽引過(guò)程中受力復(fù)雜，且土的性質(zhì)較難模擬，因此也很難有一個(gè)跟工程現(xiàn)狀吻合的、具有普遍適用性的力學(xué)公式。

現(xiàn)行規(guī)范中，采用不同的受力模型，回拖力的計(jì)算公式也有不同。

1.1摩擦力計(jì)算法

GB 50268—2008給水排水管道工程施工及驗(yàn)收條文規(guī)范[1]和上海《排水管道定向鉆進(jìn)敷設(shè)施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范(試行)》采用摩擦力計(jì)算法，摩擦力主要分為管外壁周?chē)Σ磷枇蛿U(kuò)孔鉆頭迎面阻力。

該公式計(jì)算簡(jiǎn)單、方便。單位摩阻力為經(jīng)驗(yàn)值，取值波動(dòng)大，而且施工技術(shù)水平的高低對(duì)摩阻力影響很大。

P=P1+PF

(1)

(2)

P1=πD0Lf1

(3)

式中：P——總回拖阻力,kN；

PF——擴(kuò)孔鉆頭迎面阻力,kN；

P1——管外壁周?chē)ψ枇?kN；

Dk——擴(kuò)孔鉆頭外徑,m；

D0——管節(jié)外徑，m；

Ra——迎面土擠壓力,一般情況下黏性土50 kN/m2～60 kN/m2，沙性土80 kN/m2～100 kN/m2；

L——回拖管道總長(zhǎng),m；

f1——管節(jié)外壁單位面積的平均摩阻力，黏性土0.3 kN/m2～0.4 kN/m2，沙性土0.5 kN/m2～0.7 kN/m2。

1.2凈浮力計(jì)算法

GB 50423—2007油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范[2]和CECS 382—2014水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程[3]采用凈浮力計(jì)算法，認(rèn)為進(jìn)入鉆孔內(nèi)的管道主要受到浮力與管道自重差值引起的摩阻力、泥漿的粘滯力。

(4)

式中：T——總回拖阻力,kN；

L——回拖管道總長(zhǎng),m；

f1——摩擦系數(shù)，一般取0.1～0.3。

D0——管道外徑,m；

D——管道內(nèi)徑,m；

t——管道壁厚,m；

γm——鉆孔泥漿的重度,kN/m3；

γp——管材的重度,kN/m3；

ωw——進(jìn)行浮力控制時(shí)單位長(zhǎng)度管道的配重量,kN/m；

K——泥漿的粘滯系數(shù)，取0.15 kN/m2～0.35 kN/m2。

1.3土壓力計(jì)算法

曹蘇軍[4]對(duì)土壓力法進(jìn)行了分析和簡(jiǎn)化，具體詳見(jiàn)《多管組合穿越回拖力計(jì)算方法分析》，其公式適用于孔道內(nèi)塌方嚴(yán)重的情況下使用。

T=[2P(1+Ka)+P0]feL

(5)

式中：T——總回拖阻力,kN；

Ka——主動(dòng)土壓力系數(shù)，一般取0.3；

L——回拖管道總長(zhǎng),m；

fe——摩擦系數(shù)，一般取0.1～0.3;

P——單位長(zhǎng)度管段所受土壓力，kN/m;

P0——單位長(zhǎng)度穿越管段自重，kN/m。

簡(jiǎn)化得：

(6)

1.4ASTM計(jì)算法

CECS 382—2014水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程中塑料管回拖力計(jì)算公式參考美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)F1962—11大型水平定向鉆進(jìn)穿越障礙物(包括河流)敷設(shè)聚乙烯管道或?qū)Ч芗夹g(shù)指南[5]，并進(jìn)行了優(yōu)化，管道回拖必須要克服管道與孔壁的摩擦力、彎曲孔段中回拖管道增加的摩擦力等，取消了在鉆進(jìn)泥漿中回拖管道產(chǎn)生的粘滯阻力。

對(duì)于無(wú)水平方向彎曲的鉆孔，采用遞推關(guān)系估算回拖力。

典型鉆孔軌跡簡(jiǎn)化示意圖見(jiàn)圖1。

TA=efgβfgωP(L1+L2+L3+L4)

(7)

TB=efhβ(TA+fh∣ωf∣L2+ωfH-fgωPL2efgβ)

(8)

TC=TB+fh∣ωf∣L3+efhβ(fgωPL3efgβ)

(9)

TD=efhα[TC+fh∣ωf∣L4-ωfH-efhβ(fgωPL4efgβ)]

(10)

式中：TA～TD——A～D點(diǎn)處管道所受回拖力,kN；

L1——焊接和熱收縮而增加的長(zhǎng)度,m；

L2——入土端曲線(xiàn)段的水平長(zhǎng)度,m；

L3——最大埋深水平延伸距離,m；

L4——出土端曲線(xiàn)段的水平長(zhǎng)度,m；

H——管道埋深,m；

fh——管道與鉆孔孔壁摩擦系數(shù)，一般取0.1～0.3；

fg——管道與地面摩擦系數(shù)，一般取0.1～0.3；

ωP——單位長(zhǎng)度管道重力,kN/m；

ωf——單位長(zhǎng)度管道所受凈浮力,kN/m；

α——入土角,rad；

β——出土角,rad。

2 管材最大承重力

管道在回拖施工時(shí)，管材所能承受的最大回拖力可按下式計(jì)算：

(11)

其中，N為安全系數(shù)，給排水管道、通信取2.0。

3 不同計(jì)算模型比較與分析

3.1回拖力組成及計(jì)算

以上幾種計(jì)算法回拖力由摩阻力、端阻力、粘滯力等組成，如表1所示。

表1 回拖力組成

現(xiàn)采用PE實(shí)壁管(PE100，1.0 MPa)，對(duì)水平定向鉆常用管徑進(jìn)行最大回拖力和最大牽引長(zhǎng)度計(jì)算。管材屈服強(qiáng)度取18 MPa，安全系數(shù)2.0，摩擦系數(shù)(摩阻力)0.3 kN/m2，泥漿粘滯系數(shù)0.2，入土角10°，出土角8°，管道埋深6 m，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 回拖力和牽引長(zhǎng)度計(jì)算

由表2可以看出：1)回拖力隨管徑加大而增加；2)摩擦力法和凈浮力法的最大牽引長(zhǎng)度與管徑成正比，土壓力法和ASTM法最大牽引長(zhǎng)度與管徑無(wú)關(guān)。

3.2DN400管受力計(jì)算

對(duì)四種水平定向鉆計(jì)算法，采用DN400管進(jìn)行牽引長(zhǎng)度和回拖力計(jì)算，其關(guān)系如圖2所示。

從圖2可以看出：1)各計(jì)算公式的牽引長(zhǎng)度與牽引力基本呈線(xiàn)性關(guān)系；2)回拖力值：凈浮力法>摩擦力法>土壓力法；3)ASTM法初始回拖力較大，為管道與地面的摩擦力，其摩擦力隨牽引長(zhǎng)度增長(zhǎng)最慢。

3.3比較與分析

從計(jì)算公式及計(jì)算結(jié)果可以看出：

1)摩擦力法，是通過(guò)實(shí)踐摸索和工程總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式，回拖力主要分為管外壁周?chē)Σ磷枇蛿U(kuò)孔鉆頭迎面阻力。不足之處在于認(rèn)為整個(gè)管壁完全與孔壁接觸。

2)凈浮力法，回拖力主要依據(jù)管段在泥漿中的浮力扣除自重后產(chǎn)生的摩擦力，再加上拖管前進(jìn)時(shí)管段在泥漿中的粘滯力。該公式主要用于鋼管等大型工程，計(jì)算結(jié)果偏保守，本次計(jì)算僅將材料密度改為塑料。

3)土壓力法，適用于孔道內(nèi)土塌方嚴(yán)重的情況，曹蘇軍對(duì)公式進(jìn)行了簡(jiǎn)化。但從計(jì)算結(jié)構(gòu)來(lái)看，同樣距離回拖力最小，理論上孔道塌孔回拖力將急劇增大，因此該公式還需優(yōu)化。

4)ASTM法，管道回拖必須克服管道與孔壁和地面(或滾筒)間的摩擦力、彎曲段中增加的管道摩擦力和泥漿中回拖管道產(chǎn)生的粘滯阻力等，充分考慮了鉆孔軌跡的造斜段，最大回拖力通常在管道接近出口時(shí)出現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

在臺(tái)州污水治理工程實(shí)際中，DN315～ DN500的PE100管最大牽引長(zhǎng)度為300多米。水平定向鉆施工中不乏管道變扁、拉斷現(xiàn)象，為了能夠更好的對(duì)工程進(jìn)行監(jiān)控，以使管道穿越工作更加安全、可靠，結(jié)合以上各公式的計(jì)算分析，得出以下結(jié)論與建議：

1)回拖力計(jì)算公式中，大部分涉及到經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，尤其是摩擦力，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大。合理的確定這些參數(shù)，以減少理論計(jì)算誤差。

2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，PE實(shí)壁管水平定向鉆，推薦《水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程》規(guī)程中的ASTM計(jì)算法乘計(jì)算回拖力。

3)回拖力計(jì)算模型基本是假設(shè)鉆孔完整的情況下，實(shí)際施工中，會(huì)出現(xiàn)塌孔或某些意外情況，導(dǎo)致回拖力增加。因此計(jì)算回拖長(zhǎng)度時(shí)，建議乘以安全系數(shù)0.5。

[1] GB 50268—2008,給水排水管道工程施工及驗(yàn)收條文規(guī)范[S].

[2] GB 50423—2007,油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] CECS 382—2014,水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程[S].

[4] 曹蘇軍，艾志久,孔娜娜,等.多管組合穿越回拖力計(jì)算方法分析[J].給水排水,2009(35):105-107.

[5] ASTM F 1960，Standard guide for use of maxi-horizontal directional drilling for placement of polyethylene pipe or conduit under obstacles,including river crossings[S].

ComparisonandselectionofcalculationformulasforhorizontaldirectionaldrillingpullingforceofPEsolidwallpipes

ChenWei1LuoXueping2

(1.TaizhouUrbanandRuralPlanning&DesignandResearchInstitute,Taizhou318000,China; 2.TaizhouUrbanConstructionInvestmentGroupCo.,Ltd,Taizhou318000,China)

PE solid wall pipes which are more application in horizontal directional drilling for its corrosion resistance, joint connection and good toughness, have more methods of calculating the pulling force of PE pipes, while the results are different. To solve this problem, the article makes a comparison, calculation and analysis of four calculation methods of friction, net buoyancy, soil pressure, ASTM in the literature likeCodeforConstructionandAcceptanceofWaterandSeweragePipelineWorks,CodeforDesignofOilandGasTransportationPipelineCrossingEngineeringandTechnicalSpecificationforPipelineCrossingbyHorizontalDirectionalDrillingand etc., and it also combines with local practical case in Taizhou to choose the appropriate formula recommends improvements to monitor better for the project so that pipeline crossing will be more safe and reliable.

PE solid wall pipes, horizontal directional drilling, pulling force

1009-6825(2017)32-0102-03

2017-09-01

陳 偉(1986- )，男，碩士，工程師; 羅雪萍(1971- )，女，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師

TU990.3

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