圓礫層中定向拖拉牽引管施工變形控制技術

文｜廣東省基礎工程集團有限公司 吳健

0 前言

隨著我國城市化進程的推進，各類市政管道大量分布于地下，穿越的地質條件及周邊環境越來越復雜，施工中也極易碰到一些新問題。定向拖拉牽引管施工是一種應用較廣泛的非開挖鋪管技術，在一般地層適應性很好，但在圓礫層則往往出現牽引管變形大，導致拖拉施工失敗的現象，為此針對該施工技術難題探索行之有效的施工技術是大勢所趨。

1 工程概述

汕尾高新區紅草園區道路建設首期項目（三期）工程位于汕尾高新區紅草園區，該項目定向拖拉式牽引管為高密度聚乙烯（HDPE）電力管，長度為100m，本次牽引管橫跨貓溪河道，且從新建箱涵底穿過，最深位置為道路面以下11m，穿越土層主要為第四系海相沉積的圓礫層。

根據地質勘查報告揭示：本工程場區從上而下土層為人工填土層、淤泥層、粉質粘土層、圓礫層和砂質粘性土層。圓礫層特性為：灰白色，主要由約50%礫粒組成，含少量粘粒及少量碎石，碎石大小約2～3cm，其余為中粗砂，級配較好，飽和，稍密，平均層厚3.80m。

2 施工難點分析及對策

施工難點主要為：施工要從新建的箱涵和已建的河道下穿越，這些構筑物對變形要求嚴格；牽引管主要在圓礫層穿越，施工埋深及管線長度較長，要解決這些問題關鍵是施工過程的變形控制。通過試驗定向拖拉牽引管遇到圓礫層（類砂層）情況下，由于巖土特性易塌孔導致拉管時側摩阻力較大，若強行拉管會使管道導致變形增加，反過來又導致圓礫層地層位移增大，進而增加其施工難度，甚至有可能導致施工失敗。經過試驗及參考大量文獻，其解決該難點的對策如下：

（1）根據工程地質條件、施工場地、地下障礙物的具體位置、鉆桿的入出土角度、鉆桿允許的曲率半徑、鉆頭的變向能力、導向監控能力和被鋪設管線的性能等，需重點考慮導向孔軌跡對施工變形控制的影響，給出最佳鉆孔路線，其中曲線段的半徑是施工軌跡設計的重點。

①HDPE牽引管的最小允許曲率半徑采用公式計算：

式中，

ρ—曲率半徑（cm）

E—彈性模量（Mpa）

HDPE管的最小曲率半徑與管道直徑相關，本工程中曲率半徑計算約為300倍的管道直徑。

②對于鉆桿曲率半徑，是根據鉆桿彎曲的強度值來進行確定的。通常情況下，鉆桿彎曲半徑為1200D以上（D為鉆桿外徑）。

考慮到多層土及圓礫層的特點結合HDPE管的特性，適當取鉆桿與HDPE管計算半徑的大值，本工程的最小曲率半徑取1300D（D為鉆桿外徑），這曲率半徑不會導致管道過長且可降低管道對地層的擠壓效應。

（2）在多層土特別是圓礫層穿越時，鉆孔的穩定是定向鉆進的關鍵，要保持鉆孔穩定主要還是通過泥漿來平衡地壓，但一般的泥漿在圓礫層存在護壁不力的情況，導致地質鉆孔容易出現塌孔現象，造成拖管過程中側摩阻力增大。從施工實踐經驗判斷，可采用“膨潤土+聚丙烯酰胺”制漿做泥漿護壁工藝，代替傳統工藝的膨潤土制漿，由于“膨潤土+聚丙烯酰胺”制漿做泥漿護壁可以使泥漿增黏增稠，減緩塌孔及縮孔等現象的時間，從而能更好地保證回拖管材的施工質量，大幅度提高施工效率。

（3）在常規定向拖拉牽引管的施工中較多采用分級擴孔技術，該類鉆頭在圓礫層（類砂層）中不易進行鉆進，且易塌孔，本工程通過對擴孔工藝進行對比及測試，得出分級反拉旋轉擴孔成孔方法較其他類別的鉆頭更容易在圓礫層（類砂層）進行鉆進，滿足后續牽引孔壁穩定性要求，縮短導向鉆進的時間，提高施工效率。

3 分析定向拖拉牽引管施工方法

3.1 工藝流程（如圖1所示）

3.2 主要施工工藝

3.2.1 導向施工

圖1 定向拖拉牽引管

在實施第一根鉆桿入土鉆進過程中，需應用輕壓慢轉的方式進行，以能夠準確在指定地點穩定入土，并確保按設計要求的入土傾斜角度，才能進一步鉆進；在采取導向鉆進過程中，對于造斜段探測控制點的設置范圍需達到0.5米至1.0米的頻率，而在直線段只需根據一根鉆桿的長度來設置就可以了；鉆進情況需詳細進行記錄，然后根據填寫的數據繪制鉆孔軌跡剖面圖，予以技術參考；在進行造斜段曲線鉆進過程中，注意必須根據地質條件及時調整鉆桿的推進力度，切記不能導致鉆桿出現過度的彎曲；在鉆進時，要密切注意鉆孔的軌跡不能偏差過大，不能超出終孔直徑的范圍，若出現誤差較大，且大于允許的范圍值時，需立刻退回，并予以糾正。

3.2.2 回擴施工

在擴孔階段，可選取逐級擴孔的方法進行，對于泥漿必須有較好的護壁以及潤滑的效果，才能夠使泥漿起到攜帶的作用，本工程因穿越砂層地質，采用的泥漿為“膨潤土+聚丙烯酰胺”的復合型泥漿，其具體配置是選取膨潤土的水質PH值在8～9的范圍內，并加入3800升的純堿水，以保持PH值和提升泥漿能夠達到最佳的狀態，符合設計的粘度，能夠有效快速的固化泥漿，使得鉆孔不易出現塌孔及縮孔。在首次擴孔操作過程中，應采用高運速以及低拉力的方式。在回擴施工時先選取?250的回擴頭操作，再選取?320的泥切具實施切泥，然后換上?320的回擴頭實施一次回擴拉泥操作，接著再換上?400的泥切具重復實施切泥，最后換回?320的回擴頭同樣實施一次的回擴拉泥。在完成回擴拉泥后，進行沖洗，并對擴孔作進一步的檢查，確定不存在垮塌跡象方可驗收，且孔徑收斂＜2%的范圍內。（如圖2所示）

3.2.3 回拉管材

在上述的所有程序完成后，就可以選取拉管器實施拉管，并把預先檢查合格且熱熔備好的待鋪管道與鋼制連接頭進行連接，操作時連接頭要接在分動器上，然后在管材外部全身涂上調配好的潤滑劑。在實際拉管操作時，必須采用勻速向前的方式，且中間不能出現停頓。施工時要按設計圖進行拉管，并且對于不同地段應按要求敷設相應管徑的成品管。對成品管的敷設也可先一次完成操作，然后拿拉管頭封塞管口，以免雜物進入成品管內。

在回拖管材操作時，施工人員必須隨時留意鉆機的回拖力以及管材扭矩的變化程度，還要避免管材與地面發生摩擦，并切法降低其摩擦阻力。

4 工程實際效果

本工程定向拖拉牽引管施工從2017年10月16日至2017年10月25日，僅用10天的時間，將9根?200高密度聚乙烯（HDPE）電力管，長度為100m施工全部完成。施工期間，通過采用計算最小彎曲半徑，利用組合型泥漿護壁進行分級反拉旋轉擴孔成孔，代替原設計的單純膨潤土做泥漿護壁，施工效率大幅提升，工程質量有保證，綜合成本降低。施工未對現狀箱涵、排水河道產生任何破壞，屬環境友好型施工工藝，有效節約工程投資。同時，管道自交付使用以來安全穩定，工程實際效果良好。

5 結語

通過汕尾高新區紅草園區的定向拖拉牽引管施工變形控制技術的成功應用，可以明確圓礫層中采用“優化曲率半徑，利用組合型泥漿護壁進行分級反拉旋轉擴孔成孔”的變形控制技術是可行的，可為類似工程提供了寶貴經驗，值得推廣。但由于該配套技術存在很多試驗及經驗成分，理論依據仍然不太完善，有待進一步探索。

圖2 牽引設備回擴施工