市政排水管道修復(fù)工程中水平定向鉆技術(shù)應(yīng)用研究

（上海錦興市政設(shè)計咨詢有限公司，上海 200215）

市政排水管道修復(fù)是城市建設(shè)工程中的一個重要內(nèi)容，在修復(fù)過程中需要利用合理的方法，保證排水管道的過流能力。目前用于市政排水管道修復(fù)的方法有頂管法、擠土法及內(nèi)襯法，在管道修復(fù)過程中需要進行開挖施工，具有施工成本高、施工后管道過流能力較差等缺點，已經(jīng)無法滿足市政排水管道修復(fù)需求，為此提出市政排水管道修復(fù)工程中水平定向鉆技術(shù)的應(yīng)用研究。水平定向鉆技術(shù)是一種用于管道修復(fù)的現(xiàn)代非開挖施工技術(shù)，該技術(shù)起源于國外20世紀50年代初，在石油勘探工程中的平行定向鉆取施工技術(shù)，從水平定向鉆技術(shù)的發(fā)展歷史來看，主要分為起步、改進、發(fā)展、多樣化四個階段。目前在國外已經(jīng)有2 000～2 500臺水平定向鉆機正在同時施工[1]。我國水平定向鉆技術(shù)是在20世紀70年代引進的，在國內(nèi)主要經(jīng)歷了技術(shù)引進、研發(fā)、發(fā)展三個階段，20世紀70年代國內(nèi)管道建筑業(yè)逐漸發(fā)展，因此，管道修復(fù)成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展道路上亟須解決的問題。為了妥善解決該問題，吸收國外先進的管道修復(fù)施工技術(shù)，包括水平定向鉆技術(shù)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一定數(shù)量和規(guī)格的小型水平定向鉆機[2]。在20世紀90年代中期，我國已經(jīng)在水平定向鉆機自主研發(fā)方面取得了一定的突破性進展，但其自動化、智能化程度較低，且施工設(shè)備工作效率較低，管道修復(fù)時間較長，為了提高水平定向鉆技術(shù)水平，建立了專業(yè)的水平定向鉆機研發(fā)基地和裝備設(shè)計，目前國內(nèi)水平定向鉆機已經(jīng)實現(xiàn)了國產(chǎn)化，水平定向鉆技術(shù)具有適應(yīng)性強、鋪管精度高、環(huán)境影響小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在各種管道修復(fù)工程中，此次將該技術(shù)應(yīng)用到市政排水管道修復(fù)工程中，形成一種新的修復(fù)方法，提高市政排水管道的過流能力。

1 基于水平定向鉆技術(shù)的市政排水管道修復(fù)方法

1.1 市政排水管道導(dǎo)水

為了市政排水管道修復(fù)施工順利進行，減少對其他管道的影響，首先需要對市政排水管道進行導(dǎo)水，管道導(dǎo)水是市政排水管道修復(fù)的基礎(chǔ)施工部分，由于市政排水管道修復(fù)工程情況復(fù)雜，具有較多的未預(yù)見因素，此次根據(jù)修復(fù)經(jīng)驗針對不同的管道形狀提出以下兩種市政排水管道導(dǎo)水方案。

直線形市政排水管道導(dǎo)水：當(dāng)市政排水管線是直線形時，首先根據(jù)實際情況將管道分成若干段，利用皮塞將每段兩端的管口封堵嚴實[3]。在每段管道所屬檢查井內(nèi)安裝一個或兩個水泵及10～15 m長的水帶。最后通過水泵和水帶向下游的市政排水管道內(nèi)導(dǎo)水。直線型市政排水管道導(dǎo)水示意圖如圖1所示。

圖1 直線型市政排水管道導(dǎo)水示意圖

平行型市政排水管道導(dǎo)水：當(dāng)需要修復(fù)的排水管道附近有一條并行的污水管道或排水管道，且并行的污水管道和排水管道具有獨立的下游時，運用直線形市政排水管道導(dǎo)水方案進行導(dǎo)水，但在導(dǎo)水前需要將并行的污水管道口和排水管道口用皮塞塞住，派專人對其進行看護，防止在導(dǎo)水過程中出現(xiàn)污水跑冒情況[4]。導(dǎo)水時間應(yīng)控制在5～7 min內(nèi)，少量多次進行，且在導(dǎo)水過程中需要時刻注意排水管道上游、下游的水位情況，對無法正常流通或水流量和流速不正常的管道進行標(biāo)記，將不能流通水的管道和水流較小的管道進行分類標(biāo)記，對兩種管道進行不同的施工修復(fù)。

1.2 市政排水管道清淤

管道內(nèi)的污水無法正常流通，說明該部分管道內(nèi)部存積了大量的淤泥，因此，在完成市政排水管道導(dǎo)水施工后，對水流量較小的管道進行清淤修復(fù)[5]。此次采用水力清淤法對市政排水管道進行清淤，該方法主要使用帶有水罐、機械卷管設(shè)備的高壓噴射車，將高壓水泵安裝在水罐中，且在高壓水泵的頂頭安裝射水噴頭，利用高壓噴射車的引擎驅(qū)動高壓水泵，將射水噴頭導(dǎo)入需要清淤的管道口對其管壁的淤泥進行清洗，利用水的反作用力將淤泥沖刷到下游的檢查井內(nèi)，最后由吸泥車統(tǒng)一清理，并對淤泥進行處理。

1.3 基于水平定向鉆技術(shù)換管

對于水無法流通的管道應(yīng)及時進行換管，此次在換管施工中采用水平定向鉆技術(shù)。運用水平定向鉆技術(shù)進行換管，排水管道在回拖過程中，由于巖土與管壁的摩擦及管壁的彈力，會產(chǎn)生一個回拖力，該回拖力會影響水平定向鉆機的選型。因此，在施工之前需要對排水管道回拖力進行計算：

式中：T——換管的最大回拖力（kN）；P——單位長度換管段所承受的巖土壓力（kN/m）；K——主動土壓力系數(shù)，通常取0.03；Q——單位長度換管重量（kN/m）；L——需要換管的長度（m）；F——排水管道管壁與孔壁之間的摩擦系數(shù)，通常取0.02～0.04。

利用上述公式對換管的最大回拖力進行計算，根據(jù)最大回拖力計算值的2.5倍對水平定向鉆機進行選型[6]。

在換管之前需要對鉆機的主要性能參數(shù)進行合理設(shè)計，考慮到市政排水管道換管修復(fù)需求，水平定向鉆機的行走速度設(shè)定為4.5 km/h；最大扭矩設(shè)定為56 000 N?m；總功率設(shè)定為250 kW；最大限速設(shè)定為3 000 r/min；鉆機鉆桿長度設(shè)定為10.5 m；鉆桿外徑設(shè)定為212 mm；液壓油箱油量設(shè)定為550 L[7]。設(shè)定鉆機施工參數(shù)后，開始鉆進施工，首先采用KUGF-400型牙輪鉆頭向需要換管的部位進行鉆進，在鉆進過程中司鉆手和定向手應(yīng)嚴格按照《水平定向鉆技術(shù)規(guī)范》進行操作，且司鉆手和定向手需要密切關(guān)注各個儀表數(shù)值變化，準(zhǔn)確判斷鉆進過程中的地質(zhì)情況，保證鉆導(dǎo)向孔能夠一次性成功。再利用巖石回擴器將導(dǎo)向鉆孔孔徑擴大到原管道管徑的1.5～2.5倍，由于鉆孔過程中穿越了地下巖層，擴孔工作施工難度較大，為了保證市政排水管道修復(fù)質(zhì)量，前后進行至少5次擴孔。擴孔完成后將壞掉的管道取出，再將新的管道運用管道鋪設(shè)技術(shù)通過鉆孔安裝到原有管道位置，在換管銜接處加注泥漿，保證市政排水管道的穩(wěn)定性和牢固性，以此完成基于水平定向鉆技術(shù)換管，完成基于水平定向鉆技術(shù)的市政排水管道修復(fù)。

2 試驗設(shè)計及結(jié)果

2.1 試驗設(shè)計

此次試驗以某市政排水管道為試驗對象，該管道長度為3 500 m，經(jīng)檢測該管道在管徑混凝土管內(nèi)徑500～1 400 mm，PE管內(nèi)徑555～1 455 mm，存在嚴重的淤堵問題，其中5處管段需要進行清淤施工，8處管段需要換管。

運用此次設(shè)計方法與傳統(tǒng)方法對該管道進行修復(fù)，利用式（1）計算得出最大回拖力為123.64 kN，決定采用IIGFGT型號水平定向鉆機。試驗中對兩種方法修復(fù)后管道流速和水流量與修復(fù)前進行對比，得到兩種方法的管道過流恢復(fù)能力。

2.2 試驗結(jié)果分析

試驗以設(shè)計方法與傳統(tǒng)方法的管道過流恢復(fù)能力作為試驗結(jié)果，對兩種方法進行對比。

試驗結(jié)果如表1所示。

表1 兩種修復(fù)方法PE管道過流恢復(fù)能力對比

由表1可知，應(yīng)用此次設(shè)計方法管道的流量和流速均有較大幅度提高，提升數(shù)值高于傳統(tǒng)方法，證明此次設(shè)計方法管道過流恢復(fù)能力優(yōu)于傳統(tǒng)方法，設(shè)計方法的修復(fù)效果優(yōu)于傳統(tǒng)方法，可以滿足市政排水管道修復(fù)需求。

3 結(jié)語

此次將水平定向鉆技術(shù)應(yīng)用到市政排水管道修復(fù)工程中，形成一種新的修復(fù)方法，有利于提高市政排水管道的過流能力，可促進水平定向鉆技術(shù)在管道修復(fù)工程中的應(yīng)用，為市政排水管道修復(fù)工程施工提供了理論依據(jù)。