市政排水管道修復工程中水平定向鉆技術應用研究

（上海錦興市政設計咨詢有限公司，上海 200215）

市政排水管道修復是城市建設工程中的一個重要內容，在修復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的方法有頂管法、擠土法及內襯法，在管道修復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，已經無法滿足市政排水管道修復需求，為此提出市政排水管道修復工程中水平定向鉆技術的應用研究。水平定向鉆技術是一種用于管道修復的現代非開挖施工技術，該技術起源于國外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，從水平定向鉆技術的發展歷史來看，主要分為起步、改進、發展、多樣化四個階段。目前在國外已經有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是在20世紀70年代引進的，在國內主要經歷了技術引進、研發、發展三個階段，20世紀70年代國內管道建筑業逐漸發展，因此，管道修復成為產業發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施工技術，包括水平定向鉆技術，在此基礎上開發了一定數量和規格的小型水平定向鉆機[2]。在20世紀90年代中期，我國已經在水平定向鉆機自主研發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，且施工設備工作效率較低，管道修復時間較長，為了提高水平定向鉆技術水平，建立了專業的水平定向鉆機研發基地和裝備設計，目前國內水平定向鉆機已經實現了國產化，水平定向鉆技術具有適應性強、鋪管精度高、環境影響小等優點，被廣泛應用在各種管道修復工程中，此次將該技術應用到市政排水管道修復工程中，形成一種新的修復方法，提高市政排水管道的過流能力。

1 基于水平定向鉆技術的市政排水管道修復方法

1.1 市政排水管道導水

為了市政排水管道修復施工順利進行，減少對其他管道的影響，首先需要對市政排水管道進行導水，管道導水是市政排水管道修復的基礎施工部分，由于市政排水管道修復工程情況復雜，具有較多的未預見因素，此次根據修復經驗針對不同的管道形狀提出以下兩種市政排水管道導水方案。

直線形市政排水管道導水：當市政排水管線是直線形時，首先根據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導水。直線型市政排水管道導水示意圖如圖1所示。

圖1 直線型市政排水管道導水示意圖

平行型市政排水管道導水：當需要修復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水方案進行導水，但在導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，防止在導水過程中出現污水跑冒情況[4]。導水時間應控制在5～7 min內，少量多次進行，且在導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記，將不能流通水的管道和水流較小的管道進行分類標記，對兩種管道進行不同的施工修復。

1.2 市政排水管道清淤

管道內的污水無法正常流通，說明該部分管道內部存積了大量的淤泥，因此，在完成市政排水管道導水施工后，對水流量較小的管道進行清淤修復[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動高壓水泵，將射水噴頭導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，最后由吸泥車統一清理，并對淤泥進行處理。

1.3 基于水平定向鉆技術換管

對于水無法流通的管道應及時進行換管，此次在換管施工中采用水平定向鉆技術。運用水平定向鉆技術進行換管，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，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，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進行合理設計，考慮到市政排水管道換管修復需求，水平定向鉆機的行走速度設定為4.5 km/h；最大扭矩設定為56 000 N?m；總功率設定為250 kW；最大限速設定為3 000 r/min；鉆機鉆桿長度設定為10.5 m；鉆桿外徑設定為212 mm；液壓油箱油量設定為550 L[7]。設定鉆機施工參數后，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嚴格按照《水平定向鉆技術規范》進行操作，且司鉆手和定向手需要密切關注各個儀表數值變化，準確判斷鉆進過程中的地質情況，保證鉆導向孔能夠一次性成功。再利用巖石回擴器將導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質量，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技術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定性和牢固性，以此完成基于水平定向鉆技術換管，完成基于水平定向鉆技術的市政排水管道修復。

2 試驗設計及結果

2.1 試驗設計

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，經檢測該管道在管徑混凝土管內徑500～1 400 mm，PE管內徑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。

運用此次設計方法與傳統方法對該管道進行修復，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后管道流速和水流量與修復前進行對比，得到兩種方法的管道過流恢復能力。

2.2 試驗結果分析

試驗以設計方法與傳統方法的管道過流恢復能力作為試驗結果，對兩種方法進行對比。

試驗結果如表1所示。

表1 兩種修復方法PE管道過流恢復能力對比

由表1可知，應用此次設計方法管道的流量和流速均有較大幅度提高，提升數值高于傳統方法，證明此次設計方法管道過流恢復能力優于傳統方法，設計方法的修復效果優于傳統方法，可以滿足市政排水管道修復需求。

3 結語

此次將水平定向鉆技術應用到市政排水管道修復工程中，形成一種新的修復方法，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在管道修復工程中的應用，為市政排水管道修復工程施工提供了理論依據。