非開挖水平定向鉆在給水管道工程中的應用

王剛

（山西太水市政工程有限公司，山西 太原 030027）

0 引言

社會的發展使得城市的建設水平正在不斷地進步，在此過程中為提升人們的生活質量開展市政基礎設施工程建設與改造具有重要意義。完善城市生產生活的社會配套設施給水管道工程是市政基礎設施重要組成部分，其質量直接關系到人們生活水平和質量。為保障供水安全和質量，城市給水管道的建設及更新改造勢在必行，但開槽施工不僅會造成城市污染，還影響人們日常出行以及生活。為此，在市政管道建設過程中非開挖技術正在得到廣泛運用，而水平定向鉆施工技術從施工方式上可以有效地提升市政施工的效能。

1 工程概況

山西省特色食品產業園集聚區是山西省首批12個試點特色產業集聚區之一，為保障園區供水需要，山西太水市政工程有限公司進行了市政給水管線引入工程的施工。

該工程全長7km，西起濱河西路，沿241 縣道鋪設至食品產業園區。汾河穿越段是工程的關鍵節點，集聚區地處汾河東岸，主供水管線位于汾河西岸，汾河橫亙在中間，由于汾河管理相關規定、自然環境等因素，確定給水管線穿越汾河需采用水平定向鉆穿越施工。汾河段施工安裝長度為828m，管材為φ820×14mm 螺旋焊縫鋼管，采用3PE 加強級防腐，沿線穿越濱河西路、魚塘、汾河等設施（圖1）；設計曲線段曲率半徑為1230m，入土角為10°，出土角為6°，穿越深度在汾河河床以下15m。

圖1 穿越位置

2 工程地質條件

根據地勘資料，該管道沿線工程地基土主要由人工填土（Q4ml）、粉土（Q4al+pl）、粉質黏土（Q4al+pl）、粉砂（Q4al+pl）沖洪積層構成。河床下0~4.5m 為粉砂，4.5~6.5m 為粉土，6.5~12.6m 為粉砂，12.6~20m 為粉土、粉質黏土。

鉆探所揭露的地下水類型為孔隙潛水，實測地下水位埋深1.4~3.8m，地下水補給主要靠大氣降水入滲及汾河側向徑流補給。

管道沿線地基土存在液化，液化等級輕微。

3 工程難點及技術措施

3.1 施工氣候條件惡劣

施工期為2021 年1 月9—20 日，正是三九、四九天，太原市最低溫度達到－24℃，給施工帶來極大不便。

技術措施：施工時采取24h 不停機施工，水管、泥漿管做保溫措施。管道焊接在流動保溫棚內進行，棚內設有電暖氣。管材焊接時焊口預熱，對焊條進行烘干，使用時取出放在保溫筒內，隨用隨取，在負溫下外露超過2h，重新烘干。

3.2 雙曲線鉆導向孔

為后期橋梁改擴建讓出安全距離，橋區段需畫弧至現狀橋北側30m 外，導致穿越汾河水平定向鉆穿越施工段給水管線，不僅縱向為曲線，同時平面也需要規劃成曲線偏離設計軸線，形成雙曲線。

技術措施：管道在粉砂層內回拖，成孔效果差，材料消耗大（膨潤土、添加劑等），施工風險較高；管道在粉土層內回拖，成孔效果好，泥漿消耗量小，安全系數高。根據《油氣輸送管道工程水平定向鉆設計規范》（SYT 6968—2013），定向鉆穿越管頂埋深應大于設計沖刷線以下6m。本工程100 年一遇的河槽最大沖刷深度為1.8m。水平段在4.5~6.5m 粉土層中回拖，管道埋深淺，不滿足規范要求。

經初設、驗算、再設計、核算等反復論證，結合地勘資料，最終確定定向鉆穿越水平段管線管頂埋深為15m，自粉土層中穿越，縱向曲率半徑為1500D，穿越深度15m；平面需向北偏離軸線19m 畫弧；入鉆側造斜段203m、水平段400m、出鉆側造斜段225m。鉆導向孔過程中嚴格按照設計規劃的路由采用GPS 放樣，間隔30m 布點，導向運用獵鷹F5 無線導向儀示蹤，密切關注鉆頭行蹤，隨時調整糾偏，導向孔按設計規劃的路由行進；嚴謹的設計規劃、嚴格的規范操作、認真的工作態度保證了雙曲線鉆導向孔的實現。穿越汾河施工現場如圖2 所示。

圖2 穿越汾河現場施工

3.3 泥漿漏失、滲出

地勘資料顯示穿越段地下水位高，地層較松軟，擴孔作業膨潤土泥漿有滲出的可能，對濱河西路城市快速路、汾河流域、魚塘造成污染。

技術措施：擴孔時，對泥漿配比反復進行試驗，確定泥漿濃度、黏度，增加泥漿的護壁、懸浮、排泄能力，使鉆孔中形成完整通道。泥漿主要由水、膨潤土、羧甲基纖維素（CMC）、火堿組成。根據管道穿越地層情況，確定穿越粘土層泥漿粘度為45~50S，粉砂層泥漿粘度為50~55S，利用馬氏漏斗計每2h 測量一次泥漿粘度，同時現場觀察泥漿返漿情況，及時調整配比[1]。

3.4 管道預制“三接一”

由于布管場地的長度僅有360m，路邊有多棟民房，管線擺放需呈弧形，管道預制采用“三接一”方式，如圖3 所示。

圖3 管道預制“三接一”布置

技術措施：穿越管道分成360m、288m 和180m 三段，按照設計要求分別進行組焊、無損檢測、防腐。鉆機完成導向孔的鉆進和逐級預擴孔達到回拖條件后，先回拖第一段管道到連接處（即回拖完成288m，留在地面的長度約72m），然后鉆機停止回拖，進行第一二段管道的焊接工作，如圖4 所示。管口組對完成后，選派技術熟練的電焊工進行連頭口的焊接，確保焊接一次合格。同時將組焊時間控制在4h 之內。第二段回拖到位后用同樣的方法連接第三段管道[2]。

圖4 水平定鉆機鉆進施工

管線弧形布設后，在拖管及對接時撓度變化不均勻管道易發生彈性形變，現場采用10 臺吊車吊運鋼管，間隔30m 均勻分布，并配備3 臺挖掘機在弧度最大處糾偏、固定，防止意外發生。在回拖的同時，所有吊車統一轉向，減少過程中產生的其他作用力，每臺吊車配備專門的安全員，統一回拖9.5m 轉向再進行第二次吊運。

3.5 “三接一”導致抱鉆、抱管等現象

回拖過程中需停頓兩次焊接管道，停頓時間過長存在管道抱死的風險。停頓時間較長，每次啟動鉆機時，可能會造成孔壁巖土受力不均而產生塌孔，管道抱死無法拖動[3]。

技術措施：由于管道回拖要盡可能連續進行，因此盡量縮短“三接一”的時間，在焊接完成待焊口自然冷卻后，先進行超聲波探傷，若發現缺陷及時處理，然后進行焊口的X 射線探傷。項目部調集專業技能熟練，經驗豐富的技術人員，在管道連接過程中可以快速對口，焊接質量合格。同時劃分作業面，每名焊工負責相應的區域，同時作業，減少鉆機停頓時間，降低施工風險，如圖5 所示。

圖5 管道組對焊接

為保障回拖順利進行，回拖過程中出現拉力增大等現象，現場配備2500t 夯管錘配合回拖作業[4]。

4 項目總結及意義

4.1 施工總結

本工程穿越長度為828m，穿越管徑為DN800。單就水平定向鉆施工而言，穿越距離較短，管徑較小；單從穿越距離及管徑來講，施工難度并不大；但結合現場的場地條件、地質條件、氣候條件等，本工程又是具有一定難度的。

本工程在完成前期場地清理工作后，于2021 年1月10 日開始導向孔作業，2021 年 1 月 20 日完成擴孔、清孔工作，完成管道分段預制工作，當天下午5 點開始管道回拖工作，歷時 13h，于 2021 年 1 月21 日凌晨6 點鐘完成所有管道回拖工作。穿越汾河段定向鉆施工作業原定計劃15d 完成，經過施工人員團結協作，整個工程歷時11d 提前完成。

4.2 項目意義

山西省特色食品產業園集聚區引入管線工程是自來水供應保障項目，該工程向山西省特色食品產業園集聚區各食品廠區輸送自來水，對整個區域的自來水供應起著至關重要的保證作用。

（1）作為山西省特色食品產業園集聚區引入管線工程的起始段，汾河穿越工程是整個項目的關鍵性節點工程，如果汾河穿越不能正常實施，則整個項目就無法通水運行[5]。

（2）選用水平定向鉆作為汾河穿越工程的施工工藝，這相對頂管穿越或者大開挖鋪設管道的方法，大大降低了整體工程的造價、縮短了工期。

（3）汾河是黃河第二大支流，在山西省的政治、歷史、文化、經濟地位舉足重輕。汾河是山西最大的河流，被山西人稱為母親河，對山西省的歷史文化有深遠的影響，流域范圍內自然資源豐富，自然保護區較多，其環保意義較大。因此汾河本身便具有很高的社會價值和環保價值。而選用水平定向鉆工藝進行汾河的穿越，對汾河的保護顯得意義非凡。

5 結語

總而言之，在給水管道的建設過程中運用非開挖技術能有效地解決城市因大型土木工程造成的道路堵塞以及環境等問題，同時非開挖水平定向鉆技術還可以大大縮短施工工期。在運用水平定向鉆的過程中一定要對施工的難點問題給予高度關注，并且對于工程建設地質復雜性進行全面觀測，有效解決問題，進而提升整體施工對社會發展的推動效果。