球墨鑄鐵管水平定向鉆施工技術工程應用

任 盛

(新興鑄管股份有限公司上海銷售分公司，上海 200437)

1 水平定向鉆施工技術

水平定向鉆施工技術是在不具備開挖溝槽條件下，采用管道形成弧線實現地下穿越，用以鋪設流體輸送的管道的施工方式。隨著我國城市化進程的快速發展，公用設施擠占城市空間日益嚴重，交通道路日趨擁擠，傳統的溝槽開挖作業對城市正常運行影響也越來越大，非開挖施工技術在我國城市的應用也就越來越普遍。水平定向鉆施工技術作為一種非開挖施工技術，也是管線穿越的優選方案之一。

用于供水管線水平定向鉆施工的可選管材主要有球墨鑄鐵管、焊接鋼管和HDPE管。考慮到非開挖施工，未來管線維修也盡可能減少，因此，管材的承壓性能、抗沉降性能、使用壽命、施工的安全性和未來維修的快捷性等都應當作綜合考量。與其他管材相比，球墨鑄鐵管綜合優勢比較突出，也就成為水平定向鉆施工的主選管材。

2 球墨鑄鐵管性能特點

用以水平定向鉆施工的球墨鑄鐵管應當采用內自錨接口，其特點如下。

1)利用承口擋環與插口焊環相互作用產生可靠的自錨效果來傳遞軸向拖拉力，由于球墨鑄鐵的強度很高，允許的回推力也很大。

2)利用承插接口的偏轉角來適應鉆孔彎曲段，未來管線運行中，接口偏轉也可以用來抵消地基沉降所帶來的彎矩應力。

3)內自錨接口比外內自錨接口直徑要小，對孔徑的要求也會小。

本工程所使用的新興鑄管生產的球墨鑄鐵管，DN300，接口型式為SIA Wb型，見圖1，性能參數見表1。

圖1 球墨鑄鐵管接口示意圖

表1 球墨鑄鐵管參數

3 工程概況

本工程為上海臨港區漁港路消火栓補建工程。工程地點位于：東大公路(兩港大道—泐馬河)、三三公路(泐馬河—萬紅橋)、漁港路(兩港大道—綠蔭路)道路旁。為了避讓管線，穿越管道中心線埋深為4～8 m，兩端工作坑深度為1.5 m。本標段穿越長度暫定為170 m，穿越入土角為8°，出土角為8°，終孔直徑控制在500～600 mm。

本工程管線穿越位于地質處于(4)層，主要由粉質黏土和淤泥質土組成，具體的地質勘察報告見表2。

表2 擬建場地地質分布表

根據地質條件和現場管線和構筑物情況，專家研究討論會決定：穿越方式采用水平定向鉆施工工藝，管材選用DN300、SIA Wb型內自錨接口球墨鑄鐵管。

4 水平定向鉆施工

球墨鑄鐵管的水平定向鉆施工工藝流程為：軌跡設計→先導孔鉆進→回拉擴孔→管道安裝→預試壓→接口防護→回拖鋪管→打壓驗收。

4.1 軌跡設計

計算方法采用美國ASTM材料協會標準《Standard Guid for Use of Maxi-Horizontal Directional Drilling for Placement of Polyethylene Pipe or Conduit Under Obstacles，Including River Crossing》(AXTM F 1962—2020)中的計算模型，該算法的優點是考慮全面，所建模型與球墨鑄鐵拖拉管實際受力較為符合。

圖2 軌跡設計示意圖

各節點回拖力計算分別見式(1)～(4)：

TA=efgβfgwp(L1+L2+L3)

(1)

TB=efhβ(TA+fhwfL1+wfH+KπD1L1-efgβfgwpL1)

(2)

TC=TB+fhwfL2+KπDL2-efhβ(efgβfgwpL2)

(3)

TD=efhα(TC+fhwfL3+KπD1L3-wfH-efhβ(efgβfgwpL3))

(4)

式中，TA為A點處管道所受回拖力，kN；TB為B點處管道所受回拖力，kN；TC為C點處管道所受回拖力，kN；TD為D點處管道所受回拖力，kN；L1為管道入土端曲線段所對應的水平長度，m;L2為管道最大埋深處水平延伸距離，m;L3為管道出土端曲線段所對應的水平長度，m;H為管道埋深，m;Fg為球墨鑄鐵管與地面之間的摩擦系數；Fh為球墨鑄鐵管與鉆孔孔壁之間的摩擦系數；Wp為單位長度管道重力，kN/m；Wf為單位長度管道所受的凈浮力，kN/m；ɑ為入土角，(°)；β為出土角，(°)；K為泥漿的黏滯系數，kN/m2。

計算條件見表3，計算結果見表4。

表3 軌跡計算條件表

表4 軌跡計算結果表

4.2 先導孔鉆進

采用導向儀器和導向鉆頭，按照設計的鉆孔軌跡進行鉆進的施工過程。本工程的設計鉆進軌跡是結合管道的設計埋度、現場障礙物、地下管線、球墨鑄鐵管的彎曲半徑來進行最終定位。

4.3 回拉擴孔

利用擴孔鉆頭由出土端至入土端進行回拉擴孔的施工過程。本工程所選用的管道為DN300的球墨鑄鐵管，管道直徑較小，故回拖擴孔分成2次進行。第一次回拖擴孔采用DN200的鉆頭進行回拖，可以有效保護孔壁，不至于擴孔過大導致塌孔；第二次采用DN400的鉆頭進行回拖，在確保孔壁穩定的同時，對導向孔進一步擴大，為管道敷設提供有利條件。

4.4 管道安裝

水平定向鉆機與球墨鑄鐵管之間的安裝通過鉆機分動器、弓形卸扣、拖拉頭按照規定操作手冊進行連接。球墨鑄鐵管接口之間的安裝按照新興鑄管廠家提供的施工安裝手冊進行操作。安裝過程應經過監理單位檢測確認無誤后，進入下一步工序。

4.5 回拖前預試壓

回拖施工前，應在地面進行預試壓，確保接口安裝質量，試壓合格后方可進行施工；回拖施工后，應進行正式試壓工作，確保回拖施工質量。在管道尾部連接SIA Wb盤插管件及打壓盲板，連接好打壓裝置及壓力表，注滿水后即可打壓。

4.6 接口防護

預試壓合格后，應對管道接頭進行防護。本工程防護方式采用HDD熱收縮套包裹，再采用鋼制薄套筒包裹。

4.7 回拖鋪管

通過水平定向鉆機利用鉆桿和回擴頭由出土端至入土端進行回拉鋪設管道的施工過程。具體操作如下。

1)回拖施工時，入土角控制在10°～18°，出土角控制在4°～12°。

2)DN300拖拉管單個接口的最大允許偏轉角為3°，對應最小曲率半徑為113 m，鉆孔曲率半徑取值不低于2倍管道最小曲率半徑。

3)DN300拖拉管的終孔直徑控制在500～600 mm。

4)DN300 SIA Wb接口球墨鑄鐵管的最大允許拖拉力為400 kN，回拖施工時，鉆機施加的最大回拖力不得超過管道最大允許拖拉力。

5)根據現場工況條件，采用開挖發送溝或V型支架等減阻措施。

4.8 打壓驗收

施工完畢后，根據《給排水管道工程施工及驗收規范》(GB 50268—2008)標準進行打壓驗收。本次試驗的恒定試驗壓力為1.2 MPa,試驗允許滲水量為0.003 L/(min·m)，本次試驗壓力一直保持穩定，未檢測出滲漏，故本次球墨鑄鐵管水平定向鉆施工試驗合格。

5 總 結

施工前，施工單位與設計單位和管道廠家召開了多次討論會，制定了詳細水平定向鉆施工的專項方案和多項應急預案，確保了工程的順利實施。

本工程地質勘察報告詳盡準確，鉆孔及擴孔過程成型較好，回拖過程順利，證明了本工程水平定向鉆施工的工藝選擇是正確合理的。

本工程選用了新興鑄管生產的球墨鑄鐵管，具有強度高、密封效果好、耐腐蝕性強、施工快捷等特點，為工程成功實施奠定基礎。DN300的SIA Wb型內自錨接口的偏轉角為3°，軌跡設計滿足工程要求。管道的最大允許回拖力為400 kN，本工程拖拉長度為167 m，最大回拖阻力為287 kN，施工安全性較高。

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