水平定向鉆技術(shù)在市政工程中的應(yīng)用

沈春嵩

(上海建科工程咨詢有限公司，上海 200032)

0 引言

在過去的管道建設(shè)中，施工技術(shù)水平隨著社會(huì)需求的發(fā)展越來越體現(xiàn)出了它的局限性，水平定向鉆技術(shù)也稱非開挖技術(shù)，近年來被廣泛應(yīng)用于地下管道、交通主干道、湖泊河流等施工中，它的出現(xiàn)對工程建設(shè)的工作效率和擴(kuò)展應(yīng)用場景都有了極大的提升，與過去的施工技術(shù)相比，水平定向鉆技術(shù)可在最大程度上減少施工現(xiàn)場對周圍居民、環(huán)境以及交通的影響。

1 水平定向鉆技術(shù)概述

水平定向鉆技術(shù)在進(jìn)行操作時(shí)，需要水平定向鉆機(jī)在地下工作，按照規(guī)劃好的路線進(jìn)行鉆孔，這種施工技術(shù)不會(huì)破壞地面，鉆機(jī)會(huì)從地面的某個(gè)地方進(jìn)去再從某個(gè)地方出來，目前水平定向鉆機(jī)已經(jīng)能適應(yīng)大部分地面的施工要求，并且在鉆機(jī)工作時(shí)加入了導(dǎo)向技術(shù)，讓鉆機(jī)更加智能化，被廣泛應(yīng)用到市政工程的各項(xiàng)建設(shè)中。

在應(yīng)用水平定向鉆技術(shù)時(shí)，要規(guī)劃好管道施工方案，因?yàn)殂@機(jī)在工作中的走向需要施工方案提供路線指引。在施工方案制定完成后，施工現(xiàn)場應(yīng)定位好導(dǎo)向孔，即鉆機(jī)的工作的起點(diǎn)。通過驅(qū)動(dòng)鉆桿進(jìn)行水平定向鉆的施工，這一過程需要水平定向鉆的技術(shù)人員時(shí)刻關(guān)注鉆頭的工作方向是否和施工方案中規(guī)定的一致，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水平定向鉆工作的路線出現(xiàn)了偏差，可利用土層的反作用力來進(jìn)行方向的重新定位，在操作過程中若出現(xiàn)無法逾越的障礙物，鉆機(jī)的操作人員應(yīng)操作定向鉆進(jìn)行移位。水平定向鉆在鉆孔結(jié)束后將鉆頭換成回程擴(kuò)孔器，同時(shí)方便將鉆桿收回來，進(jìn)一步將孔擴(kuò)大，以達(dá)到施工方案的要求，最后埋入管道完成施工。

2 水平定向鉆施工技術(shù)的優(yōu)勢

2.1 對環(huán)境的影響小

傳統(tǒng)的市政工程管道施工需要挖溝渠，會(huì)對周圍居民生活和地方的交通造成影響；水平定向鉆技術(shù)是在地下進(jìn)行施工，對交通的影響很小，同時(shí)不會(huì)對地面上各類建筑造成影響。

2.2 精度準(zhǔn)確性高

傳統(tǒng)的市政工程管道施工過程因?yàn)槭侨斯ね跍锨栽诰确矫鏁?huì)有一定影響。水平定向鉆技術(shù)加入了導(dǎo)向系統(tǒng)，擁有更高的精度，在實(shí)際線路走向以及躲避障礙物方面與施工方案近乎一致。

2.3 符合生態(tài)環(huán)保理念

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們生態(tài)環(huán)保理念增強(qiáng)，傳統(tǒng)的市政管道施工由于對環(huán)境的影響大，不符合國家對生態(tài)環(huán)保理念的倡導(dǎo)。水平定向鉆技術(shù)除了對環(huán)境影響小、工作效率高，還能最大程度保留施工現(xiàn)場原有的地勢地貌，更符合國家對生態(tài)環(huán)保理念的倡導(dǎo)。

3 水平定向鉆施工技術(shù)在市政管道中的實(shí)踐應(yīng)用

3.1 工程概況

上海市某區(qū)要進(jìn)行輸水管網(wǎng)完善工程，該管道工程與通航河道正交且周邊環(huán)境靠近高速公路和鄉(xiāng)鎮(zhèn)，為盡可能減少對周圍交通環(huán)境的破壞，采用水平定向鉆技術(shù)進(jìn)行施工。主要工程量為：單孔直徑828 mm鋼管(壁厚14 mm)、長度575 m穿越掘石港施工。

3.2 具體應(yīng)用方法

3.2.1 安裝鉆機(jī)

施工方案制定完成后，第一步是鉆機(jī)的安裝工作，按照施工方案中規(guī)劃好的位置，將鉆機(jī)以及與鉆機(jī)相關(guān)的設(shè)備利用吊車放到指定的位置，這個(gè)過程須保證鉆機(jī)以及管道這兩者之間的中心線要重合，否則鉆機(jī)在工作過程中偏差會(huì)很大。另外，應(yīng)保證鉆機(jī)的軌道和管道穿越的入口處之間的夾角和設(shè)計(jì)方案中的入土角一致。該工程中鉆機(jī)運(yùn)行軌道以及入土角的設(shè)計(jì)主要根據(jù)實(shí)際工程中地形、地質(zhì)以及管道直徑來綜合考量，最終確定入土角為-9°，出土角為+6°，穿越管段的曲率半徑不小于800 D。

在鉆機(jī)的位置以及高度都確定好后，還需要對鉆機(jī)進(jìn)行錨固，在這之前，需要先對鉆機(jī)錨固的區(qū)域進(jìn)行地下探測，防止錨固不牢的狀況發(fā)生，錨固不牢會(huì)導(dǎo)致鉆機(jī)在工作時(shí)走向發(fā)生偏移，不能按照施工方案規(guī)劃的路線進(jìn)行，拖慢工程的進(jìn)度。同時(shí)錨固不牢對鉆機(jī)的回拉也有影響，會(huì)出現(xiàn)鉆桿拉不回的情況，進(jìn)而對鉆機(jī)造成永久性傷害。本工程回拖力較大，錨固的方式將采用地錨箱和錨樁聯(lián)合固定的形式。其中地錨箱尺寸為：4 000 mm×2 000 mm×1 500 mm，在地錨箱安裝之前會(huì)打入8根直徑219 mm、長度6 m的鋼管作為錨樁，同時(shí)把鋼管和地錨箱連在一起形成整體，以確保鉆機(jī)錨固牢固。

3.2.2 導(dǎo)向孔的施工

近年來，水平定向鉆技術(shù)逐漸加入導(dǎo)向儀，此項(xiàng)技術(shù)的加入大大提高了鉆機(jī)的工作效率，進(jìn)一步保證工程的順利完成。在鉆機(jī)準(zhǔn)備工作完成后，不僅要檢查鉆機(jī)是否有問題，還要按要求進(jìn)行試鉆，確保鉆機(jī)可正常工作。鉆機(jī)安裝結(jié)束后進(jìn)行導(dǎo)向孔施工，對施工區(qū)域的地質(zhì)進(jìn)行分析，將控向、泥漿和司鉆的每個(gè)環(huán)節(jié)都落實(shí)到位，并分析各項(xiàng)參數(shù)以確保鉆出的導(dǎo)向孔符合施工方案，在實(shí)際鉆孔時(shí)，還要參照穿越曲線以及設(shè)計(jì)曲線，保證鉆孔過程中方向控制的準(zhǔn)確，具體來說導(dǎo)向孔施工期間，將建立穿越曲線數(shù)據(jù)庫，采集每個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的，傾角、方位角、水平距離、高差、左右偏差值等控向數(shù)據(jù)。該工程導(dǎo)向孔施工采用月蝕導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤與定位，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。具體工況如圖1所示。

圖1 導(dǎo)向孔施工

3.2.3 鉆孔糾偏

鉆機(jī)在工作過程中不可避免會(huì)受到一些其他未知干擾因素的影響，這些干擾因素會(huì)使鉆機(jī)的工作方向出現(xiàn)較小偏差，因此，需要時(shí)刻關(guān)注鉆機(jī)控制臺(tái)上顯示的實(shí)際情況。鉆機(jī)上有安裝傳感系統(tǒng)，當(dāng)鉆機(jī)的運(yùn)行方向在控制臺(tái)屏幕上顯示的與施工方案中規(guī)劃的方向不一致時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)鉆桿位置，將鉆機(jī)的方向朝著預(yù)定的路線進(jìn)行工作。需要注意的是不要操之過急，因?yàn)殂@機(jī)方向的調(diào)整主要靠鉆桿的糾正來進(jìn)行，若是急性調(diào)節(jié)會(huì)導(dǎo)致最后拖管的時(shí)候鉆桿拖不動(dòng)的情況。

3.2.4 擴(kuò)孔的施工

在導(dǎo)向孔施工完成后，進(jìn)行管道安裝，但為最大程度上確保管道可順利安裝，需要進(jìn)行擴(kuò)孔工作，通常擴(kuò)孔直徑要比導(dǎo)向孔直徑大1.5倍，同時(shí)擴(kuò)孔還應(yīng)根據(jù)實(shí)際導(dǎo)向孔的大小、施工區(qū)域的地質(zhì)特征以及鋪設(shè)管道的直徑大小來進(jìn)行多次擴(kuò)孔，為保證施工的質(zhì)量，擴(kuò)孔器應(yīng)根據(jù)地質(zhì)來進(jìn)行選擇，從而符合施工方案。該工程穿越最終成孔直徑應(yīng)選取1 000 mm×1.2 mm=1 200 mm，通過對現(xiàn)場地質(zhì)分析綜合考量來看，最終擴(kuò)孔要達(dá)到Φ1 300 mm。當(dāng)鉆頭到達(dá)指定出土位置后，將鉆具拆掉安裝上擴(kuò)孔器，并在孔洞內(nèi)噴上泥漿，隨后進(jìn)行擴(kuò)孔施工。具體情況如圖2所示。

圖2 擴(kuò)孔施工

3.2.5 管道的回拖

管道的回拖工作是在管道下溝先放入一些水，以減小管道回拖時(shí)的阻力，以及對管道的防腐層進(jìn)行保護(hù)，因此在放入管道前，要派專業(yè)的人員對管道進(jìn)行檢查，以此來保證管道是否合格。管道的回拖工作具體是在鉆桿上裝好擴(kuò)孔器，擴(kuò)孔器再與管道頭相連，以此來保證管道的回拖工作可正常進(jìn)行。若水不能起到減小阻力的作用時(shí)，那么需要加入適當(dāng)?shù)臐櫥瑒﹣肀ＷC管道可順利穿過鉆孔。另外在回拖的過程中還會(huì)產(chǎn)生一部分的泥漿，這些泥漿也要進(jìn)行專門的處理，以保證不會(huì)對周圍的環(huán)境造成破環(huán)。管道在出土?xí)r，為了保證回拖順利進(jìn)行，避免出現(xiàn)管道在地下回拖時(shí)候出現(xiàn)拖不動(dòng)的狀況，一定要控制好出土的角度以及方向。具體情況如圖3所示。

圖3 管道回拖施工

3.2.6 泥漿的控制

在水平定向鉆的施工過程中，由于鉆頭要穿越地層，難免會(huì)因?yàn)橥馏w擾動(dòng)而產(chǎn)生地表沉降，因此對地表沉降的控制是定向鉆施工的重要工序。泥漿具備冷卻、護(hù)壁、攜砂能力以及良好的潤滑效果同時(shí)也是最簡便、最經(jīng)濟(jì)的做法，施工工程中大多使用人工造漿作為沖洗液。作為沖洗液的泥漿需要經(jīng)過一定的配比，往里面加入一些添加劑或者膨潤土，來保證泥漿沖洗過程的質(zhì)量，同時(shí)泥漿的沖洗也能讓機(jī)頭得到冷卻，加大機(jī)頭和土壤之間的潤滑，進(jìn)而減小管道與導(dǎo)向孔之間的摩擦。另外，對于不同的土層結(jié)構(gòu)，為更好的保證泥漿的性能，需要添加適量的添加劑來改善泥漿得到流動(dòng)性能。

4 結(jié)語

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，市政工程項(xiàng)目越來越多，而在市政工程施工時(shí)不可避免會(huì)對周圍環(huán)境造成一定的影響，為防止管道的鋪設(shè)對周圍環(huán)境以及交通造成影響，可加強(qiáng)水平定向鉆技術(shù)的應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)既能節(jié)省成本，還能提高施工效率，具有推廣價(jià)值。