熱力管道定向穿越施工回拖力計算方法選擇分析

宋發(fā)明

（中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京 101300）

0 引言

水平定向鉆法施工技術(shù)起源于石油鉆井工業(yè)，具有施工進度快、安全性高、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于市政項目中的管線穿越道路、河流和障礙物工程施工[1]。主要施工過程分三個階段：一是根據(jù)設(shè)計軌跡進行導(dǎo)向孔鉆孔；二是沿導(dǎo)向孔進行逐級擴孔；三是回拖管道，完成管道鋪設(shè)[2]。回拖力是確定施工工藝、合理選擇機械設(shè)備的重要基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，因此在施工前必需進行回拖力計算[3]。管道在回拖過程中受力復(fù)雜，回拖力的計算方法也有多種，目前現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范、規(guī)程中主要采用的有凈浮力法、摩擦力法和ASTM法三種計算方法。本文對三種計算方法進行比較分析，從中確定一個相對合理的計算方法。

1 回拖力計算法

1.1 凈浮力法

《水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程》（CECS 382-2014）和《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》（GB 50424-2015）采用凈浮力法計算回拖力[4]。其計算思路是回拖力由管道與孔壁間摩阻力和泥漿對管壁的黏滯阻力構(gòu)成，計算公式如下（未考慮鋼管外有保溫層和保護套管情況，當(dāng)有保溫層和保護套管時需對公式進行調(diào)整）：

式中：

T——回拖力,kN；

D——管道內(nèi)徑,m；

D1——管道外徑,m；

t——管道壁厚,m；

L——穿越長度,m；

f h——管道外壁與孔壁間的摩擦系數(shù)，一般取0.1～0.3；

γm——鉆孔泥漿重力,kN/m3；

γp——管道材料重力,kN/m3，鋼管取78.5 kN/m3；

ωw——穿越段管道在浮力控制時配重,kN/m；

K——孔道內(nèi)泥漿黏滯系數(shù),kN/m2，根據(jù)泥漿黏性大小在0.15～0.35之間取值。

1.2 摩擦力法

《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB 50268-2008）和上海《排水管道定向鉆進敷設(shè)施工及驗收技術(shù)規(guī)范（試行）》采用摩擦力法計算回拖力[5]。公式中回拖力由土體對鉆頭的迎面阻力和孔壁對管道外壁的摩阻力構(gòu)成，計算公式如下：

式中：

P t——回拖力，kN；

P F——擴孔鉆頭迎面阻力，kN；

P1——管道外壁周圍摩阻力，kN；

D k——擴孔鉆頭外徑，m，一般取管道外徑的1.2～1.5倍；

R a——迎面土擠壓力，kPa，在孔道泥漿中黏性土可取50～60kPa，砂性土可取80～100 kPa；

f1——在孔道內(nèi)管道外壁所受平均摩擦力，kN/m2，黏性土可取0.3～0.4kN/m2，砂性土可取0.5～0.7kN/m2。

1.3 ASTM法

《水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程》（CECS 382-2014）中塑料管道采用ASTM法計算回拖力，計算法的理論基礎(chǔ)是阿基米德浮力定律和絞盤效應(yīng)，公式中回拖力由管道與地面、孔壁間的摩阻力和在彎曲狀態(tài)下由絞盤效應(yīng)增加的阻力構(gòu)成。當(dāng)鉆孔無水平方向彎曲的情況時，其典型軌跡由曲線段—直線段—曲線段組成（見圖1）。

圖1 典型鉆孔軌跡示意圖

可采用遞推關(guān)系式計算所需要的回拖力，計算公式如下，回拖力取T A、T B、T C、T D中的最大值。

式中：

T A——管道回拖至A點的回拖力，kN；

T B——管道回拖至B點的回拖力，kN；

T C——管道回拖至C點的回拖力，kN；

T D——管道回拖至D點的回拖力，kN；

L1——管道的附加長度，m；

L2——管道入土端豎向曲線段所對應(yīng)的水平距離，m；

L3——最大埋深處管道水平距離，m；

L4——管道出土端豎向曲線段所對應(yīng)的水平距離，m；

H——管道最大埋深，m；

f g——管道外壁與地面的摩擦系數(shù)，塑料管道可取0.5；

f h——管道外壁與孔壁的摩擦系數(shù)，一般可取0.3；

ωP——管道重力，kN/m；

ωf——在鉆孔泥漿中管道所受凈浮力，kN/m；

α——入土角，rad；

β——出土角，rad。

2 工程實例

以下工程實例均為供熱管道定向穿越施工，需考慮管道保溫層和塑料外護管所受重力和浮力對回拖力的影響，因此凈浮力法計算公式（1.1節(jié)）調(diào)整如下：

1.3節(jié)ASTM法計算公式中管道重力ωP、凈浮力ωf公式如下：

式中：

D wh——外護套管外徑，m；

D s——鋼管道外徑，m；

t wh——外護套管壁厚，m；

γwh——外護套管重力，kN/m3；

γb w——保溫層重力，kN/m3。

2.1 唐山曹妃甸濱海大街至幸福花園段熱力工程

工程供回水管道設(shè)計溫度分別為120/60℃，設(shè)計壓力為1.6MPa，鋼管規(guī)格為D820mm×10mm，外護管采用D960mm×14mm高密度聚乙烯塑料管（γwh=9.55kN/m3），中間保溫層為56mm厚改性聚氨脂泡沫（γb w=0.8kN/m3）。管道穿越唐海路及兩側(cè)池塘，穿越地段地質(zhì)為黏土，穿越段總長L=377m（附加長度L1=24m，L2=188.47m，L3=0m，L4=188.47m），入土角α=5.1°（0.08901弧度），出土角β=5.1°（0.08901弧度），管道最大埋深H=8.4m，最終擴孔鉆頭外徑D k=1.2m，泥漿重度γm=10.8kN/m3，施工中采用注水配重措施控制凈浮力，管道與地面間挖槽注水降低摩阻力。

取管道與孔壁的摩擦系數(shù)f h=0.3、孔道內(nèi)泥漿黏滯系數(shù)K=0.175kN/m2、迎面土擠壓力R a=55kPa、管道外壁平均摩擦阻力f1=0.35kN/m2、管道與地面的摩擦系數(shù)f g=0.35，將上述參數(shù)對應(yīng)代入凈浮力法、摩擦力法和ASTM法公式進行計算，得出的最大回拖力計算值，并與實測值的對比，結(jié)果見表1。

表1 最大回拖力計算值與實測值對比表（一）

2.2 唐山曹妃甸四農(nóng)場一次線熱力工程

工程供回水管道設(shè)計溫度分別為120/60℃，設(shè)計壓力為1.6MPa，鋼管規(guī)格為D426mm×7mm，外護管采用D550mm×8.8mm高密度聚乙烯塑料管（γwh=9.55kN/m3），中間保溫層為53mm厚改性聚氨脂泡沫（γbw=0.8kN/m3）。管道穿越遷曹公路，穿越地段地質(zhì)為黏土，穿越段總長L=231.7m（附加長度L1=24m,L2=115.85m,L3=0m,L4=115.85m），入土角α=7.2°（0.12566弧度），出土角β=7.2°（0.12566弧度），管道最大埋深H=6.3m，最終擴孔鉆頭外徑D k=0.8m，泥漿重度γm=10.8kN/m3，施工中采用注水配重措施控制凈浮力。

取管道與孔壁的摩擦系數(shù)f h=0.3、孔道內(nèi)泥漿黏滯系數(shù)K=0.175kN/m2、迎面土擠壓力R a=55kPa、管道外壁平均摩擦阻力f1=0.35kN/m2、管道與地面的摩擦系數(shù)f g=0.5，將上述參數(shù)對應(yīng)代入凈浮力法、摩擦力法和ASTM法公式進行計算，得出的最大回拖力計算值，并與實測值的對比，結(jié)果見表2。

表2 最大回拖力計算值與實測值對比表（二）

3 比較分析

結(jié)合2.1節(jié)和2.2節(jié)案例工程，根據(jù)表1和表2數(shù)據(jù)，對三種回拖力計算法產(chǎn)生偏差的原因進行分析。

（1）影響回拖力的主要因素有管道受自身重力作用與地面產(chǎn)生的摩阻力、在孔道內(nèi)受凈浮力作用與孔壁產(chǎn)生的摩阻力、在彎曲狀態(tài)下受絞盤效應(yīng)和彎曲效應(yīng)產(chǎn)生的附加應(yīng)力引起的管道與孔壁的摩阻力、孔道內(nèi)泥漿對管壁的黏滯阻力、管端流體動阻力以及所受凈浮力，其中管道與地面和孔壁的摩阻力是影響回拖力大小的重要因素[6]。不同的回拖力計算法考慮的影響因素不盡相同，計算結(jié)果間的差異也較大。

（2）凈浮力法公式中回拖力由管道與孔壁的摩阻力和泥漿黏滯阻力構(gòu)成，計算得出的最大回拖力明顯小于實測值，主要原因是忽略了管道與地面的摩阻力[7]。熱力管道鋼管外設(shè)有輕質(zhì)保溫層，在回拖過程中常采取配重措施控制凈浮力，以減小管道與孔壁的摩阻力。以2.1節(jié)工程實例為例，注水配重后管道所受凈浮力僅為自重的9.4%，管道與地面的摩阻力遠大于與孔壁的摩阻力，最終導(dǎo)致計算結(jié)果比實測值明顯偏小。在地面摩阻力大于孔壁摩阻力前提下，偏差值大小與每米管道所受凈浮力和重力的比值（ωf/ωP）成反比，與穿越段管道長度（L）成正比。

（3）摩擦力法考慮的是管道和孔壁的摩阻力和擴孔鉆頭迎面阻力，最大回拖力計算結(jié)果與實測值相比數(shù)值較大，原因是公式構(gòu)建的力學(xué)模型認(rèn)為在孔內(nèi)管道外壁四周受相同的單位阻力，管道外壁全部與孔壁接觸，沒有考慮泥漿的減阻作用[8]。另外公式中還計算了擴孔鉆頭迎面阻力，實際施工時孔道的直徑一般擴至管道外徑的1.2～1.5倍，經(jīng)清孔后，在回拖過程中鉆頭前堆積的沉渣很少，所受的迎面阻力小到幾乎可以忽略不計。

（4）ASTM法考慮了管道與地面和孔壁的摩阻力、絞盤效應(yīng)力和凈浮力對回拖力的影響，最大回拖力計算值與實測值的偏差相比凈浮力法和摩擦力法都小，但數(shù)值也偏低，其主要原因是實際施工時的穿越軌跡不可能是理想的設(shè)計軌跡，有時會出現(xiàn)多個拐點，實際存在的絞盤效應(yīng)力通常比計算值偏大。

4 結(jié)束語

本文依據(jù)工程實例的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別采用凈浮力法、摩擦力法和ASTM法計算最大回拖力，通過對計算值和實測值的比較分析得出結(jié)論如下：

（1）管道在回拖過程中受力復(fù)雜，至今尚未有與其工況相吻合的力學(xué)模型公式，上述三種計算方法的計算結(jié)果均為估算值。公式中都涉及一些經(jīng)驗參數(shù)，其中最重要的是摩擦系數(shù)，合理確定這些參數(shù)的取值，能夠有效降低計算偏差。

（2）施工中穿越軌跡與設(shè)計軌跡存在偏差，可能存在多個拐點，孔壁沒有設(shè)想的穩(wěn)定順滑，可能存在局部縮徑、小范圍塌孔情況，受施工場地所限時在地面擺放的管道軸線與穿越軌跡可能存在水平夾角，這些因素都會導(dǎo)致回拖力增大，為保證工程順利施工，一般按回拖力計算值的1.5～3.0倍選取水平定向鉆機型號。

（3）熱力管道鋼管外設(shè)有輕質(zhì)保溫層，在孔內(nèi)所受浮力大于同直徑鋼管，施工中宜采取配重措施控制凈浮力，尤其是大孔徑管道，可有效減小回拖力。

（4）ASTM法采用逐點遞推的計算模型比較吻合管道的實際受力狀態(tài)，對影響回拖力的因素考慮得較充分，在三種方法中計算值與實測值偏差最小，推薦在熱力管道定向穿越施工時用此方法計算回拖力。