非開挖水平定向拖拉法在公路隧道工程中的應用

邱成虎

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅蘭州 730030）

0 引言

非開挖水平定向拖拉管法采用導向鉆進、分級回擴和管道回拖等施工技術，隨著施工精度上的改善和施工水平的提高，在油氣、市政、電力、水利和通訊行業廣泛應用[1-2]。但截至目前，非開挖水平定向拖拉管法在公路隧道中應用的案例鮮有。

1 非定向拖拉管法應用

1.1 設計參數

1.1.1 排水管采用雙管嵌套，采用電熱熔焊接，外管管徑為DN350mm，管材為PE 管，壁厚28.6mm，上半斷面打孔，孔徑為12mm，孔間距為100mm，梅花形布置，管孔眼處采用棕絲進行封堵，防止垃圾、泥漿溢流到管道內，保證其過濾性和透水性。內套管管徑為DN200mm，管材為HDPE 管，壁厚15mm，上半斷面打孔，孔徑為12mm，孔間距為100mm，梅花形布置，包裹雙層20kN/m 無紡布，防止DN350mm 管壁泥沙、泥水滲入DN200mm 套管內流失，見圖1。

圖1 管材斷面圖

管節長度6～9m，每隔3m 設一處限位支架，管材拼接采用熱熔接。回拖管與仰拱底凈距為0.10m，縱坡與隧道相同，見圖2。

圖2 隧道斷面圖

1.1.2 隧道工作井尺寸為4m（縱）×1.5m（橫）×2.5m（深），工作井邊緣打設φ108×6mm 微膨脹混凝土鋼管樁支護，鋼管樁間距0.5m/根，樁長5m，采用水泵抽排降水，抽排的地下水集中排出洞外。

1.2 軌跡設計

定向鉆孔軌跡的設計主要考慮管道頂部結構層厚度、成品管材的類型、入（出）土角和管線的曲率半徑等，見圖3。

圖3 水平定向鉆進曲線圖

其一，造斜段曲率半徑R。

式（1）～式（2）中：E為管材彈性模量,MPa；D為管材外徑,cm；δ為管材彎曲強度,MPa。

根據工程實踐經驗，一般情況下鉆桿的曲率半徑R 鉆為鉆桿外徑的1200倍[3]。

造斜段曲率半徑R=max{RPE，RHDPE，R 鉆}。

其二，造斜段水平距離L1和入（出）土角α。

式（3）～式（4）中：H0為入土高程（埋深），m，H0=結構層厚度+0.1；R為造斜段曲率半徑，m。

其三，高程（埋深）。

式（5）中：H0為入土高程（埋深），m，H0=結構厚+0.1；Hi為任意點高程（埋深），m；i為隧道縱坡；Li為任意點至入土點的水平距離，m。

1.3 施工工序

非開挖定向拖拉法的施工工序如圖4 所示。

圖4 施工工序圖

2 施工技術

2.1 施工要點

2.1.1 定位放線

（1）放樣鉆機安裝位置線、管道兩端的具體軸線位置及標高，在入（出）土點間軸線上每隔5～10m 做好標記。

（2）控制放樣誤差，入（出）土點位置左右誤差小于2cm，沿管線軸方向誤差小于4cm，鉆機布置位置必須同管道軸線方向一致，左右誤差小于3cm。

2.1.2 泥漿配制

（1）配置一級膨潤土泥漿，配置時使膨潤土有足夠的水化時間確保泥漿的性能，并通過泥漿循環池使用，妥善處理剩余泥漿。

（2）導向鉆進、擴孔及回拖時，及時向孔內注入泥漿，監測泥漿的壓力和流量。

2.1.3 導向鉆進

（1）鉆機安裝后進行試運轉，確定各部分運轉正常后方可鉆進。

（2）鉆進時，嚴格控制鉆進給進力和鉆進方向，同時控制鉆進速度確保勻速鉆進。

（3）在施工過程中，詳細記錄鉆進過程中的扭矩、推力、泥漿流量、泥漿壓力和方向改變量等關鍵參數。

2.1.4 分級反擴成孔、清孔

（1）合理選擇擴孔方式，分次擴孔時每次回擴的級差宜控制在100～150mm，終孔孔徑宜控制在回拖管節外徑的1.2～1.5 倍。

（2）從出土點向入土點回擴，擴孔器與鉆桿連接應牢固，以防止回擴過程中發生脫扣；擴孔后及時進行回拖管道施工。

（3）根據不同地層地質情況以及現場出漿狀況，確定回擴過程中回擴速度和泥漿壓力，確保成孔質量。

（4）擴孔作業施工完成后，進行清孔作業，使孔壁光滑，防止拖管期間孔洞塌方。

2.1.5 管道回拖

（1）回拖前，確保擴孔后孔內有充足泥漿起到護壁潤滑作用，減少管材與孔壁的摩擦阻力。檢查鉆機是否正常，噴泥漿頭是否順暢，管道連接是否牢固、安全、密封。

（2）嚴格控制轉速、回拉力、泥漿壓力和流量等參數，確保成孔穩定、線形順直，無坍孔、縮孔等現象，回拖保持平穩勻速。

（3）采用高黏度泥漿，合理添加外加劑，減少回轉時的阻力，減少鉆機工作負載。

（4）配備發送裝置，避免管段與地面直接接觸，減小摩擦力。

2.1.6 質量控制要點

質量控制項目主要有：管材質量、接口、泥漿、鉆進、擴孔和回拖等項目。檢查項目及檢查方法，如表1所示。

表1 檢查項目及檢查方法

2.2 問題分析

2.2.1 塌孔

產生原因：在導向鉆進及分級擴挖的過程中，由于地層結構本身穩定性較差、泥漿壓力不足、導向孔曲率半徑較小、擴孔速度過快等因素導致塌孔現象。

解決措施：一是增強泥漿壓力，使其與地層壓力保持平衡狀態，確保泥漿壓力不小于巖土孔隙壓力；二是增大泥漿的密度，減少泥漿中水分滲入巖土層或孔壁四周的水滲入稀釋泥漿；三是合理調整開關泵的工作頻率，控制鉆進速度，確保鉆桿保持在恒定張力下作業；四是合理控制泥漿密度與流變性能，確保泥漿呈平板流型狀態。

2.2.2 導向偏位

產生原因：在導向過程中遇到障礙物、信號干擾。

解決措施：一是分析確定障礙物位置，清除障礙；二是分析原因，避開干擾；三是保持鉆頭正確姿態，發生偏差及時采用小角度逐步糾偏。

2.2.3 泥漿泄露

產生原因：在地下水豐富地層，泥漿易隨地下水流失；在濕陷性黃土、粉土、砂土中，顆粒間孔隙較大，當觸變泥漿黏度較低，稠度較小時，泥漿易擴散流失；鉆進過程中注漿壓力過大、鉆進過快造成泥漿擴散流失。

解決措施：一是結合施工階段合理調整泥漿黏度，合理控制注漿壓力；二是遇特殊地質，如地下水豐富、粉（砂）土等，采用預注漿固結；三是加強泥漿黏度監測。

3 公路隧道非開挖水平定向拖拉法造價分析

由于目前部頒公路工程概預算定額無非開挖管線回拖定額子目。為方便非水平定向拖拉法在公路工程中的應用，此次對比分析結合各省發布的市政工程定額進行研究。為消除干擾因素，取費統一執行公路工程編制辦法，人工、材料及機械單價計算規則保持一致；人、材、機消耗除考慮洞內工程項目采用其他章節定額時人工、機械臺班及小型機具消耗在原定額消耗基礎上乘以1.26 的系數外，其余維持原定額消耗系數，詳見表2。

表2 采用部分省市政定額對比分析

表3 中各省份定額均為小型定向鉆、短距離穿越定額，穿越長度選取定額中間值200m 進行對比分析，集中趨勢趨于1835 元/m。根據中國地質學會非開挖技術委員會發布的《水平定向鉆進施工定額》中設備運輸安裝調試及拆卸、導向管鉆進、短距離擴孔鉆進、管線回拖單價，考慮地層難度取費系數后與此次單價分析結果基本一致。因各地非開挖水平定向拖拉法普及程度不同，實際工程中因地域不同價格存在差異，在使用時可根據項目特征按當地市場價格調整。

表3 采用部分省份市政定額單價分析 單位：元

4 結語

本文采用非開挖水平定向拖拉法在隧道底部增設縱向排水溝，明確設計參數和導向鉆進軌跡，制定施工工序，在此基礎上分析存在問題和造價，該方法為隧道疏通排水提供了一種新思路，優勢明顯、實用性強，具備廣闊的推廣與應用前景，可為類似工程提供借鑒。