非開挖水平定向鉆拉管施工技術的應用

王永軍，劉大偉，孫 浩，張 禹

(中鐵四局集團第一工程有限公司,安徽 合肥 230000)

隨著我國城市化戰略目標的接力推進,市政工程相應技術持續完善,給排水管網系統建造正在不斷優化[1]。管網系統的施工方法一般為傳統的開槽埋管,即先根據地質條件開槽放坡,澆筑墊層后鋪設預定管道,此工法的弊端在于存在障礙物時施工難度極大,影響正常的施工進度,同時會影響環境以及正常的居民生活。因此,給排水管道穿越障礙物施工中,非開挖水平定向鉆拉管工法廣泛發展,有效解決了開槽埋管的弊端問題。本文對非開挖水平定向鉆拉管技術的要點進行了全面總結分析,為市政管道管線工程提供一定參考[2]。

1 非開挖水平定向鉆拉管施工概述

非開挖水平定向鉆拉管施工設備主要包括定向鉆機、定位與導向儀器、鉆具和鉆桿等,施工前先進行地質、水文、地下管線及建筑物的勘測,根據工程勘測結果計算回托力、選擇鉆機型號,開挖工作井,設置出土角、入土角,預定軌跡后利用導向系統和鉆桿確定施工最終導向,導向孔完成后選擇合適的泥漿配比,在出土點反向回拉擴孔,擴孔直徑不宜過大或過小,若地質條件不良時應分級擴孔,待所有管道焊接完畢后,一次將管道回托完成。拉管施工技術的優越性主要在于:1)對環境影響小,有利于管線保護;2)保證居民及交通等正常進行;3)施工周期短,可預測短期施工計劃;4)維修費用低。

2 非開挖水平定向鉆拉管施工要點

2.1 前期勘測

前期勘測是整個拉管施工中的決定性因素,與后期的工作井放坡、預定軌跡、鉆液和泥漿配比息息相關?，F場勘探需要注意的有:障礙物類型及平面長度,主要用于計算出入土角角度[3];勘探孔的布置,一般勘探孔的深度為設計標高以下3 m～5 m,若遇不良地質時,勘探孔深度應當適宜增加,勘探孔間距根據實際地質條件的復雜程度設置;確定影響導向系統探測的干擾源因素,以便后期選擇合適的導向設備。

2.2 導向施工

2.2.1 導向設備選取

最常用的導向施工設備包括無纜式地表定位與導向系統和有纜式定位與導向系統。無纜式地表定位與導向系統主要通過安裝在鉆頭后的發射器傳遞信號給手持式跟蹤接收器實現定位導向,一般用于跟蹤距離不超過10 m且鉆孔深度不超過21 m的導向施工,此設備在使用過程中須避免附近干擾源。一般在有干擾源存在的現場,采用有纜式定位與導向系統,此系統通過連續纜線直接與計算機連接,從而控制施工軌跡,不受干擾源、鉆孔距離和深度的影響[4]。

2.2.2 平面傾角選定

在大多數拉管穿越工程中,一般出、入土角可在8°～30°之間取值,出土角過小會導致覆土深度較小,在拉管導向中往往鉆桿會翹出地面,影響施工;出土角過大則會增大上覆土重[5],不利于施工。針對管徑較大的管材,由于其壁厚相對較大,不宜發生彎曲,其具有入、出土角相對較小,覆土深度較深,工作井距障礙物較遠等特點;針對管徑較小的管材,平面傾角較大,工作井距障礙物的距離較近。一般情況下,若要縮小工作井距障礙物的距離,可采取增大出、入土角角度等措施[6]。

2.2.3 導向軌跡設定

一般常用的導向軌跡有兩種,一是“斜直線-曲線-直線-曲線-斜直線”,二是“曲線段”,分別見圖1,圖2拉管施工導向孔軌跡圖。前者軌跡存在斜直線段,適用于管材壁厚較大且不宜彎曲(即管徑較大),后者全部由造斜段組成,其覆土深度相對較小,適應于管徑較小的管材[7]。

為進一步探索“斜直線-曲線-直線-曲線-斜直線”鉆孔軌跡入土點距障礙物的長度以及入土角角度的關系,通過幾何運算,推導結果如下:

拉管出、入土點距障礙物端點距離公式(假定出、入土角相等):

反求入、出土角公式:

其中,H為管底覆土深度(穿越障礙物為河流時,覆土深度按延伸至地表計算),最小覆土深度一般大于鉆孔最終擴孔直徑的6倍以上;N為鉆桿;L為拉管總長度;數值上等于AN;A為鉆桿長度,一般取3 m,按照現場實際情況取值;X為障礙物總長;D為管材外徑;R為曲率半徑。

基于數學課程標準的國際比較研究，近年來國內曹一鳴教授、史寧中教授領銜的團隊均有較為深入的研究．其中，曹一鳴團隊圍繞不同階段（尤其是高中階段）數學課程標準內容分布、理念目標、不同知識單元廣度深度等方面進行了一系列的探討[8-16]；史寧中團隊主要針對高中階段數學課程標準教育理念、主要內容、呈現方式、廣度深度等方面進行了一系列的分析[17-19]．

造斜段須考慮曲率半徑R,其取值可根據CECS 382:2014水平定向鉆法管道穿越工程技術規程:不同管徑選定,一般為利于鋪管,最小曲率半徑應盡可能大,可按下列經驗公式取值:

Rmin=206·D·S/K2。

其中,D為管材外徑,mm;S為安全系數,S=1～2;K2為管材的屈服極限,N/mm2。

2.2.4 鉆機的選型

針對定向鉆機而言,其主要參數包含回轉扭矩、回托力。一般的鉆機選型需要考慮以下幾點條件:1)根據管道鋪設長度、曲率半徑等因素計算施工所需的回轉扭矩和回托力;2)綜合考慮現場條件,如電力系統、現場水源、交通條件等問題,以便于選擇適合于現場施工的定向鉆機。

根據CECS 382:2014水平定向鉆法管道穿越工程技術規程要求,在拉管回托過程中,管材所能承受的最大回托力為:

其中,F為管道所承受的最大回托力;D1為管道外徑,mm;D為管道內徑,mm;N為安全系數,給水管道一般取2.0;σ為管材的屈服強度。

2.3 泥漿配比

在非開挖水平定向鉆拉管施工中,泥漿扮演舉足輕重的角色,常用于鉆進液和擴孔中。目前,常用的泥漿為水基泥漿,由水、膨潤土、堿性材料(純堿)和添加劑(提黏劑、堵漏劑等)按照一定比例配制而成,具有冷卻、潤滑鉆頭和管道,軟化地層,攜帶砂石碎屑,穩定孔壁等特點。在配置泥漿過程中,要嚴格把控水源質量和膨潤土添加量,合格泥漿的檢驗標準為在配比結束后,泥漿呈現絮狀懸浮則為優良配比,若沉淀較多或輕浮于表面則配比不合格,容易造成卡鉆、塌方等現象。

2.4 回拉擴孔

在實際現場中,擴孔直徑不宜過大或過小。若擴孔直徑過大,注漿量大,施工成本增加,且容易造成塌方;若擴孔直徑較小,泥漿無法及時排除,容易出現“抱管”現象。

2.5 管道焊接

由于聚乙烯管(PE管)具有連接可靠、抗沖擊性能優越、抗應力開裂性強、水流阻力小、可撓性、無毒、耐磨耐腐蝕耐老化等特性,在具體拉管施工中大多數采用PE管。

1)冷卻時間控制。PE管焊接首先將兩根管材固定在熱熔機設備上,用刀具將兩根管材削平、修整,用抹布將焊接部分20 cm范圍內的管口擦拭干凈,將熱熔板夾至兩根管道之間[9],須保證熱熔溫度達到210 ℃～230 ℃左右,之后快速卸下熱熔板,以指定壓力推進管道促使連接,待達到規定冷卻時間后開始卸壓,并進行下一節管道焊接。

一般PE管(SDR11)的冷卻時間見表1。

表1 PE管焊接冷卻時間及推動壓力表

PE管熱熔焊接過程中會在管節連接處待冷卻后產生凸起部分(即焊縫),此部分一般大于0.1×壁厚+0.5 mm視為合格,在實際施工中,為減小拉管回托中的摩擦阻力,熱熔管材冷卻后一般將此部分削平,在整個焊接過程中,為使管節連接緊密,須做好固定以及防塵工作。

2)焊接時間控制。PE管總焊接時間是卷邊凸起規定高度所需時間、吸熱時間、切換時間、對接時間和冷卻時間的總和。切換時間即為迅速取下熱熔板的時間,增壓時間為卸載熱熔板后以指定壓力推進管節相接的時間,吸熱時間一般為管道壁厚×10,其中管道壁厚以mm計,在實際施工現場,主要采取控制吸熱時間來控制管道焊接時間[10]。

2.6 拉管回托

擴孔和焊接完成后,進行最后一項關鍵程序:拉管回托。回托前,在出土點鉆桿頭部使用拉鉤和單動接頭或擴孔器,單動接頭主要用于防止管道回轉,避免在回托過程中管道發生扭轉破壞,擴孔器可以確保鉆孔暢通。一般在實際非開挖水平定向鉆拉管施工中,出、入土點工作井布滿泥漿,確保了整個工作面的潤滑,避免“抱管”“卡鉆”等情況發生[11]。

拉管回托需要注意的事項:一是必須在管道頭部連接錐形鉆頭,防止泥漿、砂石進入管道,增加后期沖洗任務量;二是整個回托須勻速,且時刻關注回托壓力[12]。

3 結語

非開挖水平定向鉆拉管施工結合傳統道路鉆孔以及煤礦油田鉆進技術,目前該項技術愈發成熟,主要用于穿越河流、樹林、道路和大棚等障礙物類型,本文通過對拉管施工中的前期勘測、導向設備選取、平面傾角選定、導向軌跡設定、泥漿配比、回拉擴孔、管道焊接和拉管回托等程序和要點的論述為現場施工提供了可靠的施工方案。