球墨鑄鐵管水平定向鉆技術(shù)在供水工程中的應(yīng)用

陳登旭CHEN Deng-xu

（合肥供水集團(tuán)有限公司，合肥 230000）

0 引言

城市供水工程與居民的日常生活緊密相連。隨著城市化的持續(xù)發(fā)展和加速，這一關(guān)系變得更加重要，人們對(duì)供水需求也在日益提升，建設(shè)市政供水工程的力度也不斷加大。傳統(tǒng)的明挖施工在實(shí)際施工過(guò)程中會(huì)對(duì)城市的正常運(yùn)行造成影響，并且在復(fù)雜的地下管網(wǎng)環(huán)境下，施工質(zhì)量控制難度大。此外，國(guó)家還規(guī)定新建道路5 年內(nèi)不允許開(kāi)挖，改造道路3 年內(nèi)不許開(kāi)挖且施工過(guò)程中還需要進(jìn)行交通管制，給城市交通帶來(lái)不便。為了解決這些問(wèn)題，水平定向鉆施工技術(shù)被引入。水平定向鉆施工技術(shù)的引入有效地避免了對(duì)周邊環(huán)境和交通的影響。通過(guò)水平定向鉆進(jìn)，施工可以在不破壞地面和地下管道的情況下進(jìn)行，避免了對(duì)城市正常運(yùn)行的干擾。

1 水平定向鉆施工技術(shù)概述

水平定向鉆施工技術(shù)是在不具備開(kāi)挖溝槽條件下，采用管道形成弧線實(shí)現(xiàn)地下穿越，用以鋪設(shè)流體輸送的管道的施工方式[1]。水平定向鉆施工技術(shù)在城鎮(zhèn)供水工程中具有高度實(shí)用性，并相比傳統(tǒng)的明挖施工方法具有明顯的應(yīng)用價(jià)值。

1.1 加快施工進(jìn)度

市政供水管道施工中常常需要在城市道路上進(jìn)行施工，經(jīng)常會(huì)面臨在現(xiàn)有道路上進(jìn)行施工的困難，一方面需要對(duì)現(xiàn)狀道路進(jìn)行明挖，然后方可施工，造成交通擁堵，施工效率低。另一方面施工可能會(huì)遇到相關(guān)拆遷問(wèn)題，導(dǎo)致施工無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。水平定向鉆施工技術(shù)占地面積小，施工受外界條件約束低，提高了施工效率，縮短了整體施工周期。

1.2 對(duì)周邊居民影響小

市政供水工程通常位于人口稠密且交通繁忙的城市地帶。傳統(tǒng)的建設(shè)方式是使用圍擋進(jìn)行開(kāi)放式挖掘，這種方法在施工過(guò)程中可能會(huì)對(duì)周邊擾動(dòng)大、影響周邊居民生活。然而，采用水平定向鉆技術(shù)可以有效地避免這些問(wèn)題。這種技術(shù)主要在地下進(jìn)行施工，對(duì)地上的構(gòu)筑物和地方的交通的干擾小，施工環(huán)境相對(duì)較為封閉，施工過(guò)程中消音、占地面積少，不采取“拉鏈?zhǔn)健笔┕?，有利于揚(yáng)塵治理，所以對(duì)周邊環(huán)境和城市居民影響小。

1.3 適用范圍廣

水平定向鉆施工在人口密度較大的城市、穿越河流區(qū)域、植被綠化保護(hù)區(qū)域、交通流量大的區(qū)域較傳統(tǒng)施工方法具有更大的適用性[2]。在繁華都市，水平定向鉆施工場(chǎng)地選擇靈活、便捷，占地少，施工成本低，對(duì)附近的管線和環(huán)境造成的影響都很小，城市交通可正常運(yùn)行。在河流、特殊植被保護(hù)區(qū)域，水平定向鉆施工區(qū)域小、植被破壞率低，適應(yīng)性強(qiáng)，能繞開(kāi)地下障礙物進(jìn)行施工，最大程度保留原有的地勢(shì)、地貌。尤其應(yīng)用于長(zhǎng)距離輸送管道上。此外，水平定向鉆施工技術(shù)在交通流量大的繁華都市中也更加適用。相較明挖等傳統(tǒng)施工模式，可降低對(duì)現(xiàn)狀道路的影響，確保道路的正常通行，施工附近噪音小，不影響周邊居民生活。最后，該技術(shù)往長(zhǎng)距離、大口徑方向發(fā)展，被認(rèn)為未來(lái)最有發(fā)展?jié)摿Φ墓芫W(wǎng)施工技術(shù)。

2 工程概況

文章選取項(xiàng)目為廬州大道DN600 供水管道過(guò)十五里河采用定向鉆施工，長(zhǎng)約290m。該給水管位于廬州大道與十五里河交口東側(cè)，給水管位于廬州大道與十五里河交口東側(cè)，給水管管材選取一根DN600 自錨式球墨鑄鐵管，壁厚等級(jí)為K9 級(jí)，管道外徑為De635mm，承口外徑D1738mm，最大偏轉(zhuǎn)角度2°，最小曲率半徑169m，最大允許拖拉力1140kN。單支管道有效長(zhǎng)度為5.9m，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 13295。管道水壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)壓力為0.8MPa，外防腐涂層為金屬鋅+200um 灰色環(huán)氧樹(shù)脂涂層，內(nèi)襯采用符合GB/T 17457 要求的普通硅酸鹽水泥砂漿內(nèi)襯，本次回拉力設(shè)計(jì)值：360kN（參考值）。

在球管各個(gè)承口部分采取以下兩種防護(hù)措施。一是增設(shè)熱縮套，二是金屬套保護(hù)裝置。主要作用是防止泥漿進(jìn)入接口間隙，影響管道水壓試驗(yàn)。另球墨鑄鐵管外防腐層應(yīng)滿足設(shè)計(jì)文件的技術(shù)要求。通過(guò)調(diào)查和物探單位探測(cè)，位于十五里河北側(cè)有一道DN1600 污水管，管底標(biāo)高10.33m。管道入土點(diǎn)坐標(biāo)X：3515673.127，Y：528071.778；管道出土點(diǎn)坐標(biāo)X：3515386.412，Y：528071.791，穿越管道中心線埋深為14.59m，水平段總長(zhǎng)度76.67m，曲線段總長(zhǎng)度211.61m，穿越入土角為12°，出土角為12°。主要穿越地層為素填土、黏土，適合選用球墨鑄鐵管。具體的地質(zhì)勘察報(bào)告見(jiàn)表1。

表1 擬建場(chǎng)地地質(zhì)分布

表2 軌跡計(jì)算條件

表3 軌跡計(jì)算結(jié)果

3 供水工程中水平定向鉆穿越技術(shù)施工要點(diǎn)

3.1 軌跡設(shè)計(jì)

先導(dǎo)孔軌跡設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是確定各項(xiàng)軌跡參數(shù)，典型的先導(dǎo)孔軌跡設(shè)計(jì)見(jiàn)先導(dǎo)孔軌跡中各參數(shù)計(jì)算見(jiàn)公式計(jì)算先導(dǎo)孔軌跡參數(shù)[3]。

圖1 定向鉆穿越示意圖

TA：A 點(diǎn)處所承受的回拖力（kN）；

TB：B 點(diǎn)處所承受的回拖力（kN）；

TC：C 點(diǎn)處所承受的回拖力（kN）；

TD：D 點(diǎn)處所承受的回拖力（kN）；

Th：泥漿對(duì)管道穿越的阻力（kN）；

q：鉆孔內(nèi)泥漿壓力，一般取5～10（kN/m2）；

P0：?jiǎn)挝还艿乐亓浚╧N）；

Pf：泥漿產(chǎn)生的浮力（kN）；

L1：穿越管道的附加長(zhǎng)度（m）；

L2：A 到點(diǎn)B 的水平距離（m）；

L3：B 到點(diǎn)C 的水平長(zhǎng)度（m）；

L4：C 到點(diǎn)D 的水平距離（m）；

H1：入土端的最大埋深（m）；

H2：管道出土端深度（m）；

μa：球管與地表面的摩擦系數(shù)，一般取值0.15～0.20；

μb：球管與孔壁之間的摩擦系數(shù)，一般取值0.20～0.30；

α：管道入土角（rad）；

β：管道出土角（rad）。

3.2 先導(dǎo)孔鉆進(jìn)

近年來(lái)，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(wèn)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(duì)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(guò)程中方向控制的準(zhǔn)確，具體來(lái)說(shuō)導(dǎo)向孔施工期間，將建立穿越曲線數(shù)據(jù)庫(kù)，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。（圖2）

圖2 導(dǎo)向孔施工

圖4 接口防護(hù)

3.3 回拉擴(kuò)孔

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(lái)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(lái)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900mm，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)分析綜合考量來(lái)看，最終擴(kuò)孔要達(dá)到900mm。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。

3.4 管道安裝

首先對(duì)管道承口進(jìn)行清潔處理，將其所有的附著物，如泥土、砂石等全部鏟除，再進(jìn)行橡膠圈的清潔、然后將膠圈裝入承口槽內(nèi)[4]。其次分別對(duì)球管承口膠圈內(nèi)表面、插口外表面涂刷潤(rùn)滑劑，最后將管道插口推入承口、完成管道安裝。安裝過(guò)程必須報(bào)驗(yàn)，經(jīng)監(jiān)理單位核查無(wú)誤后，方可進(jìn)入下一道工序。

3.5 接口防護(hù)

承口部分按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行防護(hù)，主要采取兩種措施，一是增設(shè)熱縮套，二是采用金屬套保護(hù)裝置，避免管道在拖動(dòng)過(guò)程中，泥漿進(jìn)入接口間隙，減少拖動(dòng)阻力。

3.6 回拖前試壓試驗(yàn)

供水管道在安裝完畢后，必須進(jìn)行水壓試驗(yàn)驗(yàn)收，因此在回拉鋪管前，應(yīng)在地面進(jìn)行管道預(yù)試壓驗(yàn)收，檢查管道連接處是否存在漏水現(xiàn)象，確保接口安裝質(zhì)量，具體操作步驟如下：在管道首尾部安裝球法蘭，連接好打壓裝置及壓力表，在管道充滿水后，根據(jù)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試壓驗(yàn)收。

3.7 回拖鋪管

管道的回拖工作是通過(guò)管道與鉆孔相連接，將管道從一端回拖至另一端[5]。一般情況下在管道下溝前先放入一些水，目的是使得管道受到阻力大大減小，從而降低回拖力同時(shí)對(duì)管道的防腐層進(jìn)行保護(hù)，因此在放入管道前，要派專(zhuān)業(yè)的人員對(duì)管道進(jìn)行檢查，以此來(lái)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(lái)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?rùn)滑劑來(lái)保證管道可順利穿過(guò)鉆孔。另外在回拖的過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生一部分的泥漿，這些泥漿也要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的處理，以保證不會(huì)對(duì)周?chē)沫h(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。（圖5）

圖5 管道回拖施工

3.8 消毒沖洗

管道回拖完畢后，及時(shí)對(duì)管道進(jìn)行消毒沖洗，清潔沖洗至出水口水樣濁度小于3NTU 為止。此項(xiàng)指標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)，合格后停止沖洗，清潔沖洗合格后，施工單位按審批后的方案投加次氯酸鈉消毒液，浸泡24 小時(shí)后，隨即進(jìn)行管道消毒沖洗，管道消毒沖洗的合格標(biāo)準(zhǔn)是濁度小于1NTU。

4 總結(jié)

球墨鑄鐵管繼承了灰口鑄鐵的耐腐蝕性性能，機(jī)械性能指標(biāo)與碳鋼管管相當(dāng)，另外還具備強(qiáng)度高、抗內(nèi)外壓能力等特點(diǎn)。球墨鑄鐵管在水平定向鉆技術(shù)上使用，是供水管道施工的一種新的嘗試。在本工程施工過(guò)程中，不僅不會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境造成影響，而且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，另球墨鑄鐵管具備耐腐蝕性，抗內(nèi)外壓力強(qiáng)度高等特點(diǎn)，使用壽命周期長(zhǎng)，施工又快捷，為大口徑供水管道水平定向鉆技術(shù)做出了成功示范?？偠灾?，球墨鑄鐵管水平定向鉆在供水工程中的應(yīng)用既能節(jié)省施工成本，又能提高施工效率，在實(shí)際施工中具有很強(qiáng)的應(yīng)用性。