福州市政工程管理處 黃丙權(quán)

1 工程概況

應(yīng)用水平定向鉆鋪設(shè)地下管線（下稱：定向鉆鋪管）是近年來發(fā)展起來的一種鋪設(shè)地下管線的新技術(shù)、新工藝。該技術(shù)工藝徹底改變了傳統(tǒng)應(yīng)用人工開挖溝槽鋪設(shè)地下管線的單一鋪管施工作業(yè)方法，是地下管線鋪設(shè)施工的一場技術(shù)革命。定向鉆鋪管施工主要工序：①穿越路由放線定測、②導(dǎo)向孔軌跡及鉆具出入土角確定、③工作坑開挖、④泥漿配制、⑤導(dǎo)向孔施工、⑥導(dǎo)向孔擴大和洗孔、⑦管道回拉就位。定向鉆鋪設(shè)陽岐河污水管道工程屬福州市重點工程項目。陽岐河位于福州市南面郊區(qū)蓋山鎮(zhèn)陽岐村。鋪設(shè)管道為管徑500mm，管材壁厚29.7mm,設(shè)計壓力0.1MPa，定向鋪管長度260m，管道埋深要求在河床深度4.0m以下。2009年10月23日設(shè)備進場開始施工，10月28日完成管道回拖就位任務(wù)。施工歷時6天。

1.1 穿越工程地貌及地質(zhì)

地貌狀態(tài)屬福州斷陷盆地西南角沖擊平原。陽岐河呈東西流向，“U”字型河谷上建有陽岐橋，河水呈季節(jié)性變化，平均水位在-2.8m左右，陽岐河面寬30m，河床底標(biāo)高-4.3m，河的南北兩側(cè)地形受人工改造弱顯起伏。參見圖1、圖2所示。

本工程沒有鉆探取芯資料。從周邊群眾宅基打樁及穿越工程開挖工作坑揭露的地層在地表下10m范圍內(nèi)為第四系淺海沉積的粘土夾少量細砂質(zhì)透鏡體組成，地層單一，且穩(wěn)定，很適合定向鉆鋪管施工。地表為耕植土。

粘土：灰黑色，質(zhì)純，濕，切面光滑，可塑，含少量有機質(zhì)，且有滑膩感。

細砂透鏡體：灰白色，含較多的細小白云母碎片，濕，較松散，遇水液化。

1.2 工程特點

（1）工程地質(zhì)條件好，有利于穿越鋪管工程施工。粘土層中雖夾有少量細砂質(zhì)透鏡體，但粘土的粘結(jié)力很強，可塑性好，不易塌孔，成孔性能好。

（2）穿越工程需占用當(dāng)?shù)厝罕姷牡缆泛蛿M建房屋用地，現(xiàn)場協(xié)調(diào)工作十分困難。

（3）施工地點屬較偏僻的郊區(qū)村落，周邊民宅緊密，道路運輸和放置鉆機設(shè)備的場地都受到限制，鋪管工程只能采用小型定向鉆機進場施工（鉆機給進與回拉能力在50t以內(nèi)，稱小型鉆機）。

（4）鋪管施工單位為福建東辰市政工程有限公司，該公司是福建省最早從事定向鋪管的施工企業(yè)。施工設(shè)備、人員素質(zhì)和施工經(jīng)驗在省內(nèi)都是一流的。但使用小型鋪管鉆機鋪設(shè)長度260m，管徑500mm的PE管道還是第一次。因此，每一工序都必須準(zhǔn)備充分、精心施工。建設(shè)和監(jiān)理單位都十分關(guān)注。

2 定向鋪管鉆機選擇

計算時，有關(guān)技術(shù)參數(shù)取保守值。先計算管道回拉就位時鋪管鉆機應(yīng)具備的力量，然后選擇定向鉆機的類型（噸位）進場施工。

其中：F——計算回拉力（t）；

L——鋪管長度，為260m；

f——摩擦系數(shù)，為0.3；

D——管道直徑，為0.500m；

γ——泥漿密度，為1.2；

δ——管道壁厚，為0.297m；

k——粘滯系數(shù)，為0.03。

計算結(jié)果F=16.17t。根據(jù)有關(guān)規(guī)程規(guī)定要求，鉆機的實際回拉力應(yīng)按計算結(jié)果的2倍選擇，即F實際=2F計算=32.34t，因此選擇ZT-35型鉆機（回拉力35噸）進場施工。

3 定向鉆鋪管施工

3.1 鋪管路由放線定測

10月23日放線定測，路由從南向北進行，與陽岐河走向垂直。路由地表受人工改造后弱顯起伏，為保證導(dǎo)向孔的施工精度要求，采用測量儀器定測鉆具出入土點、地表起伏變化點、河床深度、河床寬度等高程數(shù)據(jù)，并使它們保持在一條直線上。根據(jù)測量結(jié)果，繪制鋪管施工斷面示意圖的地表形態(tài)，為導(dǎo)向孔軌跡設(shè)計提供依據(jù)。

3.2 導(dǎo)向孔軌跡及鉆具出入土角確定

導(dǎo)向孔軌跡的確定是工程的重要環(huán)節(jié)。對鋪設(shè)較大管徑的 PE管道工程，導(dǎo)向孔軌跡形態(tài)直接關(guān)系到整個工程的成功與失敗。根據(jù)有關(guān)規(guī)程規(guī)定要求，導(dǎo)向孔的彎曲半徑必須大于1500D（D是指PE管直徑），且將軌跡形狀選擇為兩側(cè)基本對稱的圓滑曲線，不能有波浪起伏形狀出現(xiàn)。根據(jù)有關(guān)技術(shù)參數(shù)，導(dǎo)向孔的彎曲半徑可以通過計算獲得。

其中：R——導(dǎo)向孔彎曲孔徑，m；

L——鋪管長度，為260m；

h——相對于地面的管道最深覆土深度，為9.3m；

h1——出入土工作坑中的管道覆土深度，為3m。

計算結(jié)果：R=1344m。

計算結(jié)果和有關(guān)規(guī)程規(guī)定要求的彎曲半徑1500D相比較

所確定的實際軌跡彎曲半徑是有關(guān)規(guī)程規(guī)定要求的1.79倍，可以滿足定向鉆鋪管工程施工要求。

鋪管軌跡確定為一條兩側(cè)基本對稱的圓滑曲線，鉆具出入土角的度數(shù)應(yīng)相近，并通過計算獲得。

根據(jù)鋪管路由的地表起伏情況、工作坑位置、河流位置、河床深度、鋪管長度等，并結(jié)合導(dǎo)向孔彎曲半徑和鉆具出入土角等數(shù)值繪制鋪管工程斷面示意圖（見圖 1）和鋪管工程平面示意圖（見圖2），指導(dǎo)施工。

圖1 定向鉆鋪管工程斷面示意圖

圖2 定向鉆鋪管工程平面示意圖

3.3 工作坑開挖

在鉆具入土和出土位置分別開挖工作坑，方能滿足施工要求。根據(jù)鋪管深度和定向鉆機前緣平板到入土點之間的水平距離及對鉆具入土角的控制等要求，確定鉆具入土工作坑的開挖深度應(yīng)達3.5m?？紤]到ф500mmPE管的剛性強度較大，鉆具出土工作坑的坑底開挖形狀應(yīng)向外緩慢放坡，使拉管就位時管道在鉆機牽引力作用下能夠順利進入鉆孔內(nèi)。

此外，要使鉆具入土角保持在6o左右，現(xiàn)場鉆機擺放位置和鉆具入土工作坑之間所需要的距離，場地條件不能滿足。因此，采用挖坑降低鉆機機坪地面高度0.6m來滿足要求。

3.4 泥漿配制

近年來，定向鉆鋪管施工技術(shù)取得了很大的發(fā)展和突破，鋪管長度和管徑在不斷創(chuàng)造新的記錄，泥漿功能起了非常重要的作用。本工程使用泥漿的固相物質(zhì)為山東濰坊產(chǎn)的專用定向鉆鋪管泥漿復(fù)合膨潤土，具有強懸浮、弱凝膠、弱抑制、嚴封堵等性能。采用淡水配漿，pH值控制在8.5，呈弱堿性。利用地質(zhì)條件好（粘土層）的優(yōu)勢，導(dǎo)向孔施工和擴大孔徑施工過程配制泥漿粘度在35s左右，洗孔和管道回拉就位過程泥漿粘度調(diào)整到50s左右，并加入少量美國產(chǎn)的“鉆液寶”，進一步增強泥漿的潤滑性能。

3.5 導(dǎo)向孔施工

10月25日開始導(dǎo)向孔施工。為保證實際鋪管軌跡和設(shè)計軌跡盡量做到吻合，公司派出經(jīng)驗豐富的導(dǎo)向人員，采用美國月蝕手提步履式導(dǎo)向儀確保精度。導(dǎo)向鉆頭內(nèi)信號發(fā)射器電源采用美國產(chǎn)的“勁量”電池，它具有高強度、持久性電量表現(xiàn)。采用鏟式導(dǎo)向鉆頭，根據(jù)鋪管路由地形變化情況，采用“深度”和“角度”相結(jié)合的測控方法，每鉆進一根鉆桿長度（3m）至少測控一次導(dǎo)向鉆頭的頂角、方位角、深度及平面偏差數(shù)值，發(fā)現(xiàn)偏離設(shè)計軌跡及時糾正，使實際軌跡做到“直、滑、圓、緩、準(zhǔn)”。

3.6 導(dǎo)向孔擴大和洗孔

導(dǎo)向鉆頭的直徑僅有 78mm，而需要鋪設(shè)的 PE管經(jīng)為500mm，因此，必須將導(dǎo)向孔進行孔徑擴大。按有關(guān)規(guī)程規(guī)定要求，鉆孔的孔徑需要擴大到800mm，方能滿足定向鉆鋪管要求。由于地層為粘結(jié)力較強的粘土，采用流道式擴孔鉆頭，可以提高擴孔鉆進速度。分五級擴孔，分別按孔徑78mm—200mm—400mm—600mm—700mm—800mm逐級擴孔。

擴孔過程應(yīng)注意的幾個事項：（1）配制泥漿施工。泥漿粘度不宜過大，在粘土層中擴孔泥漿粘度過大，會造成泥漿的液壓柱壓力增大，同時還會使擴孔鉆頭造成糊鉆卡鉆現(xiàn)象，泥漿粘度控制在35s左右能起到潤滑孔壁、提高鉆速。（2）不應(yīng)盲目追求擴孔速度，ZT-35型鉆機在 260m長的粘土層中逐級擴孔，擴孔施工過程還是比較輕松的，但擴孔速度應(yīng)控制在每根鉆桿長度（3m）的擴孔時間5min左右為宜。因為在粘土層中擴孔排出的鉆屑總是不徹底，一大部分鉆屑殘留在孔內(nèi)，必須保證孔內(nèi)良好的泥漿環(huán)境，防止產(chǎn)生液壓鎖現(xiàn)象，導(dǎo)致卡鉆。同時鉆具在粘土層中擴孔，鉆機的回轉(zhuǎn)拉力不大，鉆機回轉(zhuǎn)扭力則大于地層扭力，為保證鉆桿在彎、扭等多種受力荷載情況下不被折（扭）斷，也要求擴孔速度不能太快。（3）工程使用的泥漿不做重復(fù)處理利用，考慮到環(huán)境保護和施工成本，在滿足正常擴孔條件下，采用低檔泵壓施工，節(jié)省泥漿泵入量。（4）當(dāng)800mm鉆頭擴孔結(jié)束時，緊接著就進入洗孔和拉管就位工序。此時，必須適當(dāng)提高泥漿粘度，將泥漿粘度調(diào)整到50s左右，并加入少量美國產(chǎn)的“鉆液寶”，提高泥漿性能，有利于管道回拉就位。

10月27日開始進入洗孔工序。當(dāng)800mm鉆頭擴孔結(jié)束后，再用800mm擴孔鉆頭從孔內(nèi)再“過”一趟稱為洗孔。鉆機操作采用慢拉快轉(zhuǎn)的方式，其目的：（1）進一步修正鉆孔軌跡。（2）能從孔內(nèi)帶出部分鉆屑，清潔暢通鉆孔，減少管道回拉就位時的鉆機拉力和扭力。（3）對孔壁的保護也能起到作用。洗孔過程不斷從孔內(nèi)返出的泥漿比配制的沖洗液泥漿粘度大得非常多，說明孔內(nèi)暢通，洗孔效果達到預(yù)期的目的。

3.7 管道回拉就位

管道回拉就位是定向鋪管的最后一道工序。用專業(yè)的語句來形容，那就是“只許成功，不許失敗”。工程管材價值超過20萬元，一旦被卡在孔內(nèi)損失慘重。管道回拉過程必須注意以下幾個方面問題：（1）鉆機錨固：鉆機放置在松散的雜填土上，僅靠鉆機前板的四個錨桿，根本不能保證管道回拉時鉆機不被位移，必須采用鋼絲繩索和牢固木樁等材料將鉆機進行錨固。（2）拉管過程必須確保PE管外層不能受到損傷。管道未拉入孔內(nèi)部分采用每間隔 8～10m 用土袋鋪墊在PE管下面架空管道，并在PE管和土袋之間澆上泥漿，使接觸面保持充分潤滑狀態(tài)。（3）各種機具設(shè)備在拉管前應(yīng)進行一次全面的檢查維護，使機具設(shè)備處于最佳的工作狀態(tài)。特別是對鉆桿絲扣和鉆桿的完好性及分動器靈活性等進行檢查。（4）管道焊接過程受到現(xiàn)場排管場地限制，260m長的PE管無法一次性焊接完成，必須分兩段進行,兩管段的焊接工作時間應(yīng)控制在1小時以內(nèi)。（5）拉管過程采用600mm擴孔鉆頭做為“帶動鉆頭”，拉管過程泥漿通過“帶動鉆頭”的小眼泵入孔內(nèi)。拉管就位前和拉管就位過程的各項技術(shù)工藝措施合理到位，拉管就位過程用了9個小時10分鐘。其中，應(yīng)扣除兩管段的焊接時間 1小時。鉆機回拉力始終保持在17～23t之間，于2009年10月28日22時18分順利完成管道回拉就位施工任務(wù)。

4 結(jié)束語

定向鉆鋪設(shè) PE污水管道陽岐河工程取得圓滿成功，創(chuàng)造了定向鋪管鉆機在省內(nèi)鋪設(shè)管徑 500mmPE管長度最長的記錄，使我們又獲得一次成功經(jīng)驗的積累，對進一步在福州市及其周邊地區(qū)推廣使用定向鉆鋪管技術(shù)做出了貢獻。

工程順利結(jié)束是施工單位廣大員工，分工明確、責(zé)任清晰、從嚴要求、有序管理、理論和實踐相結(jié)合的結(jié)果。每一工序都按照有關(guān)規(guī)程規(guī)定的要求施工，把困難考慮充分一些，將可能出現(xiàn)的事故消除在萌芽狀態(tài)。技術(shù)人員嚴格把關(guān)、優(yōu)化施工方案、嚴格論證，也是工程成功的關(guān)鍵。由于整個施工過程各工序都準(zhǔn)備充分到位，各環(huán)節(jié)銜接緊湊順暢，未發(fā)現(xiàn)工藝技術(shù)方面的異?，F(xiàn)象。工程順利竣工，并通過閉水壓力驗收，質(zhì)量合格。受到建設(shè)和監(jiān)理單位的高度贊賞，也為在定向鉆鋪設(shè)大管經(jīng)污水道工程積淀了寶貴的經(jīng)驗，并在今后的工程施工中發(fā)揮更大的作用和必將再創(chuàng)輝煌。

[1] 水平定向鉆進管線鋪設(shè)工程技術(shù)規(guī)程.J11214-2008,DBJ13-102-2008.