□劉百靈 □鄭臣明 □楊志飛（河南省豫北水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院）

1 工程概況

亞新鋼廠供水管道是河南省安陽(yáng)市湯陰縣琵琶寺水庫(kù)為亞新鋼廠供水管道，為單根DN450mm玻璃鋼管壓力管道。原供水管線在南水北調(diào)中線總干渠樁號(hào)Ⅳ180+967.20處與南水北調(diào)中線總干渠交叉。供水管線與總干渠軸線交角63°，交叉段起點(diǎn)位于長(zhǎng)沙溝以南、總干渠以西，終點(diǎn)位于長(zhǎng)沙溝以北、總干渠以東，交叉段原管道長(zhǎng)度為231m。

2 方案比較

方案一：供水管道采用水平定向鉆PE管穿越南水北調(diào)總干渠，然后采用溝槽開(kāi)挖玻璃鋼管道直接埋地穿越長(zhǎng)沙溝與原有玻璃鋼管道連接。該方案工程投資200.21萬(wàn)元。

方案二：采用玻璃鋼管倒虹穿越南水北調(diào)總干渠和長(zhǎng)沙溝，平行于長(zhǎng)沙溝倒虹吸軸線方向采用玻璃鋼管倒虹吸（總干渠底部做套管）自西向東垂直穿越總干渠，在總干渠東側(cè)征地線外轉(zhuǎn)向正北，垂直穿越長(zhǎng)沙溝，與原供水管線連接。該方案工程投資298萬(wàn)元。

上述方案二為大開(kāi)挖方案，施工工藝簡(jiǎn)單，但是對(duì)南水北調(diào)中線總干渠渠底泥灰?guī)r地質(zhì)破壞比較大，投資大；方案一不影響施工環(huán)境，對(duì)渠道泥灰?guī)r破壞小，管道在地下不受擾動(dòng)，使用壽命較長(zhǎng)，施工周期短，投資小，故推薦采用方案一，即采用水平定向鉆PE管倒虹吸穿越總干渠方案。

3 穿越段管道設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作

水平定向鉆拖拉管的布置方案受多種因素影響，其中最主要的是現(xiàn)場(chǎng)地上和地下條件。現(xiàn)場(chǎng)地上條件包括地形、地貌以及周圍建筑物、河流等；地下條件包括工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、現(xiàn)有地下管道、地下水和地下隱蔽工程等。因此，在水平定向鉆設(shè)計(jì)前必須取得第一手的地質(zhì)資料，為編制設(shè)計(jì)方案和計(jì)算工程造價(jià)提供依據(jù)。這些資料一般包括穿越地層的土質(zhì)類型和結(jié)構(gòu)，土質(zhì)的主要物理力學(xué)特性(特別是土的抗剪強(qiáng)度和土層的內(nèi)摩擦角)、含水量、透水性、巖石硬度、含卵石或礫石的比例等。

3.2 穿越曲線設(shè)計(jì)

穿越曲線設(shè)計(jì)即尋找最理想的鉆進(jìn)路徑，是水平定向鉆拖拉法設(shè)計(jì)的核心。拖拉管的穿越曲線由造斜段與水平段組成。

項(xiàng)目區(qū)穿越南水北調(diào)中線總干渠段兩側(cè)地形開(kāi)闊，有足夠的施工場(chǎng)地，采用水平定向鉆方案，穿越長(zhǎng)度為265.30m。定向鉆穿越入土角為10°，出土角為8.50°，穿越段的曲率半徑為1000D。管道位于南水北調(diào)中線總干渠渠底護(hù)砌高程以下8m，滿足南水北調(diào)工程及水平定向鉆相關(guān)要求。

水平定向鉆導(dǎo)向孔軌跡由斜直線段、曲線段、水平直線段組成。管道穿越控制點(diǎn)位置按下列公式計(jì)算：

式中：a2—入土端曲線的水平長(zhǎng)度（m）；b2—入土端曲線的高度（m）；b1—入土端直線段的高度（m）；c1—出土端曲線的水平長(zhǎng)度（m）；d2—出土端曲線的高度（m）；d1—出土端直線段的高度（m）；L1—底部直線段的長(zhǎng)度（m）；R—曲率半徑（m）；θ入—入土角（°）；h1—入土端地面與底部直線段的高度（m）；a1—入土端直線段的水平長(zhǎng)度（m）；θ出—出土角（°）；h2—出土端地面與底部直線段的高度（m）；c2—出土端直線段的水平長(zhǎng)度（m）；L—穿越長(zhǎng)度（m）；

經(jīng)計(jì)算，入土端斜直線段長(zhǎng)32.40m，第一曲線段長(zhǎng)86.80 m，水平直線段長(zhǎng)20.00m，第二曲線段長(zhǎng)73.90m，出土端斜直線長(zhǎng)32.20m。

3.3 鉆機(jī)選型

鉆機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)、孔底鉆具、鉆頭類型和尺寸根據(jù)地質(zhì)條件、穿越深度、土層或巖層的造斜能力、造斜配套工具等綜合比較選用型鉆機(jī)。

回托力采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：F—穿越管段的回托力（kN）；L—穿越管段的長(zhǎng)度（m）；f—摩擦系數(shù)，0.10～0.30；D—穿越管段的管身外徑（m）；Ds—穿越管段的PE管身外徑（m）；ds—穿越管段的PE管身內(nèi)徑（m）；γ1—泥漿的密度（kN/m3）；γs—PE 管的密度（kN/m3）K—粘滯系數(shù)；0.01～0.03。

經(jīng)計(jì)算，回托力F拉=151kN

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的類似工程經(jīng)驗(yàn)，一般設(shè)計(jì)時(shí)取回托力的值為計(jì)算回托力的1.50～3倍，根據(jù)本工程的施工條件，取3倍的安全系數(shù)，即設(shè)計(jì)回托力值為454kN。

3.4 管道屈曲失穩(wěn)校核

穿越管段在擴(kuò)孔回托時(shí)，空管在泥漿壓力作用下會(huì)發(fā)生徑向屈曲失穩(wěn)，按下列公式進(jìn)行徑向屈曲失穩(wěn)核算。

式中:Fd—穿越管段設(shè)計(jì)系數(shù)，按0.50取；Pyp—穿越管段所能承受的極限外壓，MPa。

經(jīng)核算，Pyp=3.80MPa，0.5Pyp=1.90MPa，泥漿凈水壓力Ps=0.18MPa，0.50Pyp＞Ps，故徑向屈曲計(jì)算滿足要求。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果管材選用設(shè)計(jì)壓1.60MPa，DN450聚乙烯PE100，SDR11。

4 施工組織

4.1 測(cè)量定位放線

根據(jù)設(shè)計(jì)要求的管道位置，放出鉆機(jī)安裝位置線、管道兩端的具體軸線位置及標(biāo)高；在路面上放出軸線及標(biāo)高，設(shè)計(jì)詳細(xì)的導(dǎo)向數(shù)據(jù)。

4.2 鉆機(jī)就位和調(diào)試

鉆機(jī)必須安裝在入土點(diǎn)與出土點(diǎn)的連線上，鉆機(jī)入土角調(diào)整到設(shè)計(jì)要求。鉆機(jī)安裝后，應(yīng)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，檢測(cè)各部位運(yùn)行情況。

4.3 鉆孔導(dǎo)向

施工過(guò)程中，謹(jǐn)慎處理控向數(shù)據(jù)，并適當(dāng)控制鉆進(jìn)速度，保證導(dǎo)向孔光滑。由于每根鉆桿方向改變量較小，為保證左右方向，在出入鉆點(diǎn)之間每隔一根鉆桿設(shè)一明顯標(biāo)記。每鉆進(jìn)一根鉆桿，方向至少探測(cè)二次。對(duì)探測(cè)點(diǎn)要做好標(biāo)記，認(rèn)真記錄鉆進(jìn)過(guò)程中的扭矩、推力、方向改變量。導(dǎo)向孔完成后，根據(jù)鉆孔軌跡和數(shù)據(jù)記錄，確定此導(dǎo)向孔是否可用。軸線左右偏離控制在1%L（鉆進(jìn)長(zhǎng)度）內(nèi)，深度偏差控制在0.50%L（鉆進(jìn)長(zhǎng)度）內(nèi)。

4.4 分級(jí)反擴(kuò)成孔

導(dǎo)向孔完成后，即可卸下控向用鉆具，連接擴(kuò)孔器，試噴泥漿正常后，開(kāi)始擴(kuò)孔作業(yè)。穿越采用三級(jí)擴(kuò)孔，每次預(yù)擴(kuò)孔都進(jìn)行鉆桿和鉆具的倒運(yùn)及鉆具連接。

擴(kuò)孔級(jí)別如下：

第一級(jí)用φ350mm擴(kuò)孔器進(jìn)行預(yù)擴(kuò)孔；

第二級(jí)用φ550mm擴(kuò)孔器進(jìn)行預(yù)擴(kuò)孔；

第三級(jí)用φ750mm擴(kuò)孔器進(jìn)行預(yù)擴(kuò)孔；

第四級(jí)用φ750mm桶式擴(kuò)孔器進(jìn)行洗孔。

在每級(jí)擴(kuò)孔施工中，要認(rèn)真觀察擴(kuò)孔情況。如果發(fā)生擴(kuò)孔不順暢等，要進(jìn)行一次洗孔。

根據(jù)地質(zhì)情況及上一級(jí)擴(kuò)孔情況，合理確定下一級(jí)的擴(kuò)孔尺寸和擴(kuò)孔器水咀的數(shù)量和直徑，保證泥漿的壓力和流速，從而提高挾帶能力。

4.5 管線回拖

回拖是定向穿越的最后一步，也是最為關(guān)鍵的一步。在回拖時(shí)進(jìn)行連續(xù)作業(yè)，避免因停工造成阻力增大。管線回拖前要仔細(xì)檢查各連接部位的牢固性。

為保證回拖的順利和防腐層不受破壞，須采取以下措施：

管線回拖采用發(fā)送溝的方式或用聚乙烯塑料袋裝上松軟泥土放置在待拖管底部，并用水或泥漿潤(rùn)濕。發(fā)送溝采用單斗作業(yè)，其尺寸為上口寬1m、下口寬0.80m、深0.80m；在挖發(fā)送溝時(shí)，要計(jì)算好管線進(jìn)入孔洞的這一段發(fā)送溝的坡度，確保這一段發(fā)送溝與穿越孔洞的圓滑平緩，采取漂浮或其他措施降低管線回拖時(shí)管線的摩擦力。在回拖作業(yè)時(shí)，增加高潤(rùn)滑泥漿，使高潤(rùn)滑泥漿像薄膜一樣附著于防腐層表面，保護(hù)防腐層。

回拖前后，準(zhǔn)備好補(bǔ)口、補(bǔ)傷材料和器具及電火花檢漏儀，安排專人巡視管線。做好剩余泥漿處理和設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)，恢復(fù)鉆機(jī)場(chǎng)地地貌。

4.6 管道試壓

拖拉管完成后，應(yīng)進(jìn)行必要的壓力試驗(yàn)，通常包括拖拉管材連接完成后的壓力試驗(yàn)以及拖拉管施工完畢的壓力試驗(yàn)，這是確保拖拉管施工質(zhì)量的重要手段。

5 結(jié)語(yǔ)

本工程采用非開(kāi)挖方法施工，避免了大開(kāi)挖影響南水北調(diào)中線總干渠渠底泥灰?guī)r地質(zhì)。改用PE管代替內(nèi)襯鋼管，既滿足非開(kāi)挖施工的要求，也滿足給水管道供水壓力和衛(wèi)生的要求。實(shí)踐證明:水平定向鉆進(jìn)鋪管技術(shù)作為一種新的非開(kāi)挖施工方法，是穿越大中小型江河、湖泊以及不可拆遷建筑物施工中一種最佳選擇，是不破壞地貌狀態(tài)和保護(hù)環(huán)境的理想的施工方法。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,目前國(guó)外著名的鉆機(jī)制造商可提供商品化的軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件。通過(guò)采集所需的全部信息,利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行最優(yōu)化鉆孔軌跡設(shè)計(jì),大大提高了水平定向鉆軌跡設(shè)計(jì)的科學(xué)性和設(shè)計(jì)效率。