王燕東

（五家渠農(nóng)六師勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，新疆五家渠 831300）

近年來，新疆農(nóng)村隨著發(fā)展的轉(zhuǎn)型期，群眾生活水平的提高，對飲水工程提出了更高、更全面的需求。目前，新疆奇臺部分供水管網(wǎng)多建于20世紀(jì)80—90年代，受當(dāng)時資金、技術(shù)條件及工程建設(shè)管理水平等方面的限制，工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低，供水預(yù)測規(guī)模偏小，供水技術(shù)和工藝設(shè)備陳舊、落后，工程在運(yùn)行多年后出現(xiàn)種種安全隱患，諸如供水管道材質(zhì)差，供水設(shè)施不配套等，亟需實(shí)施農(nóng)村飲水安全工程建設(shè)。

1 工程概況

奇臺縣位于新疆自治區(qū)東北部，全縣總面積1.67萬km2（其中南部山地面積占8.3%，中部平原面積25.6%，北部沙漠面積66.1%），其中中部平原區(qū)為耕地集中區(qū)，共有耕地約10.47萬hm2。此次飲水工程設(shè)計計劃解決飲水人口2.387 5萬人，水源性質(zhì)為地表水、泉水，項(xiàng)目水源地為奇臺農(nóng)場上游的一萬泉及開墾河水源地。項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括新建水廠2座，新建清水池1座，減壓池9座，閥井1 223座，廠房360 m2，建供水管網(wǎng)52.269 km，配套輸配水管道配件及附屬建筑物，總投資估算8 278.98萬元。其中，工程管網(wǎng)部分設(shè)計主要為一萬泉水源、開墾河水源至水廠輸水管，中途需要穿過大奇高速（G335），工期12個月。建成后，將成為昌吉市境內(nèi)規(guī)模最大、距離最長的輸水管道工程，輸水工程設(shè)計采用單管方案，管材為球墨鑄鐵管。

2 輸水管道穿越高速公路設(shè)計和施工分析

該輸水管道工程末段DN1 000段全長約26 km，中途需穿過大奇高速（G335，大黃山至奇臺），大奇高速設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為雙向六車道，路基寬34.5 m。輸水管道穿過公路的常見應(yīng)對方案及優(yōu)缺點(diǎn)見表1[1]。

表1 輸水管道穿過公路的常見應(yīng)對方案及優(yōu)缺點(diǎn)

通過地質(zhì)勘察，項(xiàng)目段路基土為均質(zhì)粘土和沙土層，可以順利應(yīng)用頂管法或定向鉆法。項(xiàng)目需要穿越長度約75 m，兩種方法可靠性都較好：頂管法造價較低（約64萬元），工期較長（13 d）；定向鉆法造價高（約100萬元），工期較短（5 d），且施工質(zhì)量相對較好。經(jīng)專家組討論研究，最終確定定向鉆作為穿越公路的施工方案。

3 定向鉆設(shè)計和施工要點(diǎn)分析

定向鉆施工工序主要包括：導(dǎo)向管鉆進(jìn)→擴(kuò)孔施工→輸水管回拖[2]，下面針對前兩個重點(diǎn)工序進(jìn)行詳細(xì)說明。

3.1 導(dǎo)向管鉆進(jìn)

3.1.1 設(shè)計

1）覆土層和入（出）土角度設(shè)計

根據(jù)工程要求、地質(zhì)條件及相關(guān)規(guī)范，定向鉆技術(shù)上覆層厚度具體要求[3]：一般地層不小于10倍管徑；河床不小于設(shè)計不沖刷線以下6 m；公路不小于路基受力層以下1.5 m。經(jīng)地質(zhì)勘探，設(shè)計該項(xiàng)目穿越公路上覆層厚度為10.5 m。

定向鉆起終點(diǎn)可以是地面穿越式，也可以是坑內(nèi)式，其中地面穿越式一般設(shè)計入土角度為8°～18 °，出土角為4 °～12 °[4]。采用坑內(nèi)式的穿越管道直接水平（接近0°）就可敷設(shè)?？紤]到此項(xiàng)目穿越管道長度、管段埋深等條件，確定采用地面穿越式定向鉆法，設(shè)計入土角度為15°，出土角度為6°。

2）曲率半徑的確定

定向鉆管道一般采用彈性敷設(shè)形式，如果設(shè)計的曲率半徑合適，會很好地保護(hù)防腐涂層，也會保證管道有足夠強(qiáng)度安全余量。地面穿越式定向鉆最小曲率半徑R可按照公式（1）計算[5]，根據(jù)理論計算并結(jié)合其他工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計最小曲率半徑不小于管道外徑的1 500倍。

式中：D——管道外徑，m；S——安全系數(shù)，取值1.5；K——管道屈服極限。

3）各段長度設(shè)計

地面穿越式定向鉆由3段組成：第一弧段L1、中間直線段L2、第二弧段L3，見圖1。各段長度直接影響著工程量、工期和成本，是施工設(shè)計重點(diǎn)。其中要求直線段長度L2≥10 m，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，設(shè)計為35 m，兩弧段長度計算公式[6]。

式中：h——管道鋪設(shè)深度，m；R1——第一弧段曲率半徑，m；R1——第二弧段曲率半徑，m。

經(jīng)計算，第一弧段長度28 m，第二弧段長度33 m。

3.1.2 導(dǎo)向管鉆進(jìn)施工要點(diǎn)分析

圖1 穿越管道各段示意圖

導(dǎo)向管鉆進(jìn)是定向鉆施工的關(guān)鍵步驟，其施工原則為“軟不加、硬要減、交界面要劃眼”，即：遇到軟地層不得加快速度或加大壓力，遇到硬地層要減小鉆頭壓力，遇到軟硬地層交界面或井徑變化面要做好記錄[7]。其施工要點(diǎn)有如下幾個：

1）排除附近電磁干擾，保證標(biāo)定信號的穩(wěn)定，可適當(dāng)增加測定頻率，當(dāng)鉆頭在出土側(cè)上抬時，可利用套筒作向?qū)?，有利于解決過渡抬頭較難問題；

2）為防止鉆孔出現(xiàn)“S”形，要求將鉆桿角度改變控制在0.1°～0.2°，水平糾偏的變化范圍不得超過0.3 m，若單根鉆桿改變角度過大則需及時抽回并重新鉆進(jìn)；

3）導(dǎo)向孔鉆進(jìn)時要實(shí)時檢查泥漿成分，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件發(fā)生改變時，需及時對泥漿配比進(jìn)行調(diào)整。

3.2 擴(kuò)孔

1）擴(kuò)孔器選擇

定向鉆擴(kuò)孔器常用類型：飛旋式、板式、桶式。各類擴(kuò)孔器的特點(diǎn)及適用條件如表2所示[8]。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，設(shè)計采用飛旋式擴(kuò)孔器施工。

表2 各類擴(kuò)孔器特點(diǎn)及適用條件

2）施工參數(shù)設(shè)計

擴(kuò)孔采用多次成型，具體擴(kuò)孔次數(shù)無明確規(guī)定，要求逐級擴(kuò)大，直至達(dá)到設(shè)計要求。對最小擴(kuò)孔直徑有如下要求：①當(dāng)管道直徑d≤220 mm，最小擴(kuò)孔直徑D=d+100 mm；②220＜d≤610 mm，D=1.5d；③當(dāng)d＞610 mm，D=d+300 mm。項(xiàng)目管徑d=1 000 mm，所以最小擴(kuò)孔直徑D=1 300 mm。

3）泥漿配比要點(diǎn)

泥漿參數(shù)直接決定了定向鉆施工質(zhì)量，項(xiàng)目要往泥漿中加入適量堿粉，要求pH在8～10之間，但不得用燒堿。為保證泥漿性能，建議采用灌裝存儲泥漿。當(dāng)鉆進(jìn)中出現(xiàn)泥漿失水情況，可適當(dāng)加入改性淀粉。為防止泥漿泄漏，可在施工中遵循“兩高一適當(dāng)”泥漿方案，即高粘度、高土含、適當(dāng)濃度封堵材料，可阻止泥漿大量鉆入土層裂隙中。

4 結(jié)語

奇臺縣輸水管道工程長度較大，不可避免會遇到特殊地質(zhì)條件，定向鉆進(jìn)法是穿越公路、河道的常用辦法之一。導(dǎo)向管鉆進(jìn)是定向鉆施工的重點(diǎn)和基礎(chǔ)。項(xiàng)目應(yīng)用定向鉆技術(shù)僅用15 d便完成了穿越高速施工，對交通沒產(chǎn)生任何影響，取得了較好的經(jīng)濟(jì)社會效益，也取得了一系列寶貴施工經(jīng)驗(yàn)。

［1］高小濤，馬浩，馬玉濤，等.長距離大流量重力流輸水管道設(shè)計實(shí)例［J］.給水排水，2015（10）：115-119.

［2］豐文俊.長距離大口徑輸水管道設(shè)計施工方案研究［D］.東南大學(xué)，2015.

［3］鄭源，張健，索麗生，等.輸水管道水流對截留氣團(tuán)的沖擊［J］.水利學(xué)報，2005，36（11）：1365-1370.

［4］王圃，焦麗瑩，席星林.長距離壓力輸水管道優(yōu)化設(shè)計研究［J］.給水排水，2014（12）：113-116.

［5］楊海芹.低壓輸水管道中幾種管材的應(yīng)用分析［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2015（7）：112-115.

［6］劉建紅，郭東茹，齊向南.寒冷地區(qū)供水工程長距離輸水管道設(shè)計和施工［J］.給水排水，2013，39（5）：98-101.

［7］南海蛟.長距離大流量輸水管道防腐研究［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2017（4）：92-94.

［8］陳守慶，陳氵勇城，羅昊進(jìn)，等.海島縣洞頭陸域引供水工程輸水管道海域段設(shè)計［J］.中國給水排水，2013，29（14）：32-37.