尹海濤 陳曉峰 李春保 沈瑞海

一、工程概述

南水北調(diào)宿遷市尾水導(dǎo)流工程施工02 標(biāo)工程范圍為樁號B12+300～B17+598（B 段發(fā)展大道頂管之后至1號尾水調(diào)度泵站及支線Ⅰ段I0+000-I3+181）的管道施工、水土保持和環(huán)境保護(hù)工程。管道長度8459m，包括溝埋管、頂管、過河鋼管包封等；其中過古黃河管道施工原設(shè)計(jì)方案為利用果園黃河橡膠壩降低黃河水位，采用圍堰截流干法施工，采用2 根DN1000×9 鋼管過河包封，單根長度235m，現(xiàn)因橡膠壩損壞，水位無法調(diào)節(jié)，工況發(fā)生改變，地層土質(zhì)透水性強(qiáng)且土層厚，無法處理；圍堰截流法施工工期長，與即將到來的汛期重合，施工質(zhì)量、安全風(fēng)險(xiǎn)大；同時圍堰法施工將對現(xiàn)狀黃河擋墻造成破壞，后期無法恢復(fù)。經(jīng)綜合比對，決定采用牽引法施工。

過黃河鋼管施工采用2 根DN1000 鋼管，鋼管壁厚14mm，管道工作壓力0.6MPa，采用對接焊接，單線長度約為265m，管道水平方向間距為8m。

根據(jù)地勘報(bào)告揭示，施工段沿線場地內(nèi)地層土質(zhì)分為6 層，雜填土、重粉質(zhì)沙壤土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)沙壤土、淤泥粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土，各土層評價(jià)如下：

①層：雜填土，成分復(fù)雜，均勻性差，強(qiáng)度較低，工程性質(zhì)較差，宜挖除。

②層：重粉質(zhì)沙壤土，稍密狀，中等壓縮性，水平方向上和垂直方向上均勻性較差，如作為該工程管線的天然地基持力層，需按《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50032-2003）中表4.3.6的要求，采取措施減小不均勻沉陷，并提高結(jié)構(gòu)對不均勻沉陷的適應(yīng)能力；該層滲透性較強(qiáng)，邊坡穩(wěn)定性較差。

③層：淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，灰色，軟塑～流塑狀，高壓縮性，強(qiáng)度低，均勻性較差；無搖震反應(yīng)，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等。

④層：重粉質(zhì)沙壤土，灰黃色、黃灰色；稍密～中密狀，夾螺殼；搖震反應(yīng)迅速，干強(qiáng)度低，韌性低；粉質(zhì)壤土灰黃色，多為軟塑狀，局部流塑狀，無搖震反應(yīng)，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等。中等壓縮性，水平方向上和垂直方向上均勻性較差，如作為該工程管線的天然地基持力層，需采取措施減小不均勻沉陷，并提高結(jié)構(gòu)對不均勻沉陷的適應(yīng)能力；該層滲透性較強(qiáng)，邊坡穩(wěn)定性較差。

⑤層：淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，灰色、黃灰色，流塑狀，局部軟塑狀；無搖震反應(yīng)，切面光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等。高壓縮性，均勻性較好，為軟土，需采取措施消除地基震陷的影響；該層透水性較強(qiáng)，含水量較高，邊坡穩(wěn)定性較差。

⑥層：粉質(zhì)粘土，軟塑狀，高壓縮性，均勻性較差，強(qiáng)度較低，可作為該工程管線的地基持力層，該層為極微滲透性。

該工程范圍內(nèi)地下水埋藏較淺，入土點(diǎn)及出土點(diǎn)水位位于地下0.5m左右，高程約21.5m，管道穿越的②重粉質(zhì)沙壤土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④重粉質(zhì)沙壤土，透水性均較強(qiáng)。

二、主要參數(shù)確定

1.鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50268-2008），回拖管布置在出土點(diǎn)一側(cè)，根據(jù)設(shè)計(jì)牽引管兩端位置，黃河?xùn)|側(cè)為大片人工林，黃河西側(cè)地勢平坦、開闊，適宜鋼管焊接、加工，確定黃河西側(cè)為出土點(diǎn)，東側(cè)為入土點(diǎn)，在東側(cè)施鉆。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，牽引管水平段中心高程約12.00m，入土端鋼管中心高程為18.75m，出土端鋼管中心高程為19.62m，鋼管最低點(diǎn)管頂覆土深6.84m，黃河?xùn)|側(cè)入土點(diǎn)地面高程約22.00m，西側(cè)出土點(diǎn)地面高程約22.2m，設(shè)計(jì)穿越鋼管水平投影距離為265m；鋼管穿越②③④⑤層，主要位于③④⑤層；鋼管造斜段曲率半徑1400m，入土角為9°，出土角為9°。

2.管材的選擇

該工程拖管選擇Q235 涂塑鋼管，壁厚14mm。

管道在回拖施工時，管材所能承受的最大回拖力按式（1）計(jì)算：

式中：

F—管道能承受的最大回拖力（N）；

D1—鋼管外徑（mm），為1028mm；

D—管道內(nèi)徑（mm），為1000mm；

N—安全系數(shù)，給水、排水、通信、電力管道等低壓管道取2.0，燃?xì)獾雀邏汗艿廊?.0，該工程取2.0；

σ—管材的屈服強(qiáng)度（MPa），此處取該工程鋼管設(shè)計(jì)強(qiáng)度215MPa。

則Q235 鋼管能夠承受的最大回拖力：

F=215×3.14×（10282-10002）/（4×2）=4791.84（kN）

鋼管回拖力按式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：

T—穿越管段所受回拖力（kN）；

fh—穿越鋼管管段與鉆孔孔壁之間的摩擦系數(shù)，一般取0.1～0.3，根據(jù)該工程管線穿越地段為砂質(zhì)地層，考慮摩阻力較大，取0.3；

γm—鉆孔泥漿的重度（kN/m3），取13kN/m3；

γp—管材的重度（kN/m3），鋼管取78kN/m3；

ωw—進(jìn)行浮力控制時單位長度管道的配重量（kN/m），工況Ⅰ，考慮鋼管內(nèi)注滿泥漿工況，取9.03；工況Ⅱ，鋼管無配重，取0；

K—泥漿的黏滯系數(shù)（kN/m2），取0.15～0.35，泥漿黏性較大時取大值，反之取小值，取0.35；

t—鋼管壁厚，為0.014m。

工況Ⅰ，鋼管內(nèi)注滿泥漿：

工況Ⅱ，鋼管無配重：

如上，鋼管在回拖時在不同的配重情況下，回拖力相差加大，根據(jù)規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)，水平定向鉆及額定回拖力按設(shè)計(jì)回拖力的1.5～3.0 倍選取，在工況Ⅱ，無配重的情況下，鉆機(jī)額定回拖力取設(shè)計(jì)回拖力3倍，為2640.9kN，小于鋼管能夠承受的最大回拖力。

圖1 過黃河鋼管牽引施工流程圖

3.牽引設(shè)備的選擇

根據(jù)《水平定向鉆管道穿越工程技術(shù)規(guī)程》（CECS 382:3014）6.3.3，結(jié)合該工程敷設(shè)管線直徑、埋深和長度等因素，考慮施工所用水平定向鉆機(jī)額定回拖力，可按設(shè)計(jì)回拖力計(jì)算值的1.5～3.0 倍進(jìn)行選取，選定的鉆機(jī)最大推拉力應(yīng)不小于1000kN，最小扭矩不小于60kN·m，該工程按計(jì)算回拖力約2倍選取，確定推拉力為1540kN，扭矩為70kN·m。

三、施工過程

1.鋼管牽引工藝流程圖

過黃河鋼管牽引施工流程見圖1。

2.鋼管加工

（1）焊接前用角磨機(jī)配鋼絲刷對管節(jié)焊口每測軸向100mm 內(nèi)防腐層、鐵銹、油垢等雜質(zhì)進(jìn)行了清除，保持干燥，以免焊縫內(nèi)產(chǎn)生氣孔和夾渣；焊條采用E4315/J427 及以上焊條。

（2）在鋼管拼接位置開挖工作坑，確保底部焊縫焊接質(zhì)量，工作坑尺寸為1.2m×1.2m×1.0m。

（3）管節(jié)組對焊接時先修口、清根，確保管端斷面的坡口角度、鈍邊、間隙符合規(guī)范規(guī)定。

（4）管節(jié)對口時，使管道內(nèi)壁齊平，錯口的偏差控制在2mm 以內(nèi)。

（5）管節(jié)對口檢查合格后，再進(jìn)行接口定位焊接，點(diǎn)焊時，焊條采用與接口焊接相同的焊條；點(diǎn)焊要對稱施焊，其厚度與第一層焊接一致；不可在管節(jié)螺旋焊縫處點(diǎn)焊；點(diǎn)焊長度介于80～100mm 之間，點(diǎn)焊間距不大于400mm。

（6）為確保焊縫質(zhì)量，采用超聲波探傷對每道焊縫進(jìn)行檢測。

3.鉆孔泥漿

鉆液在該工程施工中起著非常重要的作用，是決定施工成敗的關(guān)鍵因素。鉆液配置應(yīng)具有以下性能：良好的流變性，較低的摩擦系數(shù)，很好的護(hù)壁性能。

該工程牽引孔道主要穿越②③④層，主要為重粉質(zhì)沙壤土及淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；此種土層成孔性一般，易塌、易漏失、吸水能力強(qiáng)，導(dǎo)向孔和回?cái)U(kuò)孔施工時極易坍塌；因此在導(dǎo)向孔和擴(kuò)孔施工時時刻注意回漿情況，及時調(diào)整泥漿配比，保證泥漿具有優(yōu)良的懸浮能力。為了增加鉆孔的護(hù)壁效果，防止塌孔，在泥漿中按比例加入高分子聚合物，使孔壁形成一層保護(hù)層，達(dá)到良好的護(hù)壁功能。鉆孔泥漿的性能參數(shù)應(yīng)根據(jù)施工中反漿進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和調(diào)整。

4.管道回拖

管道回拖前，做好下列準(zhǔn)備工作：（1）對鉆機(jī)地錨進(jìn)行檢查，確?；赝线^程中不出現(xiàn)地錨松動；（2）對鉆機(jī)、泥漿泵等設(shè)備進(jìn)行檢修保養(yǎng)；（3）吊管設(shè)備進(jìn)場就位；（4）對鉆桿和管道的連接件進(jìn)行檢查，確保工作可靠；（5）做好管道地表減阻措施；（6）對已連接完成的管線長度、焊縫、防腐進(jìn)行檢查；（7）管道回拖組合連接后，應(yīng)進(jìn)行泥漿試噴，確保泥漿通道暢通。

管道回拖作業(yè)應(yīng)符合下列規(guī)定：（1）回拖過程應(yīng)連續(xù)施工，特殊情況下需中斷時，中斷時間不超過3h；（2） 回拖速度要均勻，避免造成孔內(nèi)壓力激動；（3）回拖過程中保持泥漿循環(huán)；（4）填寫回拖記錄。

根據(jù)該工程作業(yè)場地條件，管道回拖采用發(fā)送溝配合吊管設(shè)備進(jìn)行減阻。

四、質(zhì)量控制要點(diǎn)

1.泥漿配比

泥漿是水平定向鉆施工的血液，如果泥漿停止循環(huán)，鉆進(jìn)工作則不能正常施工，因此在施工中要高度重視泥漿的配置，這是施工成敗的關(guān)鍵。該工程牽引管施工管直徑為1000m，穿越土層為重粉質(zhì)沙壤土及淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，該土層成孔性一般，不穩(wěn)定容易塌孔，因此泥漿的配置尤為重要。在施工過程中，針對該種土質(zhì)配置粘度適中的泥漿，做到當(dāng)泥漿相對于鉆孔底層處于靜態(tài)時，保持有足夠的膠凝強(qiáng)度來懸浮被鉆下來的鉆屑，最終能夠順利地把鉆屑帶出孔洞，為待裝管線留出足夠的空間。

2.鋼管焊接

該工程為直徑1000m 鋼管拖拉管施工，鋼管焊接質(zhì)量是保證工程順利完成的重要控制要點(diǎn)。管道在施焊前，對管道坡口表面的氧化皮、油污、熔渣等20mm 范圍內(nèi)全部清除干凈，凹凸不平的打磨平整。打磨清理完成后進(jìn)行管接頭組對，管接頭的組對定位焊是保證焊接質(zhì)量、促使管接頭背面成形良好的關(guān)鍵，如果坡口形式、組對間隙、鈍邊大小不合適，易造成內(nèi)凹焊瘤、未焊透等缺陷。因此在組對前，對每節(jié)管材進(jìn)行編號測量管徑，最終選取管徑最接近的兩節(jié)進(jìn)行組對，這樣從源頭上保證了焊接質(zhì)量。為確保管道順利回拖，在對接焊接完成后，在每節(jié)焊縫位置增加三處菱形幫焊，確?；赝鲜┕r焊縫不受影響■