莫 強(qiáng)

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730000）

1 工程背景及概況

永登縣地處甘肅中部黃河上游，轄18 個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），農(nóng)村人口約46萬人，山區(qū)面積5389.9 km2，占永登縣總土地面積的88.5%，偏遠(yuǎn)山區(qū)地表水和地下水極度匱乏，由于地勢高及資金少等原因，現(xiàn)有供水管網(wǎng)不能有效覆蓋，山區(qū)群眾生活用水主要靠集雨水窖，水質(zhì)超標(biāo)，遇到干旱天氣水窖蓄不到水，給群眾的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響。

為了徹底解決永登縣山區(qū)農(nóng)村的飲水不安全及缺水問題，依靠國家及縣上撥付農(nóng)村飲水專項(xiàng)資金，永登縣水務(wù)局加快農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程建設(shè)，一期工程以引大入秦工程作為源水，新建4.3萬m3調(diào)蓄水池4 座，凈水廠5 座，泵房14 座，水池52 座，鋪設(shè)PE 管及鋼管351.844 km，解決了11 個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）158 個(gè)村、67542 人的飲水不安全及缺水問題。

永登縣西部山區(qū)多為黃土覆蓋的丘陵地貌，地層以含礫黏土巖為主，根據(jù)管道沿線的工程地質(zhì)、地形、地貌，管道采用開挖埋管方式，項(xiàng)目區(qū)穿越縣道、鄉(xiāng)道及小型河流較多，采用直接開挖的方式易給當(dāng)?shù)鼐用癯鲂袔聿槐悖徊捎庙敼芊ㄒ卓逅?，安全系?shù)??；采用常規(guī)開挖施工法，穿越道路及河流需開挖土方1650 m3，原土翻夯和10%水泥土墊層3800 m3，M7.5 漿砌石280 m3，路面恢復(fù)2487 m2，需要資金80.2萬元。經(jīng)分析比較，采用非開挖水平定向鉆進(jìn)技術(shù)不影響當(dāng)?shù)卮迕癯鲂?，還可縮短工期，降低成本。

2 水平定向鉆進(jìn)技術(shù)定義

水平定向鉆進(jìn)技術(shù)也稱往復(fù)式潛鉆施工法，是指按照管線設(shè)計(jì)軌跡，利用鉆頭攜帶的發(fā)射器傳導(dǎo)有關(guān)鉆頭的深度、傾角等參數(shù)，地面操作人員控制鉆頭鉆進(jìn)，最終形成一個(gè)符合設(shè)計(jì)軌跡的導(dǎo)向孔，然后利用擴(kuò)孔器回?cái)U(kuò)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的孔徑，將管道回拉拖入孔道中完成鋪設(shè)任務(wù)[1]，適用于直徑＜1000 mm、鋪管長度可達(dá)1500 m 的各類管線鋪設(shè)，尤其穿越鐵路、公路、河流時(shí)優(yōu)勢明顯。分為采用擠壓鉆頭或沖擊錘鉆進(jìn)的干式法和采用噴射鉆頭鉆進(jìn)的濕式法。具體施工工藝見圖1。

3 主要施工方法及技術(shù)要點(diǎn)

3.1 施工準(zhǔn)備

3.1.1 現(xiàn)場地質(zhì)勘察 水平定向鉆進(jìn)可在不同地質(zhì)環(huán)境下完成鉆進(jìn)任務(wù)，地層條件和軌跡設(shè)計(jì)是影響鉆機(jī)性能充分發(fā)揮的關(guān)鍵因素，在黏土、亞黏土或淤泥地層因造漿能力良好，穿越曲線長度可以適當(dāng)加長，阻力較小，可加快工程進(jìn)度。穿越流沙、鈣質(zhì)層、礫石層時(shí)，阻力較大，成功率降低，甚至導(dǎo)致鉆孔不能完成。因此，非開挖定向鉆進(jìn)穿越成功的前提是要充分了解施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件[2]。

3.1.2 機(jī)具材料準(zhǔn)備 機(jī)械準(zhǔn)備：根據(jù)本項(xiàng)目施工條件及技術(shù)要求選用以下機(jī)械設(shè)備（見表1）。材料準(zhǔn)備：PE 管材、泥漿（根據(jù)土質(zhì)、地質(zhì)情況現(xiàn)場配置）、鋼絲繩。

3.2 測量定位放線

根據(jù)設(shè)計(jì)提供的基準(zhǔn)點(diǎn)及設(shè)計(jì)圖紙，用GPS 和全站儀在施工區(qū)域內(nèi)建立平面坐標(biāo)控制網(wǎng)，根據(jù)測量結(jié)果放出鉆機(jī)安裝位置線、工作坑、進(jìn)出土位置、拖管軸線及標(biāo)高。放線時(shí)，管道沿管線軸方向誤差不大于40mm，進(jìn)出土位置左右偏差不大于20mm，并做明顯標(biāo)記。

3.3 導(dǎo)向孔軌跡的設(shè)計(jì)

水平定向鉆導(dǎo)向孔軌跡設(shè)計(jì)是水平定向鉆進(jìn)施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，導(dǎo)向孔軌跡由斜直線段、曲線段、水平段等組成。在設(shè)計(jì)導(dǎo)向孔軌跡時(shí)，不但要考慮農(nóng)村飲水安全工程的具體要求，還要考慮當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況及管材允許曲率半徑、鉆桿最小曲率半徑、定點(diǎn)、入土角度α、出土角度β、管道敷設(shè)深度h 等重要參數(shù)，進(jìn)而確定正確的鉆孔軌跡，經(jīng)比較分析，選擇最佳軌跡。導(dǎo)向孔軌跡圖見圖2。

3.3.1 入土角、出土角 出、入土角宜為8～20°，入土角要根據(jù)施工現(xiàn)場是否有足夠的布管場地、鉆機(jī)本身設(shè)計(jì)、管道直徑、地下管線分布情況及鋪管深度要求進(jìn)行選擇，入土角越大，回拖管道阻力越大，施工難度越大。

3.3.2 導(dǎo)向孔埋深 各項(xiàng)目最小覆土深度見表2。

表1 機(jī)械設(shè)備情況

表2 最小覆土深度

3.3.3 曲率半徑 最小允許曲率半徑計(jì)算公式：

式中，ρ 為曲率半徑（cm）；E 為彈性模數(shù)（Mpa）；DH為管外徑（cm）；δρ 為彎曲應(yīng)力（Mpa）。在實(shí)際應(yīng)用過程中，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，軌跡的曲率半徑取400～1200D（D 為鋪管外徑），軌跡曲率半徑同時(shí)要滿足鉆桿的曲率半徑，鉆桿曲率半徑R≥1200D（D 為鉆桿外徑），否則會造成鉆桿的變形開裂。

3.4 鉆機(jī)就位和工作坑開挖

按施工布置圖將鉆機(jī)錨固在預(yù)定位置，錨固鉆機(jī)以“穩(wěn)、平、實(shí)”為原則，鉆機(jī)安裝后要試運(yùn)轉(zhuǎn)，檢測鉆機(jī)各部位運(yùn)行情況。

鉆機(jī)安裝完成后開挖工作坑，鉆進(jìn)工作坑距鉆機(jī)前方5 m（尺寸2 m×1m×2 m），在管線出口處開挖一個(gè)拖管坑（尺寸3 m×1m×2 m），在工作坑旁邊開挖泥漿沉淀池，可采用2 個(gè)泥漿池以延長循環(huán)周期。

3.5 泥漿配制

泥漿在鉆進(jìn)和回拖過程中具有護(hù)壁、潤滑、冷卻鉆頭的作用，為了提高泥漿在不同地質(zhì)條件下的性能，需加入一些添加劑，配制成不同性能的泥漿來適應(yīng)當(dāng)?shù)赝翆拥奶匦浴?/p>

調(diào)配方法：將水從水源地由汽車?yán)\(yùn)至施工現(xiàn)場導(dǎo)入泥漿池，經(jīng)沉淀過濾后進(jìn)行調(diào)配。第一，在過濾好的清水中加入0.1%～0.2%的純堿，純堿可軟化水，具有增加泥漿黏度、靜切力及增強(qiáng)膨潤土的膨化效果。第二，加入5%～8%的膨潤土，經(jīng)機(jī)械攪拌使其完全分散溶于水中，攪拌20 min 后基漿配制完成。第三，添加一定比例的添加劑，攪拌3～5 min。在不同的施工階段和變化地層中，需調(diào)制不同配比黏度的泥漿（見表3），以便滿足施工具體要求。

泥漿的黏度和組成在鉆進(jìn)和回拖過程中是非常重要的因素，因此，在施工過程中應(yīng)密切觀察孔口返漿情況，每半小時(shí)檢測一次泥漿性能，以便隨時(shí)調(diào)整擴(kuò)孔速度及泥漿黏度，保證孔內(nèi)有足夠優(yōu)質(zhì)泥漿，返漿的含砂量應(yīng)控制在6%以內(nèi)。

3.6 鉆進(jìn)導(dǎo)向孔

鉆進(jìn)導(dǎo)向孔根據(jù)設(shè)計(jì)曲線采用射流輔助方法鉆進(jìn)，鉆頭的位置、頂角、深度、鉆頭溫度等數(shù)據(jù)通過鉆頭內(nèi)的發(fā)射器傳導(dǎo)給地面定位示蹤儀，操作人員可及時(shí)準(zhǔn)確掌握鉆頭的具體位置和深度，通過調(diào)整鉆機(jī)參數(shù)，控制鉆進(jìn)軌跡，按照設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)，最終在預(yù)定位置出土，鉆進(jìn)過程要注意以下幾點(diǎn)。

一是導(dǎo)向孔造斜段每鉆進(jìn)0.5～1 米測量計(jì)算1次，水平直線段每根鉆桿長度測量計(jì)算1 次。當(dāng)發(fā)現(xiàn)定向鉆進(jìn)軌跡與設(shè)計(jì)軌跡有偏差時(shí)，可以調(diào)整鉆頭斜面的方向，鉆頭面調(diào)整好后，利用推進(jìn)鉆頭時(shí)斜面接觸的土壤作用力和反作用力進(jìn)行糾偏，糾偏可在多根鉆桿長度范圍內(nèi)根據(jù)管材的曲率半徑逐步進(jìn)行，糾偏過急易出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象。

二是在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過程中，泥漿壓力控制在0.3 Mpa，在礫石層壓力提高到1 Mpa，壓力過大易發(fā)生冒漿，造成環(huán)境污染。

三是在地質(zhì)條件較差地段或易塌方地區(qū)應(yīng)提前采取措施，及時(shí)添加能調(diào)節(jié)泥漿性能的添加劑，調(diào)整鉆孔和回拖工藝，加快鉆進(jìn)速度，盡量縮短停鉆時(shí)間。地質(zhì)條件較好地區(qū)要根據(jù)地層條件合理調(diào)整推進(jìn)力，鉆進(jìn)速度不宜過快，造斜段一次頂進(jìn)長度不宜大于0.5～1 m。

四是通過鉆進(jìn)過程中記錄的鉆孔軌跡和相關(guān)數(shù)據(jù)，判斷導(dǎo)向孔的鉆孔質(zhì)量，確定導(dǎo)向孔鉆進(jìn)的成敗，導(dǎo)向孔軌跡允許偏差如表4 所示。

3.7 擴(kuò)孔與回拉施工

表4 導(dǎo)向孔允許偏差

表3 泥漿黏度控制及配制方法

導(dǎo)向鉆頭在出口孔完全露出后，將導(dǎo)向鉆頭換為大一級擴(kuò)孔器，開動鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)回拉牽引至入口孔，完成一級擴(kuò)孔，每次擴(kuò)孔級差在10～15cm，當(dāng)擴(kuò)孔直徑達(dá)到鋪設(shè)管道直徑的1.2～1.5 倍時(shí)完成擴(kuò)孔施工，擴(kuò)孔壓力控制在0.1～0.3 MPa。施工時(shí)在地層條件較好的情況下也可將2 種不同直徑的擴(kuò)孔器連接在一起，用回拉力和扭矩較大的鉆機(jī)進(jìn)行擴(kuò)孔，一次完成擴(kuò)孔和鋪管施工。

在回拉擴(kuò)孔過程中，為了減少摩擦，降低回轉(zhuǎn)扭矩和回拉阻力，可將膨潤土泥漿通過鉆桿注入，不但潤滑，而且起到固壁、防塌和冷卻鉆頭的效果。

3.8 回拉鋪管

在最后一級擴(kuò)孔完成后便可回拉敷設(shè)管道，先將PE 管道用熱熔法接連與成孔相當(dāng)?shù)拈L度后，進(jìn)行清管、試壓工序，再將管道兩端封閉，采用專用連接工具將管道與擴(kuò)孔器相連，根據(jù)管道穿越時(shí)受力情況，計(jì)算回拖阻力，選擇合適的機(jī)型，避免回拉力超限，總回拖阻力計(jì)算公式:

式中，P1為鋪管外壁周圍摩擦力（KN）；PF為擴(kuò)孔鉆頭迎面阻力（KN）；D0為鋪管外徑（m）；DK為擴(kuò)孔鉆頭外徑（m），一般取鋪管外徑的1.2～1.5 倍；L 為回拖管道長度（m）；Ra 為迎面土擠壓力（KN/m2），黏性土取50～60 KN/m2，砂性土取80～100KN/m2；f1為鋪管外壁單位面積阻力（KN/m2），黏性土取0.3～0.4 KN/m2，砂性土取0.5～0.7 KN/m2?；乩^程中要認(rèn)真檢查連接部分的穩(wěn)定性，加入高潤滑泥漿，確保回拉鋪管工作順利完成。

4 結(jié)束語

非開挖水平定向鉆進(jìn)技術(shù)具有鉆進(jìn)過程易控制、鋪管精度高、造價(jià)成本低等優(yōu)點(diǎn)。在永登縣農(nóng)村飲水安全工程中應(yīng)用非開挖水平定向鉆進(jìn)技術(shù)，縮短了施工工期，節(jié)約了資金，沒有影響到居民出行，受到了當(dāng)?shù)厝罕姷囊恢潞迷u。