任 盛

(新興鑄管股份有限公司上海銷售分公司，上海 200437)

1 水平定向鉆施工技術(shù)

水平定向鉆施工技術(shù)是在不具備開挖溝槽條件下，采用管道形成弧線實(shí)現(xiàn)地下穿越，用以鋪設(shè)流體輸送的管道的施工方式。隨著我國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，公用設(shè)施擠占城市空間日益嚴(yán)重，交通道路日趨擁擠，傳統(tǒng)的溝槽開挖作業(yè)對城市正常運(yùn)行影響也越來越大，非開挖施工技術(shù)在我國城市的應(yīng)用也就越來越普遍。水平定向鉆施工技術(shù)作為一種非開挖施工技術(shù)，也是管線穿越的優(yōu)選方案之一。

用于供水管線水平定向鉆施工的可選管材主要有球墨鑄鐵管、焊接鋼管和HDPE管?？紤]到非開挖施工，未來管線維修也盡可能減少，因此，管材的承壓性能、抗沉降性能、使用壽命、施工的安全性和未來維修的快捷性等都應(yīng)當(dāng)作綜合考量。與其他管材相比，球墨鑄鐵管綜合優(yōu)勢比較突出，也就成為水平定向鉆施工的主選管材。

2 球墨鑄鐵管性能特點(diǎn)

用以水平定向鉆施工的球墨鑄鐵管應(yīng)當(dāng)采用內(nèi)自錨接口，其特點(diǎn)如下。

1)利用承口擋環(huán)與插口焊環(huán)相互作用產(chǎn)生可靠的自錨效果來傳遞軸向拖拉力，由于球墨鑄鐵的強(qiáng)度很高，允許的回推力也很大。

2)利用承插接口的偏轉(zhuǎn)角來適應(yīng)鉆孔彎曲段，未來管線運(yùn)行中，接口偏轉(zhuǎn)也可以用來抵消地基沉降所帶來的彎矩應(yīng)力。

3)內(nèi)自錨接口比外內(nèi)自錨接口直徑要小，對孔徑的要求也會小。

本工程所使用的新興鑄管生產(chǎn)的球墨鑄鐵管，DN300，接口型式為SIA Wb型，見圖1，性能參數(shù)見表1。

圖1 球墨鑄鐵管接口示意圖

表1 球墨鑄鐵管參數(shù)

3 工程概況

本工程為上海臨港區(qū)漁港路消火栓補(bǔ)建工程。工程地點(diǎn)位于：東大公路(兩港大道—泐馬河)、三三公路(泐馬河—萬紅橋)、漁港路(兩港大道—綠蔭路)道路旁。為了避讓管線，穿越管道中心線埋深為4～8 m，兩端工作坑深度為1.5 m。本標(biāo)段穿越長度暫定為170 m，穿越入土角為8°，出土角為8°，終孔直徑控制在500～600 mm。

本工程管線穿越位于地質(zhì)處于(4)層，主要由粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)土組成，具體的地質(zhì)勘察報告見表2。

表2 擬建場地地質(zhì)分布表

根據(jù)地質(zhì)條件和現(xiàn)場管線和構(gòu)筑物情況，專家研究討論會決定：穿越方式采用水平定向鉆施工工藝，管材選用DN300、SIA Wb型內(nèi)自錨接口球墨鑄鐵管。

4 水平定向鉆施工

球墨鑄鐵管的水平定向鉆施工工藝流程為：軌跡設(shè)計(jì)→先導(dǎo)孔鉆進(jìn)→回拉擴(kuò)孔→管道安裝→預(yù)試壓→接口防護(hù)→回拖鋪管→打壓驗(yàn)收。

4.1 軌跡設(shè)計(jì)

計(jì)算方法采用美國ASTM材料協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《Standard Guid for Use of Maxi-Horizontal Directional Drilling for Placement of Polyethylene Pipe or Conduit Under Obstacles，Including River Crossing》(AXTM F 1962—2020)中的計(jì)算模型，該算法的優(yōu)點(diǎn)是考慮全面，所建模型與球墨鑄鐵拖拉管實(shí)際受力較為符合。

圖2 軌跡設(shè)計(jì)示意圖

各節(jié)點(diǎn)回拖力計(jì)算分別見式(1)～(4)：

TA=efgβfgwp(L1+L2+L3)

(1)

TB=efhβ(TA+fhwfL1+wfH+KπD1L1-efgβfgwpL1)

(2)

TC=TB+fhwfL2+KπDL2-efhβ(efgβfgwpL2)

(3)

TD=efhα(TC+fhwfL3+KπD1L3-wfH-efhβ(efgβfgwpL3))

(4)

式中，TA為A點(diǎn)處管道所受回拖力，kN；TB為B點(diǎn)處管道所受回拖力，kN；TC為C點(diǎn)處管道所受回拖力，kN；TD為D點(diǎn)處管道所受回拖力，kN；L1為管道入土端曲線段所對應(yīng)的水平長度，m;L2為管道最大埋深處水平延伸距離，m;L3為管道出土端曲線段所對應(yīng)的水平長度，m;H為管道埋深，m;Fg為球墨鑄鐵管與地面之間的摩擦系數(shù)；Fh為球墨鑄鐵管與鉆孔孔壁之間的摩擦系數(shù)；Wp為單位長度管道重力，kN/m；Wf為單位長度管道所受的凈浮力，kN/m；ɑ為入土角，(°)；β為出土角，(°)；K為泥漿的黏滯系數(shù)，kN/m2。

計(jì)算條件見表3，計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 軌跡計(jì)算條件表

表4 軌跡計(jì)算結(jié)果表

4.2 先導(dǎo)孔鉆進(jìn)

采用導(dǎo)向儀器和導(dǎo)向鉆頭，按照設(shè)計(jì)的鉆孔軌跡進(jìn)行鉆進(jìn)的施工過程。本工程的設(shè)計(jì)鉆進(jìn)軌跡是結(jié)合管道的設(shè)計(jì)埋度、現(xiàn)場障礙物、地下管線、球墨鑄鐵管的彎曲半徑來進(jìn)行最終定位。

4.3 回拉擴(kuò)孔

利用擴(kuò)孔鉆頭由出土端至入土端進(jìn)行回拉擴(kuò)孔的施工過程。本工程所選用的管道為DN300的球墨鑄鐵管，管道直徑較小，故回拖擴(kuò)孔分成2次進(jìn)行。第一次回拖擴(kuò)孔采用DN200的鉆頭進(jìn)行回拖，可以有效保護(hù)孔壁，不至于擴(kuò)孔過大導(dǎo)致塌孔；第二次采用DN400的鉆頭進(jìn)行回拖，在確?？妆诜€(wěn)定的同時，對導(dǎo)向孔進(jìn)一步擴(kuò)大，為管道敷設(shè)提供有利條件。

4.4 管道安裝

水平定向鉆機(jī)與球墨鑄鐵管之間的安裝通過鉆機(jī)分動器、弓形卸扣、拖拉頭按照規(guī)定操作手冊進(jìn)行連接。球墨鑄鐵管接口之間的安裝按照新興鑄管廠家提供的施工安裝手冊進(jìn)行操作。安裝過程應(yīng)經(jīng)過監(jiān)理單位檢測確認(rèn)無誤后，進(jìn)入下一步工序。

4.5 回拖前預(yù)試壓

回拖施工前，應(yīng)在地面進(jìn)行預(yù)試壓，確保接口安裝質(zhì)量，試壓合格后方可進(jìn)行施工；回拖施工后，應(yīng)進(jìn)行正式試壓工作，確?；赝鲜┕べ|(zhì)量。在管道尾部連接SIA Wb盤插管件及打壓盲板，連接好打壓裝置及壓力表，注滿水后即可打壓。

4.6 接口防護(hù)

預(yù)試壓合格后，應(yīng)對管道接頭進(jìn)行防護(hù)。本工程防護(hù)方式采用HDD熱收縮套包裹，再采用鋼制薄套筒包裹。

4.7 回拖鋪管

通過水平定向鉆機(jī)利用鉆桿和回?cái)U(kuò)頭由出土端至入土端進(jìn)行回拉鋪設(shè)管道的施工過程。具體操作如下。

1)回拖施工時，入土角控制在10°～18°，出土角控制在4°～12°。

2)DN300拖拉管單個接口的最大允許偏轉(zhuǎn)角為3°，對應(yīng)最小曲率半徑為113 m，鉆孔曲率半徑取值不低于2倍管道最小曲率半徑。

3)DN300拖拉管的終孔直徑控制在500～600 mm。

4)DN300 SIA Wb接口球墨鑄鐵管的最大允許拖拉力為400 kN，回拖施工時，鉆機(jī)施加的最大回拖力不得超過管道最大允許拖拉力。

5)根據(jù)現(xiàn)場工況條件，采用開挖發(fā)送溝或V型支架等減阻措施。

4.8 打壓驗(yàn)收

施工完畢后，根據(jù)《給排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50268—2008)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打壓驗(yàn)收。本次試驗(yàn)的恒定試驗(yàn)壓力為1.2 MPa,試驗(yàn)允許滲水量為0.003 L/(min·m)，本次試驗(yàn)壓力一直保持穩(wěn)定，未檢測出滲漏，故本次球墨鑄鐵管水平定向鉆施工試驗(yàn)合格。

5 總 結(jié)

施工前，施工單位與設(shè)計(jì)單位和管道廠家召開了多次討論會，制定了詳細(xì)水平定向鉆施工的專項(xiàng)方案和多項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案，確保了工程的順利實(shí)施。

本工程地質(zhì)勘察報告詳盡準(zhǔn)確，鉆孔及擴(kuò)孔過程成型較好，回拖過程順利，證明了本工程水平定向鉆施工的工藝選擇是正確合理的。

本工程選用了新興鑄管生產(chǎn)的球墨鑄鐵管，具有強(qiáng)度高、密封效果好、耐腐蝕性強(qiáng)、施工快捷等特點(diǎn)，為工程成功實(shí)施奠定基礎(chǔ)。DN300的SIA Wb型內(nèi)自錨接口的偏轉(zhuǎn)角為3°，軌跡設(shè)計(jì)滿足工程要求。管道的最大允許回拖力為400 kN，本工程拖拉長度為167 m，最大回拖阻力為287 kN，施工安全性較高。

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