王建新

（廣東保輝建筑工程有限公司 廣東汕頭 515000）

0 引言

無論是新建管網或是修復管網，開挖施工工藝是最為常用的更新方法。然而，開挖工藝在市區(qū)中存在長時間干擾交通和破壞路面導致的造價提升的問題，這些因素促進了非開挖技術的發(fā)展。

目前，非開挖技術依據(jù)施工工況的不同，分為水平定向鉆工藝、微型隧道法工藝、頂管法工藝以及直接鋪管法工藝［1］。頂管法和微型隧道法適用于大管徑剛性管道。水平定向鉆工藝大體分為3 個步驟：①按照設計曲線穿越導向孔；②將導向孔逐級進行擴大；③回拖需要安裝的污水排放管［2］。該施工工藝的優(yōu)點是對環(huán)境干擾少，施工精度較高［3］；缺點是對自身粘結性不好的土層地質不適用，需要泥漿護壁，施工過程中存在塌孔隱患。直接鋪管法適用于800～1 500 mm的中大型剛性管道施工。

綜上所述，目前中小型的柔性管道非開挖技術以水平定向鉆為主導，而水平定向鉆對復雜地質條件適用性差、施工過程中存在塌孔隱患仍然未得到很好的解決。因此中小型的柔性管道非開挖技術需要克服復雜地質條件適用性問題以及塌孔隱患問題。

1 基于定向鉆導向的承插型管道頂拉施工技術原理

中小型柔性管道的鋪設工藝仍然是以水平定向鉆為主，借鑒于直接鋪管法在中大型剛性管道中的應用，中小型柔性管道的鋪設工藝可以以“水平定向鉆法+直接鋪管法”為基礎，在頂進的施工工藝方面加以改進，使其在滿足中小型柔性管道的施工作業(yè)的基礎上，克服了水平定向鉆對復雜地質條件適用性差、施工過程中存在塌孔隱患的難題。形成了一種基于定向鉆導向的承插型管道頂拉施工新技術。

⑴簡易水平導向鉆是該技術的基礎，由拖拉管機械提供動力給導向鉆具，最終完成高精度的導向孔。

導向鉆具的組合形式為：控制方向的鉆頭+導向傳感器+鉆桿。鉆頭通過鉆頭姿態(tài)（旋轉角度）控制前進方向。導向傳感器通過無線導向系統(tǒng)將鉆頭姿態(tài)（旋轉角度）、鉆頭位置、距地面深度等信息發(fā)送至地面。

⑵頂拉同步鋪管是頂拉施工的關鍵技術，由提供扭矩和拉力的外置式動力源、擴孔器及分動器、管帽、尾擋板、液壓頂組成的頂拉直接鋪管系統(tǒng)。在導向孔完成后進行管線回拖，其工作原理如圖1所示。

⑶承插型管道接頭

管道接頭示意圖如圖2所示。

2 施工操作要點

2.1 場地勘察

場地勘察需要掌握土層地質、地面障礙物、周圍環(huán)境的情況。

2.2 軌跡設計

頂拉管的作業(yè)軌跡分為3 段：第一段斜直線部分→第二段曲線部分→第三段水平直線部分，如圖3 所示。對比水平定向鉆工藝，減少了第四段曲線部分和第五段斜直線部分［4］。

軌跡確定方法：根據(jù)埋管深度、管道（及鉆桿）的曲率半徑，確定入土造斜段長度、入土角等參數(shù)，采用作圖法確定［5］。入、出土角和曲線段的確定可按圖4進行［6］：

2.3 導向孔施工

鉆導向孔的鉆具組合如圖5 所示：鉆頭+導向傳感器+鉆桿［7］。導向傳感器裝在鉆頭后艙內并緊固，在導向孔鉆進過程中使用無線導向系統(tǒng)，從地下不停將鉆頭姿態(tài)（旋轉角度）、位置、距地面深度等信息發(fā)送至地面，導向人員手持導向接收機隨鉆頭一起向前移動，將收集到傳感器的信息與設計線路對比，并通過對講機指揮鉆機操作手控制鉆機旋轉、推進。鉆頭形狀為斜向片狀（見圖5），與軸線有一定夾角，不旋轉直接推進時，鉆頭斜向前進，調整前進方向；旋轉鉆進時，鉆頭沿軸線直向前進。這樣一直控制導向鉆按預定的軸線到達終點。

2.4 檢查井施工

管道檢查井兼做頂拉管工作井，“二井合一”［8］，采用開挖方式施工井室時，井室直徑需大于1.6 m。如地下水位高、流沙地質，無法開挖施工時，可采用φ1.8 m（內徑）預制井筒以沉井方式下沉，如圖6所示，然后水下澆筑混凝土封底。預制井筒管道位置預留洞口（直徑為管道外徑+10 cm）砌磚封閉。導向鉆頭、擴孔器可破除磚墻進到檢查井內。

2.5 泥漿護壁

泥漿作用主要是穩(wěn)定孔壁、潤滑鉆桿（柱）及管道、冷卻鉆頭、排除鉆屑、降低鉆進扭矩和回拉力。施工時應根據(jù)地質情況、管徑、穿越長度等因素配制的泥漿，控制好泥漿的黏稠度，遇到特殊情況加入外加劑。

本工程所在區(qū)域多為沿海臺階和寬谷的沖積土而成，地質以粉細砂為主，地下水位高、水量大，含鹽量高，隨潮漲潮汐變化。配置泥漿時提高膨潤土比例，控制的粘稠度比較大，為了改善泥漿的穩(wěn)定性，提高膠體率，在泥漿中加入適量“海水寶”［9］。

2.6 鉆機選型

根據(jù)拉力的大小需求選擇對應的鉆機，如表1所示。

表1 導向鉆機分類Tab.1 Classification of Guided Drilling Rigs

頂拉管鉆機采用一般的水平定向鉆機，本工程使用的時XZ400型。

2.7 頂拉施工

一般的水平定向鉆中，終孔直徑取值為1.1～1.5 倍管徑，空隙部分最終采用泥漿填充方式處理。 采用頂拉工藝，擴孔直徑僅需管道直徑+5 cm［10］。

導向孔完成后進行管線回拖。管線回拖前，需要在出口端檢查井內卸下導向鉆頭，安裝擴孔器（含分動器）、管帽，檢查擴孔器、管帽上的水眼是否通暢，先進行試運轉，確認無誤后緩慢回拖。

擴孔器、分動器進洞后，在管帽后接長鉆桿（單根長1 m）、安裝短管（單根長1 m）、尾擋板及尾部液壓頂。安裝完畢檢查各部件連接正確、順暢。

液壓頂加壓伸長（前端連接尾擋板可軸向移動，后端小橫梁卡在絲杠的卡槽內固定），頂著尾擋板、短管向前移動，將短管前端與上一節(jié)管尾部的絲牙承插口擠壓到位。液壓頂保持壓力，將鉆桿上連接的管帽、短管、尾擋板、液壓頂串聯(lián)成一個整體。

開動鉆機，擴孔、回拖，管道拖進1 m后暫停，松開液壓頂→拆下尾擋板→接長鉆桿→安裝短管、尾擋板、液壓頂→液壓頂加壓伸長（短管接頭擠壓到位）→鉆機，擴孔、回拖。這樣多次循環(huán)，完成整條管道頂拉作業(yè)。回拖過程中隨時觀察各種參數(shù)的變化，如發(fā)現(xiàn)拉力、扭矩過大、泥漿循環(huán)不暢等現(xiàn)象，立即停機檢查，分析原因、排除故障，一切正常后再進行頂拉作業(yè)。

3 頂拉管施工和水平定向鉆鋪管施工成本分析

3.1 應用項目

汕頭市濠江區(qū)全區(qū)污水管網完善建設項目，位于廣東省汕頭市南部，本項目分布在濠江區(qū)7個街區(qū)，分別為礐石街道、塔頭危險品庫區(qū)、三聯(lián)工業(yè)區(qū)、玉新街道、馬窖街道、濱海街道、廣澳街道，具體位置如圖7所示。

本項目在不同地區(qū)分別應用了頂拉管施工工藝和水平定向鉆鋪管工藝。

3.2 頂拉管施工工藝和水平定向鉆鋪管工藝成本對比

通過實際項目實踐，兩種施工工藝的成本分析如表2所示。

表2 兩種施工工藝的成本分析 （元）Tab.2 Cost Analysis of Two Construction Processes

由表2 可以看出，頂拉管施工工藝在造價方面優(yōu)于水平定向鉆鋪管工藝，節(jié)省約10%～20%的成本。

4 結論

4.1 主要優(yōu)勢

基于定向鉆導向的承插型管道頂拉施工技術具有水平定向鉆的精準導向優(yōu)點，同時又具有直接鋪管法在穿越淤泥層時避免塌孔的優(yōu)勢［11］。該施工技術適用于淤泥地質、砂層地質等自身粘結性不好的地質環(huán)境，確保在施工中不塌孔，這是水平定向鉆鋪管工藝所不具備的。該施工技術所采用的設備（擴孔器、分動器、管帽、尾擋板、液壓頂）均是小型簡易設備，造價低，設備取材方便，相比直接鋪管法所采用的微型隧道掘進機、導向系統(tǒng)均是中等型號設備，該施工技術明顯優(yōu)于直接鋪管法。經汕頭市濠江區(qū)全區(qū)污水管網完善建設項目的應用及對比分析，該施工工藝在水平定向鉆鋪管工藝、直接鋪管法工藝3 種工藝中造價最有優(yōu)勢，與水平定向鉆鋪管工藝對比，頂拉管施工工藝節(jié)省約10%～20%的成本。頂拉管的作業(yè)軌跡分為3 段：第一段斜直線部分→第二段曲線部分→第三段水平直線部分。對比水平定向鉆工藝，減少了第四段曲線部分和第五段斜直線部分，直接減少了施工現(xiàn)場的土地開挖面積，減少渣土和揚塵排放，是一種綠色環(huán)保施工工藝。

4.2 現(xiàn)存問題

基于定向鉆導向的承插型管道頂拉施工技術，在汕頭市濠江區(qū)全區(qū)污水管網完善建設項目中得到了應用，下一步需要將該工藝總結為可供行業(yè)借鑒實施的標準施工工法，在工藝總結的過程中，存在的“關鍵施工技術在理論方面推導和證明的欠缺”問題。例如：管道頂拉施工過程中頂力和拉力的作用荷載比例，本文僅僅計算總需求荷載，總需求荷載的計算是依據(jù)水平定向鉆的拖拉荷載公式，總需求荷載并不能揭示拉力和千斤頂頂力各自的數(shù)值，回拖機和千斤頂?shù)墓餐鳂I(yè)操作仍然需要依靠經驗。管道連接接口的抗拔力亦需要深入研究，因為施工過程中伴隨著鋼板樁支護，鋼板樁的插入及拔起均會產生相應的豎向力，因此，管道連接接口具備一定的抗拔力是施工工藝要求。