盧純青
(1 福建省煤田地質(zhì)勘查院 福建福州 350005 2 福建東辰綜合勘察院有限公司 福建福州 350005)
伴隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們的環(huán)保意識日益提升,在現(xiàn)代城市建設(shè)中,兼顧環(huán)保友好型的施工方式越來越受推崇。而非開挖技術(shù)作為友好型施工方式之一被廣泛應(yīng)用于擁擠的市政地下管網(wǎng)施工中[1]。福建作為沿海發(fā)達(dá)城市,對城市地下管網(wǎng)設(shè)施(如:電力、通訊、給排水、熱力燃?xì)獾龋┑倪\輸能力需要不斷提高,因此需要大量新建、擴(kuò)建和改建現(xiàn)有的地下管網(wǎng)設(shè)施。本論文中所涉及的工程正是在這個大背景下進(jìn)行的。
導(dǎo)向技術(shù)是決定非開挖鋪管是否成功的前提,通常導(dǎo)向軌跡平順度越高,越有利于非開挖鋪管施工。理論上,當(dāng)導(dǎo)向弧度超過每根Φ73 mm 鉆桿(3 m)15%的變化或每根Φ73 mm鉆桿(3 m)12%連續(xù)變化3 根鉆桿(9 m)的彎曲時[2],極易發(fā)生鉆具斷裂或脫扣的安全事故。但在實際施工中,常常由于受場地條件限制、地形及地質(zhì)情況、現(xiàn)狀地下管線分布等的影響,采用常規(guī)導(dǎo)向技術(shù)無法達(dá)到預(yù)期目的,這種情況下,極限彎曲導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)運而生。
本工程為福建省某地小區(qū)排污管道接駁項目。工程設(shè)計非開挖鋪設(shè)DN400 mm 污水管,由小區(qū)內(nèi)污水井沿外部小巷人行道下覆接入校園內(nèi)污水井,長度約270 m。該小巷由北向南從山頂依山腰順勢而下,高差12 m,平直段的寬度僅約6 m,路兩側(cè)皆為陡坎。施工現(xiàn)場平面圖及剖面圖見圖1 和圖2。
圖1 施工現(xiàn)場平面圖
圖2 施工現(xiàn)場剖面圖
從圖1 可以看出,由于現(xiàn)場地形及場地構(gòu)筑物限制,需要進(jìn)行大弧度的導(dǎo)向施工。
經(jīng)過現(xiàn)場查勘,擬穿越施工范圍內(nèi)地下管線具體分布有:通信管(埋深1.6 m 以內(nèi),靠近道路的北東側(cè))、雨水管(埋深1.3 m~1.7 m,沿道路中心走向順流而下)、DN315 mm 給水管(埋深1.5 m 以內(nèi),在道路西南側(cè)的人行道上)、其他橫穿不知名支管(埋深均在1.2 m 以內(nèi))。
根據(jù)地勘報告,結(jié)合現(xiàn)場工作坑的開挖斷面及小區(qū)內(nèi)污水管開挖段斷面所揭示的情況分析,該區(qū)域地層由上至下大致為:砼路面及水穩(wěn)層(1 m 以內(nèi)),下覆為粘土或殘積土,非開挖穿越地層基本位于粘土層或殘積土層。
受施工場地狹小因素制約,綜合考慮地質(zhì)條件因素,本工程選用ZT-25 型小型非開挖鉆機(jī),配套Φ73 mm 鉆桿(單根3 m);采用美國月蝕無線導(dǎo)航儀配合雙頻信號棒進(jìn)行導(dǎo)向施工。
2.2.1 導(dǎo)向孔軌跡設(shè)計
(1)平面軌跡設(shè)計??紤]到后續(xù)鋪設(shè)煤氣管道施工的安全性,平面上應(yīng)盡量避開煤氣管道的設(shè)計鋪設(shè)軌跡。若實在無法完全避開,出現(xiàn)局部接近或交叉,剖面上要確保低于煤氣管道設(shè)計鋪設(shè)埋深0.6m 以上。
(2)剖面軌跡設(shè)計。如圖3 所示,前半部A 段煤氣管道的埋深為地面向下2.2 m,相交處穿越的導(dǎo)向深度設(shè)計大于3 m;B 段路的東側(cè)見防空硐出入口,為了保證順利安全穿越下方防空洞,擬參照現(xiàn)狀雨水管埋深。C 段是整個導(dǎo)向施工中的最大彎曲段,也是本次施工的難點和關(guān)鍵段,按常規(guī)軌跡設(shè)計,導(dǎo)向孔軌跡在平面上會與后續(xù)煤氣管的設(shè)計鋪設(shè)軌跡相交,剖面上后續(xù)煤氣管的設(shè)計埋深為2.5 m,所以本次導(dǎo)向孔設(shè)計埋深應(yīng)超過3 m。
圖3 剖面軌跡設(shè)計圖
2.2.2 平面弧度的計算方法
如圖4 所示,在小路彎曲段兩端相連的直線段,沿路的中心線分別取A、B、E、F 4 點,用細(xì)繩分別延長AB、FE 線段相交于C 點,延長AB 與路沿相交于D 點,從D 點向FE 段引近似垂線交FE 于G 點,此時量取CD、CG、GD 的長度分別為4.65 m、2.41 m、4.00 m。套用三角函數(shù)公式計算可得:∠DCG≈59.3°、∠BCE≈180°-59.3°=120.7°,即:道路中心線的夾角為120.7°。通過計算(180°-120.7°)可知,穿越該彎曲路段的弧度變化是59.3°,換算成儀器上的百分比弧度約為100.8%(59.3°×1.7=100.8%,儀器顯示的1°換算成百分比等于1.7%)。
圖4 彎曲段平面示意圖
按照相關(guān)規(guī)范,結(jié)合以往施工的經(jīng)驗,每根Φ73 mm 鉆桿(3 m)在粘土和淤泥地層中每次最大變化不超過15%,在砂層、殘積土層中不超過12%;每個弧度段連續(xù)變化不超過36%[1],平直過渡段長度應(yīng)大于連續(xù)彎曲段長度。本工程中穿越道路狹窄,轉(zhuǎn)彎長度僅為63.0 m,變化總弧度達(dá)到100.8%。如果按常規(guī)的彎曲弧度施工,軌跡將越過人行道而進(jìn)入民宅,導(dǎo)致無法完成施工。因此需突破常規(guī),導(dǎo)向軌跡設(shè)計上通過3 次大的弧度變化來完成導(dǎo)向孔鉆進(jìn)。
設(shè)計思路如下:圖1 中,第1、2 段彎曲弧度變化均為36%、變化段的長度均為3 根鉆桿,平直過渡段安排4 根鉆桿長度,總長為42 m;第3 段彎曲弧度變化為28.8%,變化長度為3 根鉆桿,平直過渡段為剩余穿越的長度。特別要注意的是:實際施工中,在過第3 段彎曲時,在確保不越過人行道邊界進(jìn)入民宅且能進(jìn)入接入端工作坑的前提下,盡量延長以減小彎曲弧度,保證施工安全。
2.2.3 導(dǎo)向孔鉆進(jìn)施工工序優(yōu)化
(1)考慮到穿越地層為粘土層和殘積土層,質(zhì)地較硬。為減小在硬地層中導(dǎo)向施工的阻力,采用特制的尖嘴導(dǎo)向斜掌進(jìn)行導(dǎo)向鉆進(jìn),保證導(dǎo)向孔平滑的同時,又可以防止異常彎曲,保護(hù)鉆具,確保安全施工。
(2)由于穿越硬地層給進(jìn)過程中阻力較大,因此需設(shè)置地錨箱,以加固鉆機(jī)以免發(fā)生反向推移;同時為有效避免懸空段鉆桿在導(dǎo)向鉆進(jìn)給進(jìn)過程中受力彎曲變形,對鉆機(jī)機(jī)頭處到入土點間懸空部分的鉆桿采用墊木樁或沙袋的方式進(jìn)行支撐。
(3)在彎曲段導(dǎo)向施工時,通過加大水泵泵壓方式減小給進(jìn)阻力。
由于本工程導(dǎo)向軌跡彎曲度較大,考慮到穿越地層為粘土層和殘積土層、成孔效果較好,為有效防止回拖管道時在彎曲處出現(xiàn)卡管或憋管增大摩擦的不利現(xiàn)象,實際擴(kuò)孔的終孔直徑應(yīng)比常規(guī)擴(kuò)孔直徑再大一級。理論上,常規(guī)擴(kuò)孔終孔直徑應(yīng)為擬鋪管直徑的1.2~1.5 倍。本工程擬鋪管直徑為Φ400 mm,因此實際擴(kuò)孔終孔直徑應(yīng)為Φ700 mm,即選用Φ280 mm、Φ380m、Φ480 mm、Φ580 mm、Φ680 mm 擴(kuò)孔鉆頭分5 級回拉擴(kuò)孔。同時,還要注意控制回擴(kuò)孔速度,盡量使彎曲的孔道順滑,有效降低回拖力和扭矩,最后在實施回拖管前還要用筒式擴(kuò)孔器進(jìn)行清孔,以進(jìn)一步清除孔內(nèi)鉆屑,確保鉆孔內(nèi)壁光滑??紤]到穿越地層為粘土和殘積土層,我們選用凹槽型回擴(kuò)頭,它是特別為在硬實性土層中擴(kuò)孔而設(shè)計的。凹槽型回擴(kuò)頭可以使大量的泥漿流過回擴(kuò)頭,焊上去的切削齒能起到更好的切削硬土和混合泥漿的作用(見圖5)。
圖5 凹槽型回擴(kuò)頭
本工程穿越地層為粘土層及殘積土層,含砂量不高且質(zhì)地較硬,造漿、成孔效果較好,因而泥漿的配置相對而言較為簡單,泥漿pH 值的控制及泥漿泵量大小的選擇是關(guān)鍵。泥漿的pH 值表示泥漿中含酸、堿的程度,一般來說泥漿在呈堿性的水溶液內(nèi)比較穩(wěn)定,否則會引起泥漿粘度、靜切力和失水量等性能的變化。不同的膨潤土和處理劑,只有在其所處水質(zhì)環(huán)境的pH 值大于7 的條件下,最好是在8~9 之間,才能充分發(fā)揮作用,所以,我們要保證施工所用水和泥漿的pH 值在8~9之間。這就要求我們要對現(xiàn)場所用的水質(zhì)進(jìn)行化驗,用PH 值試紙測定水和泥漿的pH 值。經(jīng)檢測現(xiàn)場用水pH 值為7,不適合用來制配泥漿,我們采用添加蘇打以提高水的pH 值。
加大泥漿泵量更有利于在鉆孔內(nèi)形成可流動的泥漿,充分形成濾餅環(huán)型空間,保持孔壁穩(wěn)定防止孔道坍塌的同時,在后續(xù)回拖管道中起到很好的潤滑作用,最大程度減少管道與孔壁間的摩擦力,確?;赝瞎艿腊踩嵺`證明,優(yōu)化后的泥漿工藝效果相當(dāng)明顯。
回拖鋪管是非開挖定向鉆穿越鋪管的最后一道工序,也是實現(xiàn)非開挖鋪管目標(biāo)的最后一步,因此回拖過程中的控制尤其重要(見圖6)。
圖6 管道回拖示意圖
由于本工程導(dǎo)向及鉆孔軌跡彎曲段較多且長度較長,為避免回拖過程管道在曲折的孔道中出現(xiàn)卡管、憋管等不利局面,在管道材質(zhì)選擇上選用柔韌性好的給水等級高純PE 管材,而非常規(guī)的排水PE 管(質(zhì)地偏硬)。同時,采用注水平衡法,往管道內(nèi)注入一定量水的方式使得孔道內(nèi)的管道懸浮于泥漿中,以最大程度減小回拖過程中因管道與孔壁間的摩擦產(chǎn)生的阻力。
由于項目組人員對整個非開挖鋪管過程中可能會出現(xiàn)的種種困難充分考慮,對各道工序進(jìn)行了針對性優(yōu)化改進(jìn),最終成功完成了這次大弧度、多彎道的高難度非開挖鋪管施工。
本次非開挖鋪管的順利完成,不僅克服了狹窄彎曲道路周邊民宅對工程的不利影響,而且在原本就并不寬裕的地下空間給后續(xù)的煤氣管道施工留下了足夠的施工空間。實踐證明,通過工藝優(yōu)化,多次、大弧度、連續(xù)彎曲的導(dǎo)向孔施工是可以成功的,為后續(xù)類似工程起到了積極的示范指導(dǎo)作用。