王永軍，劉大偉，孫 浩，張 禹

(中鐵四局集團第一工程有限公司,安徽 合肥 230000)

隨著我國城市化戰(zhàn)略目標的接力推進,市政工程相應(yīng)技術(shù)持續(xù)完善,給排水管網(wǎng)系統(tǒng)建造正在不斷優(yōu)化[1]。管網(wǎng)系統(tǒng)的施工方法一般為傳統(tǒng)的開槽埋管,即先根據(jù)地質(zhì)條件開槽放坡,澆筑墊層后鋪設(shè)預(yù)定管道,此工法的弊端在于存在障礙物時施工難度極大,影響正常的施工進度,同時會影響環(huán)境以及正常的居民生活。因此,給排水管道穿越障礙物施工中,非開挖水平定向鉆拉管工法廣泛發(fā)展,有效解決了開槽埋管的弊端問題。本文對非開挖水平定向鉆拉管技術(shù)的要點進行了全面總結(jié)分析,為市政管道管線工程提供一定參考[2]。

1 非開挖水平定向鉆拉管施工概述

非開挖水平定向鉆拉管施工設(shè)備主要包括定向鉆機、定位與導(dǎo)向儀器、鉆具和鉆桿等,施工前先進行地質(zhì)、水文、地下管線及建筑物的勘測,根據(jù)工程勘測結(jié)果計算回托力、選擇鉆機型號,開挖工作井,設(shè)置出土角、入土角,預(yù)定軌跡后利用導(dǎo)向系統(tǒng)和鉆桿確定施工最終導(dǎo)向,導(dǎo)向孔完成后選擇合適的泥漿配比,在出土點反向回拉擴孔,擴孔直徑不宜過大或過小,若地質(zhì)條件不良時應(yīng)分級擴孔,待所有管道焊接完畢后,一次將管道回托完成。拉管施工技術(shù)的優(yōu)越性主要在于:1)對環(huán)境影響小,有利于管線保護;2)保證居民及交通等正常進行;3)施工周期短,可預(yù)測短期施工計劃;4)維修費用低。

2 非開挖水平定向鉆拉管施工要點

2.1 前期勘測

前期勘測是整個拉管施工中的決定性因素,與后期的工作井放坡、預(yù)定軌跡、鉆液和泥漿配比息息相關(guān)?，F(xiàn)場勘探需要注意的有:障礙物類型及平面長度,主要用于計算出入土角角度[3];勘探孔的布置,一般勘探孔的深度為設(shè)計標高以下3 m～5 m,若遇不良地質(zhì)時,勘探孔深度應(yīng)當適宜增加,勘探孔間距根據(jù)實際地質(zhì)條件的復(fù)雜程度設(shè)置;確定影響導(dǎo)向系統(tǒng)探測的干擾源因素,以便后期選擇合適的導(dǎo)向設(shè)備。

2.2 導(dǎo)向施工

2.2.1 導(dǎo)向設(shè)備選取

最常用的導(dǎo)向施工設(shè)備包括無纜式地表定位與導(dǎo)向系統(tǒng)和有纜式定位與導(dǎo)向系統(tǒng)。無纜式地表定位與導(dǎo)向系統(tǒng)主要通過安裝在鉆頭后的發(fā)射器傳遞信號給手持式跟蹤接收器實現(xiàn)定位導(dǎo)向,一般用于跟蹤距離不超過10 m且鉆孔深度不超過21 m的導(dǎo)向施工,此設(shè)備在使用過程中須避免附近干擾源。一般在有干擾源存在的現(xiàn)場,采用有纜式定位與導(dǎo)向系統(tǒng),此系統(tǒng)通過連續(xù)纜線直接與計算機連接,從而控制施工軌跡,不受干擾源、鉆孔距離和深度的影響[4]。

2.2.2 平面傾角選定

在大多數(shù)拉管穿越工程中,一般出、入土角可在8°～30°之間取值,出土角過小會導(dǎo)致覆土深度較小,在拉管導(dǎo)向中往往鉆桿會翹出地面,影響施工;出土角過大則會增大上覆土重[5],不利于施工。針對管徑較大的管材,由于其壁厚相對較大,不宜發(fā)生彎曲,其具有入、出土角相對較小,覆土深度較深,工作井距障礙物較遠等特點;針對管徑較小的管材,平面傾角較大,工作井距障礙物的距離較近。一般情況下,若要縮小工作井距障礙物的距離,可采取增大出、入土角角度等措施[6]。

2.2.3 導(dǎo)向軌跡設(shè)定

一般常用的導(dǎo)向軌跡有兩種,一是“斜直線-曲線-直線-曲線-斜直線”,二是“曲線段”,分別見圖1,圖2拉管施工導(dǎo)向孔軌跡圖。前者軌跡存在斜直線段,適用于管材壁厚較大且不宜彎曲(即管徑較大),后者全部由造斜段組成,其覆土深度相對較小,適應(yīng)于管徑較小的管材[7]。

為進一步探索“斜直線-曲線-直線-曲線-斜直線”鉆孔軌跡入土點距障礙物的長度以及入土角角度的關(guān)系,通過幾何運算,推導(dǎo)結(jié)果如下:

拉管出、入土點距障礙物端點距離公式(假定出、入土角相等):

反求入、出土角公式:

其中,H為管底覆土深度(穿越障礙物為河流時,覆土深度按延伸至地表計算),最小覆土深度一般大于鉆孔最終擴孔直徑的6倍以上;N為鉆桿;L為拉管總長度;數(shù)值上等于AN;A為鉆桿長度,一般取3 m,按照現(xiàn)場實際情況取值;X為障礙物總長;D為管材外徑;R為曲率半徑。

基于數(shù)學課程標準的國際比較研究，近年來國內(nèi)曹一鳴教授、史寧中教授領(lǐng)銜的團隊均有較為深入的研究．其中，曹一鳴團隊圍繞不同階段（尤其是高中階段）數(shù)學課程標準內(nèi)容分布、理念目標、不同知識單元廣度深度等方面進行了一系列的探討[8-16]；史寧中團隊主要針對高中階段數(shù)學課程標準教育理念、主要內(nèi)容、呈現(xiàn)方式、廣度深度等方面進行了一系列的分析[17-19]．

造斜段須考慮曲率半徑R,其取值可根據(jù)CECS 382:2014水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程:不同管徑選定,一般為利于鋪管,最小曲率半徑應(yīng)盡可能大,可按下列經(jīng)驗公式取值:

Rmin=206·D·S/K2。

其中,D為管材外徑,mm;S為安全系數(shù),S=1～2;K2為管材的屈服極限,N/mm2。

2.2.4 鉆機的選型

針對定向鉆機而言,其主要參數(shù)包含回轉(zhuǎn)扭矩、回托力。一般的鉆機選型需要考慮以下幾點條件:1)根據(jù)管道鋪設(shè)長度、曲率半徑等因素計算施工所需的回轉(zhuǎn)扭矩和回托力;2)綜合考慮現(xiàn)場條件,如電力系統(tǒng)、現(xiàn)場水源、交通條件等問題,以便于選擇適合于現(xiàn)場施工的定向鉆機。

根據(jù)CECS 382:2014水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程要求,在拉管回托過程中,管材所能承受的最大回托力為:

其中,F為管道所承受的最大回托力;D1為管道外徑,mm;D為管道內(nèi)徑,mm;N為安全系數(shù),給水管道一般取2.0;σ為管材的屈服強度。

2.3 泥漿配比

在非開挖水平定向鉆拉管施工中,泥漿扮演舉足輕重的角色,常用于鉆進液和擴孔中。目前,常用的泥漿為水基泥漿,由水、膨潤土、堿性材料(純堿)和添加劑(提黏劑、堵漏劑等)按照一定比例配制而成,具有冷卻、潤滑鉆頭和管道,軟化地層,攜帶砂石碎屑,穩(wěn)定孔壁等特點。在配置泥漿過程中,要嚴格把控水源質(zhì)量和膨潤土添加量,合格泥漿的檢驗標準為在配比結(jié)束后,泥漿呈現(xiàn)絮狀懸浮則為優(yōu)良配比,若沉淀較多或輕浮于表面則配比不合格,容易造成卡鉆、塌方等現(xiàn)象。

2.4 回拉擴孔

在實際現(xiàn)場中,擴孔直徑不宜過大或過小。若擴孔直徑過大,注漿量大,施工成本增加,且容易造成塌方;若擴孔直徑較小,泥漿無法及時排除,容易出現(xiàn)“抱管”現(xiàn)象。

2.5 管道焊接

由于聚乙烯管(PE管)具有連接可靠、抗沖擊性能優(yōu)越、抗應(yīng)力開裂性強、水流阻力小、可撓性、無毒、耐磨耐腐蝕耐老化等特性,在具體拉管施工中大多數(shù)采用PE管。

1)冷卻時間控制。PE管焊接首先將兩根管材固定在熱熔機設(shè)備上,用刀具將兩根管材削平、修整,用抹布將焊接部分20 cm范圍內(nèi)的管口擦拭干凈,將熱熔板夾至兩根管道之間[9],須保證熱熔溫度達到210 ℃～230 ℃左右,之后快速卸下熱熔板,以指定壓力推進管道促使連接,待達到規(guī)定冷卻時間后開始卸壓,并進行下一節(jié)管道焊接。

一般PE管(SDR11)的冷卻時間見表1。

表1 PE管焊接冷卻時間及推動壓力表

PE管熱熔焊接過程中會在管節(jié)連接處待冷卻后產(chǎn)生凸起部分(即焊縫),此部分一般大于0.1×壁厚+0.5 mm視為合格,在實際施工中,為減小拉管回托中的摩擦阻力,熱熔管材冷卻后一般將此部分削平,在整個焊接過程中,為使管節(jié)連接緊密,須做好固定以及防塵工作。

2)焊接時間控制。PE管總焊接時間是卷邊凸起規(guī)定高度所需時間、吸熱時間、切換時間、對接時間和冷卻時間的總和。切換時間即為迅速取下熱熔板的時間,增壓時間為卸載熱熔板后以指定壓力推進管節(jié)相接的時間,吸熱時間一般為管道壁厚×10,其中管道壁厚以mm計,在實際施工現(xiàn)場,主要采取控制吸熱時間來控制管道焊接時間[10]。

2.6 拉管回托

擴孔和焊接完成后,進行最后一項關(guān)鍵程序:拉管回托?；赝星?在出土點鉆桿頭部使用拉鉤和單動接頭或擴孔器,單動接頭主要用于防止管道回轉(zhuǎn),避免在回托過程中管道發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞,擴孔器可以確保鉆孔暢通。一般在實際非開挖水平定向鉆拉管施工中,出、入土點工作井布滿泥漿,確保了整個工作面的潤滑,避免“抱管”“卡鉆”等情況發(fā)生[11]。

拉管回托需要注意的事項:一是必須在管道頭部連接錐形鉆頭,防止泥漿、砂石進入管道,增加后期沖洗任務(wù)量;二是整個回托須勻速,且時刻關(guān)注回托壓力[12]。

3 結(jié)語

非開挖水平定向鉆拉管施工結(jié)合傳統(tǒng)道路鉆孔以及煤礦油田鉆進技術(shù),目前該項技術(shù)愈發(fā)成熟,主要用于穿越河流、樹林、道路和大棚等障礙物類型,本文通過對拉管施工中的前期勘測、導(dǎo)向設(shè)備選取、平面傾角選定、導(dǎo)向軌跡設(shè)定、泥漿配比、回拉擴孔、管道焊接和拉管回托等程序和要點的論述為現(xiàn)場施工提供了可靠的施工方案。