定向钻牵引法在管道施工中的应用实践-建筑设计

发布时间：2022-10-05 10:10 热度：

定向钻牵引法在管道施工中的应用实践

王明之

【摘 要】 【关键词】 前期调查；钻孔曲线设计；测量定位；HDPE双壁缠绕管；定向钻孔；回拖管材

目前，在市政雨、污水管道施工中，在正常水文地质条件下，埋置较浅的管道采用直接开挖沟槽施工是一种常见的施工技术，它具有施工方便、技术要求低等特点；但遇到管道埋置较深，管道沿线水文地质条件差，沿线地物情况复杂等条件限制时，无论从直接经济方面考虑，还是从安全方便考虑，直接开挖沟槽施工已不是明智之举。本文即以某项目污水管道工程为例，详细介绍了在管道埋置较深，管道沿线水文地质条件差，沿线地物情况复杂等条件下，应用定向钻牵引法施工污水管道的一点实践心得。

1 概况

1.1 工程简介

泰州华侨城综合旅游项目位于江苏省姜堰市溱湖风景区西南侧，紧邻宁靖盐高速公路和溱潼大道，交通便利，是一个集商务会议、休闲旅游、温泉度假于一体的综合性项目。本次设计的污水管道工程位于华侨城西侧、体育公园高尔夫球场区域，污水管道全长1063m，设计管径为DN800，管道埋深标高在0.00～-5.31之间，体育公园高尔夫球场土方施工在管道施工前已完成，管道沿线地表标高在2.5～5.0之间。

1.2 现场地质、地貌

拟建工程场地位于溱湖风景区内，滨临溱湖，植被茂盛，地貌类型为里下河平原，地形相对较为平坦，呈北低南高，地貌类型单一，第四系松散堆积物厚度较大，分布稳定，其成因为湖相沉积，地质构造简单。根据场地所处的地貌单元和形成环境综合分析，场区地层在钻探深度范围内自上而下可分为4层，自上而下分别为：

①素填土层：灰，灰绿、灰黄色，多呈软塑状态，以粘性土为主，该层土为新近堆填，尚未完成自重固结，力学性质差。局部地段下部为埋藏植物层。该层分布于全场地，揭露层厚0.40～5.60m，平均2.24m，层底标高-1.71～2.06m，平均0.36m。

②粉质粘土层：灰色，软塑，局部为淤泥质粉质粘土，含少量未腐烂植物根须及腐殖质，无摇震反应，稍有光滑，韧性中等。该层全场地分布，揭露层厚0.40～4.30m，平均2.59m，层顶标高-1.71～2.06m，平均0.36m。

③粉土夹粉质粘土层：灰色，粉土的矿物成分主要为石英、长石和云母等，湿，稍密状态，摇震反应中等，无光泽反应。所夹粉质粘土呈软~可塑状，无摇震反应，稍有光滑，干强度中等，韧性中等，大多呈薄层分布。揭露厚度1.60～3.60m，平均2.28m，层顶标高-1.53～-2.06m，平均-1.61m。

④粉质粘土层：灰黄夹褐黄色，可塑，局部硬塑，含少量褐黄色铁锰结核。无摇震反应，稍有光滑，干强度中等，韧性中等。局部夹可塑状态粘土。该层分布于全场地，层顶标高-3.83～0.55m，平均-2.32m。

2 管道施工方案的确定

2.1 设计管道所在地质层评价

根据地质报告，污水管道主要位于第2、3地质层中，具体地质条件评价如下：

②粉质粘土层 土工试验指标平均值如下：含水率W＝34.7％，重度γ＝19.3kN/m3，孔隙比e＝0.904，液性指数IL＝0.92，压缩指数α1~2＝0.515MPa-1，粘聚力c＝22.7kPa，内摩擦角φ＝3.0度，压缩性高。标贯击数标准值N＝2.6击，单桥静探Ps标准值=0.56MPa，该层力学性质较差。

③粉土夹粉质粘土层 土工试验指标平均值如下：含水率W＝32.4％，重度γ＝19.5kN/m3，孔隙比e＝0.856，压缩指数α1~2＝0.145MPa-1，粘聚力c＝15.5kPa，内摩擦角φ＝24.3度，压缩性中等。标贯击数标准值N＝5.3击，单桥静探Ps标准值=2.35MPa，该层力学性质一般。

2.2 甲方相关意见

根据甲方意见，体育公园高尔夫球场土方施工已完成，因季节原因下一步即将培养草皮，考虑到不影响华侨城整体建设进度计划以及直接开挖沟槽施工管道将导致球场土方的二次整形造成的经济损失，经会议研究决定，本次下穿球场的污水管道不得采用直接开挖的形式进行施工；同时污水处理厂位于宁靖盐高速公路西侧，华侨城位于宁靖盐高速公路东侧，污水管道需下穿高速公路才能将污水送达污水处理厂，直接开挖施工管道没有可行性。

2.3 方案的确定

经归纳，本次污水管道工程具有以下几个特点：

(1) 沟槽管道埋置较深，最浅处埋深约3.5m，最深处埋深达7.5m；

(2) 管道沿线水文地质条件差，管道设计位置基本位于第2、3地质层中，其中第2层为粉质粘土层，为新近回填地质层，力学性质较差；第3层为粉土夹粉质粘土层，力学性质一般，存在液化可能性，不能大范围扰动。

(3) 沿线地物情况复杂，本次设计污水管道需下穿高尔夫球场及高速公路。

鉴于以上几点，经相关会议研究决定，本次污水管道采用定向钻牵引法进行施工。

3 定向钻牵引法施工步骤

3.1 施工准备

3.1.1 设备准备

定向钻牵引法施工根据工期及施工要求一般需要配置以下几种常见的施工设备：水平导向钻机、泥浆混配系统、控向仪、地下管线探测仪、轮式挖掘装载机、抽水泵、发电机、管材焊接机等。

3.1.2 管材准备

应根据设计要求选用高质量的管材，并配备专门的管材焊接队；本工程中选用HDPE双壁缠绕管，环刚度≥10kN/m2，管径为DN800，采用电热熔接头。

3.1.3 前期调查

该项工作是定向钻牵引法施工管道成败及安全施工的关键，主要包括两个方面：一是区域以内的管线探测，并做出标记。二是地质勘查，手段是在设计检查井位置开挖样洞。

3.1.4 管道埋深修正值的确定

本次污水管道均为重力流管道，由于管道敷设前要进行扩孔，扩孔孔径一般都比设计管径要大，根据已有工程施工经验，管道回拖后在扩孔内将上浮，因此在确定钻孔轨迹标高时应进行标高修正，以确保成型管道满足设计要求；本次牵引施工管道管径为DN800，扩孔直径一般比设计管径大150mm，因而钻孔轨迹中心线标高理论上要减去75mm，同时考虑到管道上浮时并不能完全紧贴扩孔上壁，因此本次实际修正值取钻孔轨迹中心线标高减去60mm。

3.2 施工工艺及控制

3.2.1 工艺流程

3.2.2 钻孔曲线设计

弧形导向孔轨迹由两部分组成：造斜段和直线段；造斜段是钻杆进入敷管深度的过渡段，直线段是管道穿越障碍物的敷设段，具体详见下图。

(1) 造斜段设计

造斜段距离(L)与钻杆入射角(α)分别按如下公式计算：

其中R取1200倍管径，h值为修正后钻孔轨迹线深度。

(2) 直线段长度确定

当敷设长度过长或受场地条件限制时，牵引机械不足以一次性完成拖管施工，需分段牵引施工，根据已有的施工经验，工程中一次性牵引长度约在200m左右；结合本工程实际，本工程适宜一次性牵引长度为150m。

3.2.3 测量定位

根据设计资料，对所有导线点和水准点进行复测，根据结果进行管道的放样、原地面的测量。用白灰标出管道轴线位置，在轴线上每间隔相同距离做好原地面标高标记，以便导向施工时精确控制标高，同时在轴线上标出井位位置，打好井位中心桩。

3.2.4 工作坑开挖

每段牵引需设置工作坑2个，即入口工作坑和出口工作坑，均采用机械挖掘，密扣钢板桩支护。工作坑一般钻机前5m至10m之间挖掘，入口处位置挖出深2m长2m，宽lm斜槽，出口点挖出深2m长3m，宽lm斜槽。

3.2.5 钻孔定位

检查钻机是否工作正常，钻机定位应准确、水平、稳固。

3.2.6 泥浆制备

制备泥浆应根据现场地质条件，制定泥浆性能参数，按照制定的泥浆性能参数，配制泥浆。

3.2.7 试钻

启动钻机，钻入1-2根钻杆，检查设备仪器是否运转良好，发现问题及时处理，试钻时还应检查泥浆混配系统是否渗漏。

3.2.8 钻导向孔

根据测量的轴线，操作定向钻机水平钻进，地面上部采用控向仪等导航设备控制钻头的方向，严格按设计曲线形成导向孔，具体注意事项如下：

(1) 钻杆接头应对正，不允许使用有质量缺憾的钻杆，连接时应边缓慢给进动力边慢转上扣，不得拧得过紧。

(2) 造斜曲线段顶进时应缓慢顶进，并根据地质变化情况合理给力控制顶进速度。

(3) 钻杆内不得有赃物，以免堵塞钻头喷嘴，影响钻孔质量。

(4) 时刻检查各种配合机械工况，及时排除隐患。

(5) 使用技术熟练，经验丰富的驾驶员操作机械，以免操作失误。

(6) 进人水平段采用轻压快转以保持钻具的导向性和稳定性，根据地层变化和钻进深度，适时调整钻进参数。

(7) 在发射坑内水平段可用垫撑对钻杆进行支撑，以减小钻杆自重影响水平段水平度。

(8) 导向孔完成后，对发射坑人土口、接收坑出土口标高和方位进行复核，确保按设计曲线成孔。

(9) 施工过程中，密切注意钻进过程中有无扭矩、钻压突变、泥浆漏失等异常情况，发现问题立即停止施工，待查明原因后采取相应措施后施工。

(10) 钻机应配有步履跟踪式导向仪，用以确定钻孔实时位置及各项数据，监测钻头是否偏离设计轨迹；一般情况下造斜曲线段每10cm监测一次，直线段每20cm监测一次。及时作好施工原始记录，记录内容应包括钻进时间，轴线角度，扭矩一，顶力，土质清况等

3.2.9 预(回)扩孔

导向孔完成后，卸下起始杆和导向钻头，换回扩钻头进行回扩。回扩过程中始终保持工作坑内泥浆坑内液面高度高于钻孔标高。回扩过程中使用好泥浆，扩孔时控制好泥浆各性能参数，不定期进行检测，按照施工要求及时调整泥浆性能指标。根据地层特点，合理控制回扩钻进速度，以利排渣。分次回扩、最后一次回扩合理采用相应挤扩式钻头，如回拖力和回扩扭矩较大，则需多回扩一次，以利孔壁成型和稳定。本工程中因采用DN800大口径管道，为防止洞壁塌方，利于更好成孔，需通过泥浆混配系统加人稀释粉，该粉具有固化洞壁，润滑钻杆，塑管等作用以及起到防止管材变形等功能。

回扩过程中，密切注意钻进过程中有无扭矩、钻压突变等异常情况，发现问题立即停止施工，待查明原因后采取相应措施后施工。

3.2.10 回拖管材

HDPE管材连接要严格按电热熔施工要求施焊，回拖前应检查电热熔焊接质量及管材外围钢筋加固质量，待焊接自然冷却后，检查合格后方能进行拖管。将连接好的管材沿接收坑坡道安放好，依次连接接头、分动器、钻杆。在回拖管道过程中，密切注意孔内情况、钻机操作手应密切注意钻机回拖力、扭矩的变化。回拖应平稳、顺利，严禁蛮拖。管材要一次性拖人已成形的孔洞中，中途尽量避免停顿，减少回拖的阻力。

3.2.11 现场泥浆处理

施工过程中，出入土点泥浆用泥浆泵抽到泥浆罐内，及时用泥浆车排放到合理位置，将废浆清理干净，并尽可能恢复施工前原貌。

4 结束语

(1) 在泰州华侨城污水管道工程实践中，在管道埋置较深，管道沿线水文地质条件差，沿线地物情况复杂等条件下，采用定向钻孔牵引法成功、快速的完成了污水管道的施工，使用近2年来，无不良情况发生；同时管道工程造价约在4000元/m左右，与直接开挖施工工程造价相当；综合各方面因素评定，在不影响高尔夫球场建设进度、不影响高速公路正常通行、不增加额外工程造价的情况下，定向钻牵引法施工无疑产生了相当好的经济效益和社会效益。

(2) 随着经济发展水平的提高，城市每年因规划的调整等原因需改造、扩容、新建大量的管线(如雨污管道、通信光缆、供水管道、天燃气管道等)，这些管线往往需下穿现有城市道路或重要公共设施，如采用传统明开挖施工管道，势必严重影响人们的日常生活和通行；同时随着城市形象及环保意识的日益提升，非开挖敷设管道必将成为现代社会发展必然趋势。

参考文献

【1】 室外排水设计规范(GB 50014-2006)。上海市政工程设计研究总院。

【2】 水平定向钻进管线铺设工程技术规范。中国非开挖技术协会。

【3】 城市地下管线探测技术规程(CJJ 61-2003)。北京市测绘设计研究院。

【4】 水平定向钻机安全操作规程(GB 20904-2007)。