水平定向鉆進(jìn)在排水管道中的可行性研究

石 磊

近年來(lái),隨著城市建設(shè)力度不斷加大,城市面貌日新月異,城市化水平不斷提高。雨污分流容易適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要,又符合城市衛(wèi)生的要求,因此將已有的合流制排水系統(tǒng)逐步改造為分流制排水系統(tǒng),代表著城市發(fā)展的必然。

雨污分流改造是把現(xiàn)有的合流管道作為雨水管道,新修一條污水管道。雨污分流改造工程存在3個(gè)難點(diǎn):1)不能大開(kāi)挖;2)不能降水;3)滿足城市功能要求的地下管線占據(jù)著城市地下空間。

水平定向鉆進(jìn)是采用安裝于地表的鉆孔設(shè)備,以相對(duì)于地面較小的入射角鉆入地層形成先導(dǎo)孔,然后將先導(dǎo)孔擴(kuò)徑至所需大小并鋪設(shè)管道(線)的一項(xiàng)技術(shù),在施工中具有跟蹤和導(dǎo)向功能。與傳統(tǒng)的挖槽埋管相比,它具有不影響交通、不破壞環(huán)境、施工周期短、綜合成本低、施工安全性好等優(yōu)點(diǎn),適用于穿越街道、公路、鐵路、建筑物、河流以及在鬧市區(qū)、古跡保護(hù)區(qū)、綠化帶等無(wú)法或不宜開(kāi)挖作業(yè)的地區(qū),目前已廣泛應(yīng)用于市政建設(shè)、電力、電信、煤氣管道、自來(lái)水管道以及各種管道的鋪設(shè)。

1 工程概況

該工程為雨污分流改造工程,需要新鋪設(shè)一條污水管道。該工程位于某市和平路西側(cè)非機(jī)動(dòng)車道上,分為550 m主管道和5條32 m過(guò)路管,共計(jì)全長(zhǎng)710 m。現(xiàn)狀道路及道路兩側(cè)建筑物已經(jīng)形成,地下管線平行鋪設(shè)于道路人行便道及綠化帶范圍內(nèi),開(kāi)挖降水施工勢(shì)必會(huì)造成沿線道路、建筑物、管線的破壞,而且施工投資大,施工周期長(zhǎng),對(duì)環(huán)境、交通影響大。目前國(guó)內(nèi)非開(kāi)挖技術(shù)已經(jīng)成熟,頂管施工技術(shù)能夠滿足不同管徑的排水管道,但管徑在D250～D800范圍內(nèi)頂管施工,其施工費(fèi)用高昂,風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大,成本高于管徑D800的頂管施工費(fèi)用。故根據(jù)經(jīng)濟(jì)分析比較,管徑在D250～D800范圍內(nèi)的管道采用水平定向鉆進(jìn)工藝施工。

目前,水平定向鉆進(jìn)工藝用于排水工程還缺乏大量的工程實(shí)例,原因是這種工藝在用于排水工程上還存在局限性:1)排水管材沒(méi)有專門(mén)適合水平定向鉆進(jìn)使用的管材,只能選用給水用的聚乙烯(PE)管材。2)水平定向鉆進(jìn)鉆機(jī)正向高性能、大功率方向發(fā)展,體積普遍較大,城市道路沒(méi)有可供安放的空間。因?yàn)榕潘艿罏橹本€管道,施工中造斜段的產(chǎn)生對(duì)工程產(chǎn)生極大影響,所以施工單位經(jīng)過(guò)有意義的改進(jìn),鉆機(jī)尺寸縮小為長(zhǎng)3.5 m、寬2 m。最大回拖力也能滿足施工需要。但是根據(jù)施工地點(diǎn)和要求的不同,鉆機(jī)尺寸應(yīng)該更加靈活。3)管道坡度可控性較差,不能按照設(shè)計(jì)要求的坡度嚴(yán)格完成施工。本文主要從這個(gè)方面探討水平定向鉆進(jìn)用于排水管道施工的可行性。

2 工程設(shè)計(jì)

本工程采用公稱外徑450 mm HDPE100聚乙烯塑料管。工程地質(zhì)條件見(jiàn)表1。

表1 工程地質(zhì)條件

由表1可知,本工程地質(zhì)情況適合水平定向鉆進(jìn)的地質(zhì)施工條件。主管道550 m采用分段施工,單次拉管長(zhǎng)度直線段250 m,中間50 m采用鉆機(jī)安放在工作坑底部直線拖拉,過(guò)路管因管長(zhǎng)較短也采用鉆機(jī)安放在工作坑底部拖拉施工。

由圖1可以看出,排水管道施工完成之后,管道坡度是變化的,最小坡度為1.14‰,最大坡度為6.70‰。

3 污水管道水力計(jì)算

污水由支管流入干管,在管道中一般是靠管道兩端的水面高差從高向低處流動(dòng)。假定污水的流動(dòng)按照一般液體流動(dòng)規(guī)律,并假定管道內(nèi)水流是均勻流。目前在排水管道的水力計(jì)算中仍采用均勻流公式。

流量公式:

流速公式:

其中,Q為流量,m3/s;A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,m2;v為流速,m/s;R為水力半徑(過(guò)水?dāng)嗝婷娣e與濕周的比值),m;Ⅰ為水力坡度(等于管底坡度);C為謝才系數(shù)。

滿流時(shí)流量公式為:

水力計(jì)算圖見(jiàn)圖2。

表2 用戶連接支管的流量

表3 管段流量

污水從與檢查井W3,W5,W7,W9,W11連接的污水用戶連接管進(jìn)入主管道,根據(jù)本地區(qū)人口密度和居民生活污水定額,污水起始檢查井W1經(jīng)過(guò)計(jì)算平均流量為1.327 L/s,設(shè)計(jì)流量為3.052 L/s。

數(shù)據(jù)分析:流速是防止管道中污水所含懸浮物沉淀的重要因素,保證管道內(nèi)不致發(fā)生淤積的流速稱為最小設(shè)計(jì)流速,從實(shí)際運(yùn)行情況及參考國(guó)外經(jīng)驗(yàn)看,污水管道的最小設(shè)計(jì)流速為0.6 m/s。

從表2,表3設(shè)計(jì)流速的數(shù)據(jù)可以看出,W5排水檢查井以后的管段設(shè)計(jì)流速滿足不淤流速,施工造成的坡度變化對(duì)管道功能的影響不大,但W5排水檢查井以前的管段流速不滿足不淤流速,原因是設(shè)計(jì)管道管徑過(guò)大,流量小,如果調(diào)小設(shè)計(jì)管道管徑,理論上管道不致發(fā)生淤積,但實(shí)際情況復(fù)雜,管徑過(guò)小發(fā)生淤堵的情況頻率高,清通管道難度大,工程費(fèi)用高。所以綜合所有因素來(lái)看,施工工藝造成的坡度變化對(duì)管道排水功能影響不大,但也要在一定的坡度范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

采用水平定向鉆進(jìn)對(duì)其進(jìn)行地下污水管道的敷設(shè),從技術(shù)層面、施工對(duì)城市環(huán)境的影響方面、施工經(jīng)濟(jì)層面都具有一定優(yōu)勢(shì)。所以對(duì)于某市后期雨污分流工程中相類似地質(zhì)條件、接近施工要求的工程,采用水平定向鉆進(jìn)是切實(shí)可行的。

[1] 馬保松.非開(kāi)挖工程學(xué)[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2] GB 50014-2006,室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 王美萍.城市排水工程施工質(zhì)量問(wèn)題及防治[J].山西建筑,2008,34(22):175-176.