非開挖定向鉆進施工鉆進液配比優化控制分析

盧國慶 佟 川

(中交一公局廈門工程有限公司 福建廈門 361021)

0 引言

非開挖定向鉆進拉管技術采用導向鉆機安裝管道，是一種非開挖地面就能在地下快速鋪裝管道的施工技術。該技術能大大地減少現狀路面的破除及恢復，同時省去了基坑支護措施費。鉆進速度快，安全環保，施工成本低。但由于孔與管之間存在孔隙率，在施工完成后經過行車荷載，路面容易出現開裂下沉等現象。本文結合同集路提升改造工程項目現場實踐，通過優化鉆進液材料配比加強土體板結，可有效規避這類質量通病。

1 工程概況

同集路提升改造標段二，該工程位于廈門市同集路上，起點(樁號K3+705.0)，位于同集路與林瑤路交匯處，終點(樁號K14+040.0)，位于同集路TDK電子有限公司處。路線全長10.335km，其中污水管長度1 865m，均采用定向鉆進施工拉管工藝。

2 非定向水平鉆進施工工藝

2.1 施工工藝流程圖(圖1)

圖1 施工工藝流程圖

2.2 非定向水平鉆進施工基本原理

非定向水平鉆進施工工藝流程：地質勘察及管線探查→軌道設計→導向孔施工→根據地質情況選擇擴孔鉆頭進行擴孔施工→回拖管線→地貌恢復。施工時利用工作井位置上的鉆機，隨鉆測量儀以及鉆具，沿預先設計的軌跡進行導向孔施工，然后根據地質情況選擇擴孔鉆頭逐級擴孔，擴孔終孔孔徑約為生產管的直徑的1．2～1．5倍，鉆孔擴孔直徑擴大到滿足拉管要求口徑，最后將管線回拖到位，從而實現不開挖拉管施工[1]。

3 施工重點工序介紹

3.1 擴孔鉆頭的選擇

由于該項目污水施工位于廈門市同集路上，管道所處位置地質情況為回填土或粘性土，故參考表1選用切削型擴孔鉆頭進行擴孔施工[2]。

表1 擴孔鉆頭適用的地層

3.2 管徑和終孔孔徑的關系

根據《水平定向鉆進管線鋪設工程技術規范》DBJ13-102-2008要求非定向水平鉆進擴孔施工終孔孔徑應為設計鋪設管徑的1.2～1.5倍，終孔孔徑具體參照表2選用[3]。

表2 管徑與終孔孔徑的關系

4 施工過程中出現的問題

4.1 出現的問題

該項目污水管施工試驗段K10+280-K10+380采用非開挖水平定向鉆進施工，完成后開放行車通行，經過一段時間的行車荷載，在管位處出現路面開裂、下沉現象，如圖2所示。下沉深度為5cm～10cm。

圖2優化前路面開裂下沉

4.2 原因分析

該段污水管管徑為D600，非開挖定向水平鉆進技術在進行擴孔這道工序的時候，按照表2管徑與終孔孔徑的關系，擴孔系數為D×(1.2-1.5)，孔徑平均比管徑大12cm～30cm。而污水管管材采用PE管，管身自重較大，在拉管完成后，管身因自重自然下沉至孔底，從而導致孔頂標高和管頂標高差值為最大值，也就是12cm～30cm。該段污水管進行非開挖水平定向鉆進施工時的鉆進液采用普通黏土制造泥漿。但隨著時間流逝，泥漿水份蒸發干縮造成孔隙率過大且泥漿自身強度較小，無法滿足行車荷載要求。因此，在經過一段時間的行車荷載和振動后，地基出現塌陷，從而導致路面開裂下沉。

5 解決措施

5.1 鉆進液的粘度控制

在非開挖水平定向鉆進技術進行鉆進施工時，鉆進液選擇的合理性，直接關系到鉆進施工鉆頭的冷卻、潤滑，同時使鉆屑攜帶至地表便于清理。另外，采用合理配比的鉆進液可以在鉆孔壁上形成一層穩定的泥漿護壁，有效防止在鉆進過程中出現塌孔現象。因此，鉆進液材料選用合理與否直接關系到非開挖水平定向鉆進施工是否成功。鉆進液的粘度可參照表3選用[3]。

表3 鉆進液粘度表[3]

注：泥漿PH值控制在8～10。

5.2 鉆進液的材料選擇

目前，非開挖水平定向鉆進施工中常用的鉆進液材料除普通黏土外還有膨潤土[4]。膨潤土是一種天然材料，遇水膨脹是它的主要特性之一。當水進入膨潤土結構時，可是膨潤土分子之間間距放大2倍以上，這個特性可以很好地解決在拉管施工完成后孔隙率的問題。另外，膨潤土的流變性是它的另一個主要特征，它隨著攪拌和靜止而出現膠狀液體和膠凝狀兩種狀態。膠狀液體狀膨潤土在鉆進過程中可以使鉆頭得到有效的冷卻和潤滑，同時便于清理鉆屑攜帶處地面。膠凝狀膨潤土可在鉆進施工完成后形成穩定護壁，防止塌孔現象出現。

目前市面上的膨潤土種類一般分為鈉基膨潤土和鈣基膨潤土兩種[5]。其中鈉基膨潤土的天然鈉基蒙脫礦含量極高，一般超過85%。同時，它比鈣基膨潤土多20～25倍的硅酸鹽層，這使得它的膨潤性比鈣基膨潤土要好，故在非開挖水平定向鉆進施工中通常選用鈉基膨潤土。

5.3 鉆進液的配比試驗

由于膨潤土漿液在凝結后強度較小，未能滿足設計行車荷載要求，在施工完成后經過行車荷載仍然存在路面下沉的隱患。為了提高膨潤土漿液在凝結后的強度，該項目部在配制鉆進液時按照一定比率添加生石灰，并取樣10多組試塊養護5d后進行無側限抗壓試驗，從而選擇最優的生石灰混合比率。具體試驗數據如圖3～圖4所示。

圖3 不同生石灰含量混合材料擊實曲線圖

圖4 抗壓強度與生石灰含量關系曲線圖

5.4 試驗結論

由上述試驗數據表明生石灰摻入膨潤土中含量越大，混合料的最大干密度越小；同時，試塊在經過無側限抗壓強度試驗時，當壓力達到臨界破壞點時，試塊開始出現裂縫，繼續加壓裂縫發展成貫穿整個試塊的破裂面，試塊一分為二。通過抗壓試驗可知，摻入了0%～15%生石灰的鈉基膨潤土混合料的試塊強度分別為288.4kPa 、255.1kPa、220.5kPa 、195.4kPa。這3種混合膨潤土的無側限抗壓強度較純膨潤土的無側限抗壓強度分別提高了47.6%、30.6%、12.8%。因此，得出結論為生石灰按照一定比率摻入膨潤土中可增大土體的抗壓強度，且生石灰摻入比率越大其土體的抗壓強度越大。而摻了15%生石灰的膨潤土抗壓強度為288.4kPa，較純膨潤土抗壓強度提高了47.6%。其強度完全滿足符合設計荷載要求，效果如圖5所示。

(優化鉆進液配比前效果)(優化鉆進液配比后效果)圖5 優化前后路面對比

隨著生石灰的摻入比率的增加，雖然可增大土體的整體強度，但摻入過量的生石灰使得泥漿失水速度加快，導致鉆進液粘度和密度上升，泥漿稠化，流動性變差，從而容易導致拉管失敗。

6 結語

綜上所述，通過采用非開挖水平定向鉆進施工技術施工的污水管工程中，統一按照摻入15%生石灰加膨潤土混合料作為鉆進液，在保證拉管的成功率及縮小孔與管徑之間的孔隙率的同時，大大增強了土體的整體強度，有效地解決在非開挖定向鉆進施工完成后由于鉆進液土體強度不夠導致路面開裂下沉現象。

[1] 李招群.非開挖水平定向鉆進技術在管道鋪設中的運用[J].福建建筑,2011(3):118-120.

[2] GB 50268-2008 給水排水管道工程施工及驗收規范[S].北京：中國工業標準出版社，2009.

[3] DBJ13-102-2008 水平定向鉆進管線鋪設工程技術規程[S].福建省建設廳，2008.

[4] 戴睿,周國相.生石灰改性膨潤土混合材料抗壓強度試驗研究[J].磚瓦,2015(4):14-16.

[5] 徐杰,張生衛.非開挖施工與鉆進液技術[J].上海煤氣，2002(1).