水平定向穿越在供水工程中的應用分析

李中連

（無棣縣農村供水服務中心，山東 無棣 251900）

1 水平定向鉆進技術概述

水平定向鉆機是在不開挖地表面的條件下，鋪設多種地下公用設施（管道、電纜等）的一種施工機械，它適用于沙土、黏土、卵石等地層，工作環境溫度為-15℃～+45℃。水平定向鉆進技術是將石油工業的定向鉆進技術和傳統的管線施工方法結合在一起的一項施工新技術，具有施工速度快、精度高、成本低等優點，廣泛應用于供水、煤氣、電力、天然氣、石油等管線鋪設施工工程中。

農村供水工程不可避免地會遇到道路、溝渠、河流、建筑物等無法正常開槽施工的障礙，通過增加開槽深度、架空管道、水平定向鉆進等方式進行施工。無棣縣農村供水工程自2009年引入水平定向鉆進技術，在施工中得到廣泛的應用，解決了管道穿越特殊地段的施工問題。與傳統的施工方式相比，具有遷占少、費用低、工期短、后期破壞少等優點。

2 穿越深度控制

根據《室外給排水設計規范》（GB50014-2006）規定，穿越公路、鐵路、河流、地面建筑物時，最小覆土深度應符合專業規范要求；當專業規范無特殊要求時，最小覆土深度可參照表1中規定。采用泥漿輔助鉆進時，與水體的最小距離應至少為5～6m，以保證不發生泥漿噴涌。水平距離按《室外給排水設計規范》規定執行。

表1 最小覆土深度

3 穿越距離計算

1）入、出土角和曲線段的確定可按圖1中進行。

圖1 穿越距離計算示意斷面圖

圖中：α1、α2分別為入、出土角；B 為第一曲線段和直線段軌跡變化點；C為直線段和第二曲線段軌跡變化點；h為軌跡（鋪管）深度；L1+L2+L3為定向鉆鋪管水平長度。

2）定向鉆鋪設PE管的最小允許曲率半徑可采用公式（1）計算：

式中：ρ為曲率半徑，cm；E為彈性模數，MPa；DH為管外徑，cm；δρ為彎曲應力，MPa。

鋪設PE管時，因PE管彈性模量小，鉆孔軌跡的曲率半徑主要取決于鉆桿的曲率半徑。根據工程實踐經驗，鉆桿彎曲半徑為1200D以上（D為鉆桿外徑），一般情況下取1500D。

單曲段最小水平距離可采用公式（2）計算：

式中：L為曲段最小水平距離；ρ為曲率半徑；L1為入土、出土直段距離；α為出土角、入土角。

3）出入土角度確定。出入土角應根據定向鉆鋪設管線類型、材質、管徑、穿越深度確定。PE管的出土角宜在6°～20°。在地面上采用鉆機鉆進導向孔時，第一直線段軌跡應是入土角的斜直線段，該段最小距離不應小于一根鉆桿長度；大型設備該段距離不宜小于10m。對坑內鉆式，入土角和出土角一般應采用0°或近似水平。

4）水平穿越距離。穿越位置與入土點、出土點障礙物距離應符合《室外給排水設計規范》規定，并考慮管道擴孔、回拖時土層壓縮對既有障礙物的影響。入土點或出土點與穿越的第一個障礙物之間的距離應至少大于3根鉆桿的長度。

4 管材回拉力計算

管道回拉力采用公式（3）計算：

其中，Py=πDk2Ra/4；Pf=πDLf。

式中：Pt為回拉力，kN；PY為擴孔鉆頭迎面阻力，kN；Pf為管周摩阻力，kN，適用于砂土層和黏土層；Dk為擴孔鉆頭外徑，m，一般為管道外徑1.2～1.5 倍；D 為管道外徑，m；Ra為迎面土擠壓力，kPa。在護孔泥漿中黏性土Ra在50～60kPa；砂性土在 80～100kPa；L 為管道長度，m；f為管周與土的單位側壁摩擦力，kPa；黏性土f在0.3～0.4kPa；砂性土在 0.5～0.7kPa；采用泥漿護壁時建議在 0.15～0.35kPa。

5 管材鋪設的最大長度計算

目前，拖拉管主要針對PE管材，根據《聚乙烯燃氣管道工程技術規程》（CJJ63-2008）中規定：聚乙烯盤管或因施工條件限制的聚乙烯直管或鋼骨架聚乙烯復合管道采用托管法埋地敷設時，聚乙烯管道的最大拖拉力采用公式（4）計算：

式中：F為最大拖拉力，N；DN為管道公稱直徑，mm；SDR為標準尺寸比。

根據管材所承受的最大拉力F，由管材回拉力計算公式可以導出每種規格的管材所能拖拉的最大長度，計算參照回拉力公式（5）計算：

式中：L為最大鋪設長度；F為最大拖拉力，N；D為管道外徑，mm；f為管周與土的單位側壁摩擦力，kPa。黏性土在0.3～0.4kPa；砂性土在0.5～0.7kPa；采用泥漿護壁時建議在0.15～0.35kPa。

6 定向穿越設備選型

定向鉆機的選型應根據現場情況確定，主要根據穿越深度、穿越水平距離及設計終孔口徑、彎曲曲率半徑、鋪管長度等，計算出回拖力來選擇確定鉆機，定向鉆機分類見表2。由于回拖時邊界條件復雜，故在選擇鉆機時應有一定的安全余量，根據國內外多年施工經驗，一般按1.5～3倍的回拖力作為選取鉆機的依據。

表2 定向鉆機分類

水平定向穿越在供水工程施工中，得到越來越廣泛的應用，穿越長度、管材、設備的選擇嚴重影響著整個工程的造價和工期。以上是對給水管道穿越軌跡設計、設備選型的一些見解，希望能給供水工程施工提供一些參考。