水平定向鉆在給水管道施工中的應(yīng)用

查湘義

摘 要：隨著城市化的不斷發(fā)展，城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷加快，許多跨越河流、穿越公路、鐵路等管道工程施工經(jīng)常發(fā)生，而水平定向鉆管道鋪設(shè)技術(shù)作為一種非開挖施工技術(shù)則應(yīng)運(yùn)而生。本文介紹了水平定向鉆的原理及特點(diǎn)，論述了水平定向鉆的施工流程，并對(duì)該技術(shù)在給水管道鋪設(shè)的工程應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：水平定向鉆；給水管道；工程應(yīng)用

水平定向鉆最早于20世紀(jì)70年代開始發(fā)展的一種非開挖施工技術(shù)，主要用于跨越河流、穿越公路、鐵路等障礙物的管道工程施工，包括給水管道、排水管道、燃?xì)夤艿兰笆凸艿赖?。該?xiàng)技術(shù)源于海上鉆井平臺(tái)鉆進(jìn)技術(shù)，鉆進(jìn)方向由垂直向變成水平向，為了區(qū)分冠以“水平”二字，稱“水平定向鉆”。1985年，中石油工業(yè)部引進(jìn)了當(dāng)時(shí)國(guó)際上最先進(jìn)的一套大型水平定向鉆機(jī)，成功地敷設(shè)了一條穿越黃河管道。目前，水平定向鉆技術(shù)廣泛用于各類管道的非開挖施工中，以其不影響交通、對(duì)外界干擾小、成本低等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。

1 水平定向鉆原理及特點(diǎn)

1.1 工作原理

水平定向鉆的組件主要包括鉆機(jī)、導(dǎo)向系統(tǒng)、鉆桿、回?cái)U(kuò)器等組成。水平定向鉆機(jī)敷管的關(guān)鍵技術(shù)就是鉆頭的定向鉆進(jìn)。鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)受到兩個(gè)來(lái)自鉆機(jī)的力：推力和切削力。定向鉆的鉆頭前面帶有一個(gè)斜面，隨著鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)而改變傾斜方向。鉆頭連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在推力和切削力的聯(lián)合作用下鉆出一個(gè)直孔；鉆頭不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，斜面的傾斜方向不變，這時(shí)鉆頭在鉆機(jī)的推力作用下向前移動(dòng)，并朝著斜面指著的方向偏移，則使鉆進(jìn)方向發(fā)生改變。只要控制斜面的朝向，就控制住了鉆進(jìn)的方向。

1.2 特點(diǎn)

水平定向鉆的特點(diǎn)主要為：①鉆進(jìn)速度快，工期短。在穿越障礙物施工時(shí)，如果采用大開挖的方法，不僅需要開挖大量土方，而且施工中出現(xiàn)的突發(fā)情況得不到保證，影響工程進(jìn)度，導(dǎo)致工期延長(zhǎng)；而水平定向鉆施工，可以減少土方開挖，降低成本，提高施工進(jìn)度，縮短工期。②不影響交通，對(duì)環(huán)境影響小。在穿越公路等重要設(shè)施時(shí)，如果采用開槽施工，則會(huì)影響道路的正常運(yùn)行，造成道路擁堵，影響人們出行。而水平定向施工不斷絕交通，避免土方堆放，不會(huì)影響周邊環(huán)境；③可以控制管道的走向，管道軸線可以是各種形狀的曲線。

2 水平定向鉆的施工流程

2.1 勘察放線

勘察放線的目的是探明地下已建管道的分布、走向及管道的埋深情況，從而確定所需鋪設(shè)管道的鉆進(jìn)軌跡及深度，確保不與已建管道發(fā)生交叉、碰撞，保證已建管道和新建管道的安全。

2.2 開挖工作坑

管軸線兩端一般不設(shè)發(fā)射坑和接受坑，鉆機(jī)直接從地面以小角度下鉆。只有當(dāng)管道縱向剛度較大，或者施工場(chǎng)地較小等特殊情況下才設(shè)發(fā)射坑、接受坑。工作坑的大小根據(jù)管道直徑大小進(jìn)行布置，一般可挖成倒三角的工作坑。

2.3 鉆導(dǎo)向孔

鉆導(dǎo)向孔是整個(gè)施工中最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。水平定向鉆在管軸線的一側(cè)下鉆，鉆頭在受控的情況下穿過(guò)河床、穿越公路或鐵路、繞過(guò)地下障礙物，最后在管軸線的另一側(cè)鉆出地面，完成導(dǎo)向孔的施工。其中鉆桿的加長(zhǎng)或縮短由鉆機(jī)的自動(dòng)裝卸系統(tǒng)來(lái)完成，而鉆頭的鉆進(jìn)方向則由安裝在鉆頭后部空腔內(nèi)的探頭和地面接收器組成的導(dǎo)向系統(tǒng)完成，探頭發(fā)出的無(wú)線信號(hào)由地面接收器接收，從接收器可以得到鉆頭的位置、深度，進(jìn)而調(diào)整鉆頭的鉆進(jìn)方向。

2.4 鉆桿回拖擴(kuò)孔

導(dǎo)向孔完成后將鉆桿回拖?；赝锨般@桿末端裝上擴(kuò)孔器，在回拖過(guò)程中同時(shí)擴(kuò)孔，視工程需要可增加回?cái)U(kuò)次數(shù)。導(dǎo)向孔施工和擴(kuò)孔時(shí)一般采用循環(huán)泥漿，泥漿液通過(guò)鉆桿內(nèi)孔送到鉆頭，再?gòu)你@桿與孔之間的環(huán)形通道返回，并把破碎下來(lái)的棄土和鉆屑攜帶至過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)行分離和再循環(huán)。

2.5 管道隨桿回拖

最后一次回?cái)U(kuò)時(shí)，將需要敷設(shè)的管道通過(guò)回轉(zhuǎn)接頭與擴(kuò)孔器連接，并隨著鉆桿的回拖拉入擴(kuò)大了的鉆孔內(nèi)，直至拖出地面。拉管之前，管道事先按照標(biāo)準(zhǔn)的操作規(guī)程進(jìn)行連接，保證接口質(zhì)量。拉管時(shí)控制拉管速度，保證平穩(wěn)回拖。

3 水平定向鉆在管道施工中的應(yīng)用

某輸水管線總長(zhǎng)度10 km，管徑為300 mm，管材為PE 管。該管線鋪設(shè)過(guò)程中兩次穿越某省級(jí)公路，局部路線穿越村屯，為了減少對(duì)交通和原有建筑物的影響、降低施工成本，采用非開挖的技術(shù)進(jìn)行施工。該工程采用設(shè)備為：國(guó)產(chǎn)DDW 350 鋪管鉆機(jī)，馬克3導(dǎo)向儀，45 kW循環(huán)泥漿攪拌系統(tǒng)。按照設(shè)計(jì)的鉆進(jìn)軌跡，首先鉆進(jìn)導(dǎo)向孔，邊鉆進(jìn)邊噴射泥漿輔助鉆頭鉆進(jìn)。利用鉆頭中的無(wú)線發(fā)射棒，將鉆頭的位置、深度信息發(fā)射到地面接收器上，以控制鉆頭的鉆進(jìn)方向。導(dǎo)向孔成孔后，然后開始鉆孔回?cái)U(kuò)，本工程沿著導(dǎo)向孔回?cái)U(kuò)兩次，形成450mm的鉆孔。最后是回拖PE管道。在回?cái)U(kuò)器后連接回轉(zhuǎn)接頭，再連接PE管道，一邊回?cái)U(kuò)一邊拖進(jìn)，直至到對(duì)面接受坑。

某給水工程位于臺(tái)州灣循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，該工程管道鋪設(shè)路線穿越老洪三路、八條河、八塘路、海昌路、海豐路、九條河等路段，穿越長(zhǎng)度為1319m，給水管道管徑為630mm，管材為鋼管。施工土層為海淤泥土層，受現(xiàn)場(chǎng)施工條件的限制，鋼管需要在拉管中間時(shí)段進(jìn)行2次焊接，增加了施工的風(fēng)險(xiǎn)。本工程采用ZT400型號(hào)的鋪管鉆進(jìn)機(jī)，選用膨潤(rùn)土和添加劑配置泥漿，以保證工程施工質(zhì)量。在物資材料、機(jī)械設(shè)備、施工人員準(zhǔn)備就緒后，首先開挖4m×2m×2m、4m×2m×2m發(fā)射坑和接受坑，入土點(diǎn)開挖20m×10m×2m泥漿池，出土端開挖10m×15m×2m泥漿池。導(dǎo)向孔成形后，根據(jù)拉管管徑，確定擴(kuò)孔尺寸為880mm，分別采用直徑為680mm和880mm的擴(kuò)孔器分級(jí)擴(kuò)孔。最后是鋼管回拖，利用直徑為140mm的鉆桿+ 880mm的擴(kuò)孔器+400T分動(dòng)器+DN630mm鋼管進(jìn)行回拖?；赝蠒r(shí)，控制回拖速度以及保證回拖作業(yè)的持續(xù)進(jìn)行。由于本工程穿越土層復(fù)雜，有填土、粉質(zhì)粘土、黏土以及淤泥質(zhì)黏土等，穿越管線長(zhǎng)，從而增加了施工的難度。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，水平定向鉆在給水管道工程中具有非常廣泛的應(yīng)用，尤其是在穿越重要障礙物或者采用開挖技術(shù)不經(jīng)濟(jì)的情況下優(yōu)勢(shì)非常明顯。但是水平定向鉆屬于地下工程施工，在施工準(zhǔn)備、施工安全措施方面一定要保障到位，否則一旦發(fā)生意外，不僅會(huì)導(dǎo)致工期延長(zhǎng)，而且還會(huì)造成成本大幅增加。比如鉆進(jìn)導(dǎo)向孔時(shí)沿途冒漿問(wèn)題、導(dǎo)向孔發(fā)生縮孔、 堵孔問(wèn)題等。因此，必須加強(qiáng)施工人員的崗前培訓(xùn)，建立健全的運(yùn)行管理制度，以發(fā)揮水平定向鉆的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

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