大口徑超長螺旋鋼管定向穿越施工技術(shù)應(yīng)用

(上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 201707)

依據(jù)上海市環(huán)保計劃要求，所有污水處理廠都需執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行達(dá)標(biāo)排放。因周浦污水處理廠附近無閑置土地用于擴(kuò)建污水處理廠房，周浦污水處理廠將按規(guī)劃廢除。另外，周康地區(qū)現(xiàn)有市政污水管網(wǎng)已飽和，沒有能力接納這部分污水，新建的周鄧公路污水干管完善工程可為周浦污水處理廠廢除后提供安全可靠的污水出路,現(xiàn)有污水將通過新建周鄧公路污水干管流入白龍港污水處理廠處理達(dá)標(biāo)排放。

1 案例概況

1.1 總體概況

周鄧污水干管完善工程中穿越咸塘港段，原設(shè)計采用DN800玻璃夾砂管頂管施工，經(jīng)現(xiàn)場勘察，原頂管路徑南側(cè)靠近咸塘港橋，北側(cè)靠近居民樓，穿越咸塘兩岸有護(hù)岸結(jié)構(gòu)方樁，同時有多條地下管線與頂管路徑交叉相碰，結(jié)合以上原因，經(jīng)多方論證，此段頂管路徑改為在咸塘港兩側(cè)的5號井與6號井之間，采用DN800的螺旋鋼管在咸塘橋軸線橋樁之間定向穿越施工，如圖1所示。

圖1 管道穿越示意圖

1.2 穿越段地貌及地質(zhì)狀況

1.2.1 地貌狀況

本區(qū)域內(nèi)為上海沖積平原地貌類型，地形有起伏,橋面突起處比入土點高3.75m，比出土點高3.30m。

1.2.2 地質(zhì)狀況

地質(zhì)狀況如表1所列。

表1 地質(zhì)狀況

2 施工特點與難點

2.1 穿越地段交通流量大，施工環(huán)境復(fù)雜

穿越地段位于年家浜路上的5號井位置，原只有兩車道通行，兩邊為商業(yè)與居民區(qū)集中地，人流量與車流量較大。為確保施工區(qū)域安全與足夠作業(yè)面積，與交警、公交、路政等部門協(xié)調(diào)，此路段改為單行道，同時投入多名交通協(xié)管員進(jìn)行交通秩序維護(hù)。

2.2 鋼管布管與拼裝焊接占用車行道，交通難度大

本定向穿越的鋼管外徑為820mm，長度為336m,在鋼管回拖前需完成拼裝、焊接、無損檢測、涂防腐層等。得到交警部門的支持后，在周鄧公路中間占用一車道進(jìn)行鋼管拼裝焊接等施工，為減小對兩側(cè)小區(qū)居民通行的影響，分三段進(jìn)行焊接拼裝，待回拖施工前兩天，將三段鋼管焊接成一段，回拖施工當(dāng)天交警對周東路口進(jìn)行封路，整體移管至出土點進(jìn)行回拖施工。

2.3 穿越路徑在橋梁樁基之間，地質(zhì)情況復(fù)雜，施工難度大

咸塘港西側(cè)路面結(jié)構(gòu)層以下，原有路基采用鋼渣填筑，此段定向穿越前需進(jìn)行開挖換填處理；咸塘港橋原施工圖紙因年代久遠(yuǎn)，無法找到，為弄清橋梁樁位坐標(biāo)與樁間距離，對兩岸橋臺下護(hù)坡處進(jìn)行開挖探摸，量測所得橋樁精確坐標(biāo)與兩樁間距，為穿越路徑提供了準(zhǔn)確依據(jù)。

3 技術(shù)難點與措施

3.1 鉆機選型需保證足夠的回拖力與扭矩

根據(jù)管道長度、摩擦系數(shù)、管體外徑、管內(nèi)直徑、泥漿密度、鋼密度、黏度系數(shù)等,按《油氣管道設(shè)計規(guī)范》(GB 50423—2013)公式5.2.4計算出的拉力為373.20kN。該回拖管道最大擴(kuò)徑為1250mm，一般需水平定向鉆機最大扭矩在40000N·m以上方可確保擴(kuò)孔順暢。在鉆機選擇時須有一定的安全系數(shù)余量(扭矩和回拖力)，根據(jù)國內(nèi)外施工經(jīng)驗，以1.5～3倍的回拖力作為鉆機選型的依據(jù)，為此,選用ZT-180型水平定向鉆機進(jìn)行全斷面施工。

3.2 防止鉆孔時呈“S”形的措施

定向儀器采用目前穿越行業(yè)認(rèn)可的最為準(zhǔn)確、實用的F5控向系統(tǒng)，在實施穿越施工時，盡可能減小測量長度，嚴(yán)格控制全角變化率，特別是遇到不均勻地質(zhì)情況時，測量間距應(yīng)小于2m。鉆進(jìn)過程如發(fā)現(xiàn)偏差要及時調(diào)整方位角，及時糾偏，嚴(yán)禁反復(fù)大幅度調(diào)整角度，要勤測勤糾，防止導(dǎo)孔鉆進(jìn)時出現(xiàn)“S”形軌跡。

3.3 確保定向鉆出誤差在設(shè)計范圍內(nèi)的措施

鉆機施工定位前,技術(shù)人員精準(zhǔn)測放出鉆機就位中心線，精準(zhǔn)測量與確定控向參數(shù)，盡可能多測量記錄相關(guān)參數(shù)，并仔細(xì)對照比較，在拖管中心線的不同位置測取三個點，每個位置測量不少于四次，并作好記錄比較，以確定最佳參數(shù)。

3.4 確保擴(kuò)孔順利的措施

穿越到不同地層時，根據(jù)地質(zhì)情況及時調(diào)整泥漿配合比，如增大或減小泥漿黏稠度，增加潤滑劑、防塌劑等，達(dá)到減少縮徑、穩(wěn)固孔壁的效果，嚴(yán)禁大幅度調(diào)整泥漿配比，防止孔徑縮小或坍塌。

3.5 鋼管進(jìn)出洞口對接技術(shù)措施

拖管施工完成后，在進(jìn)出洞口鋼管的兩端焊接同直徑的“法蘭”，與已建5號井、6號井之間采用開槽埋管方式，接入同直徑的多節(jié)球墨鑄鐵管，鑄鐵管一端與鋼管的“法蘭”連接，另一端接入已建工作井，以利于減小因差異沉降而造成的不利工況。

3.6 道路下管道周邊注漿措施

管道最后一次擴(kuò)孔直徑為鋼管外徑的1.5倍，定向穿越完成后，需對道路下管道周邊區(qū)域進(jìn)行壓漿處理。

a.壓漿孔位置：相臨壓漿孔間隔1m, 壓漿深度從管端向下1m至管端向上2m，壓漿厚度為3m，寬度在2m范圍內(nèi)。

b.埋管：先用空壓機破除道路結(jié)構(gòu)層，然后用鉆孔法將鋼管沉入土中至方案要求的標(biāo)高。

c.漿液配制：漿液拌制，水灰比控制在0.50，水泥用量為160kg/m3，添加水玻璃5%。

d.壓漿：在壓漿過程中，采用逐漸上行分段壓漿，控制壓力應(yīng)小于1MPa,當(dāng)達(dá)到控制壓力時，需將壓漿管向上提升50cm左右，再次重復(fù)壓漿，直至提升達(dá)到方案要求的高程。可采用間隔壓漿，間隔時間不小于4h，以防止孔間竄漿。

e.清洗：壓漿結(jié)束后沖洗壓漿設(shè)備與管道。

4 施工過程質(zhì)量控制

4.1 施工工序

4.1.1 測量放線

a.測量人員依據(jù)定向鉆機施工平面、斷面圖，與技術(shù)交底要求的穿越管線出土點和入土點的坐標(biāo)，放出穿越管線的中心軸線，并在兩端設(shè)控制樁。在入土點端確定鉆機安裝位置及泥漿池的占地邊界線；在出土點一端，確定好出土點作業(yè)場地及泥漿池占地邊界線。

b.方向控制方位測量:測量人員仔細(xì)測量和比較相關(guān)數(shù)據(jù),以便確定最佳參數(shù)。在定向穿越管的中心線的多個部位進(jìn)行測量,每個位置至少測量四次，做好相關(guān)數(shù)據(jù)記錄與整理。

4.1.2 鉆機進(jìn)場準(zhǔn)備

a.鉆機場地(入土點)：本工程現(xiàn)場入土坑位置地下存在回填鋼渣，因此，在開挖入土坑時，需將回填的鋼渣開挖清除干凈用黏土換填。開挖長18m，寬4m，深度4.5m，兩側(cè)打入拉伸鋼板樁，中間加橫向支撐。在清除完成后，在坑內(nèi)放置一根長18m、直徑300mm的鋼管，入土側(cè)角度為5.7°，鉆機側(cè)根據(jù)鉆機錨盤放平位置，設(shè)置角度，兩端在鋼管兩側(cè)打6m長鋼板樁，并與鋼管焊接，此鋼管用來導(dǎo)向入土扶正，并防止鉆桿在旋轉(zhuǎn)時發(fā)生大幅度偏轉(zhuǎn)，在導(dǎo)向完成后，拆除此鋼管，正常程序回擴(kuò)作業(yè)。

b.鋼管拼裝焊接場地：按照拼裝可操作性要求，需在不小于穿越管線長度30m、寬度5m的平整空白場地作業(yè)。進(jìn)場道路寬度不小于4m，以確保施工機具、鉆桿能進(jìn)入場地。

c.開挖出土坑與入土坑：出、入土坑參數(shù)如表2所列。

表2 出、入土坑參數(shù)

4.1.3 鉆機就位

根據(jù)現(xiàn)場情況事先確定平面布置，進(jìn)行定向鉆機就位、泥漿箱擺放、開挖入土坑等。由于本工程回拖管道為鋼管，回拖阻力大,必須高度重視鉆機的固定,鉆機底座下開挖出能夠放置地錨箱的坑，將地錨箱放入其中，再將鉆機前壓盤放于地錨箱之上，然后將地錨箱中灌滿水，最后在鉆機壓盤的前方兩個方孔內(nèi)深打兩根工字樁。必要時，在鉆機后方增設(shè)一根地錨樁，深埋，并用混凝土澆筑，用特制的兩根鋼絲繩將地錨與鉆機底盤連接起來，進(jìn)行系統(tǒng)連接、試運轉(zhuǎn)等調(diào)試，確保設(shè)備正常運行。

4.1.4 泥漿配制

根據(jù)地質(zhì)勘探的不同地層情況，調(diào)制出不同配比的泥漿。鉆進(jìn)施工前應(yīng)準(zhǔn)備好不少于50m3的泥漿。地質(zhì)情況不同的地層，泥漿的配制也需適當(dāng)調(diào)整，措施如下：

a.將施工用水存入水罐，在水中加入純堿，提高水的pH值。

b.根據(jù)經(jīng)驗確定泥漿配合比,在膨潤土中加入一定比例的泥漿外加劑,調(diào)制出滿足要求的泥漿。

c.根據(jù)不同施工階段、不同的地質(zhì)條件配置不同的泥漿,總體必須滿足以下幾個方面的要求：?具有良好的剪切攜帶能力，保證在遇到砂層也能有良好的排出能力；?具備良好的護(hù)壁性能，特別是砂層；?具有適當(dāng)?shù)撵o切力和較好的流動性，減小因泥漿產(chǎn)生的阻力增加和扭矩變大；?具有良好的潤滑性能，以達(dá)到減少摩阻保護(hù)管道的目的。

d.泥漿配制時為了既保證泥漿用量，又保證膨潤土水化時間，可增加泥漿箱數(shù)量。

e.廢泥漿的處理：因在城市道路范圍內(nèi)施工，沒有條件開挖沉淀泥漿池，故采用專用泥漿槽罐車將廢泥漿排送到指定地點。

4.2 穿越施工工藝流程

穿越流程如圖2所示：

圖2 穿越流程

4.3 導(dǎo)向孔鉆進(jìn)

4.3.1 導(dǎo)向軌跡設(shè)計

導(dǎo)向孔軸線應(yīng)符合設(shè)計及規(guī)范要求，關(guān)鍵考慮以下因素：

a.滿足規(guī)范要求的最小鋼管曲率半徑不小于1500DN。即：R=1500DN=1219.5m，考慮到本工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性，為了降低風(fēng)險,造斜段均采用R=1880DN即R=1528.6m。

b.滿足穿越道路安全規(guī)范要求，要在地表面3m以下。

c.優(yōu)選適合的管線穿越地層。根據(jù)工程地質(zhì)條件分析,軌跡依次跨越不同地質(zhì)地層的①～④層。①～③層為填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土，成孔困難且穩(wěn)定性差,不適合在上述地層進(jìn)行大斷面穿越,因此應(yīng)選擇④層灰質(zhì)粉質(zhì)黏土作為主要穿越層位，由此確定穿越軌跡。

4.3.2 穿越軌跡各點參數(shù)

穿越軌跡各點參數(shù)如表3所列。

表3 穿越點參數(shù)

4.3.3 導(dǎo)向孔鉆進(jìn)

a.決定定向鉆施工成功與否的重要工序是導(dǎo)向孔的精準(zhǔn)鉆進(jìn)，開鉆前需制定控向方案、測量方案，配制好合適的泥漿等，操作員對照儀表參數(shù)、地質(zhì)資料分析，及時進(jìn)行鉆進(jìn)軌跡動態(tài)調(diào)整，使得導(dǎo)向孔滿足設(shè)計要求。

b.由于本工程為較長距離、一般地層，不存在表面抗壓強度大的硬質(zhì)地層，可使用直推式導(dǎo)向孔鉆進(jìn)，在遇到未探明的復(fù)雜地層難以鉆進(jìn)時，可改用泥漿馬達(dá)進(jìn)行導(dǎo)向孔鉆進(jìn)。

4.4 穿越軸線的控制

a.精確放線，用GPS進(jìn)行精確放線，并沿線在關(guān)鍵控制點設(shè)立標(biāo)志(噴點、釘樁、插旗、畫線等)。

b.開鉆前，對無線導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)(標(biāo)定)，力求誤差控制至最小。

c.導(dǎo)向施工中，每鉆進(jìn)一根鉆桿，要多次計算測量、對比，并與設(shè)計曲線進(jìn)行比對，不間斷監(jiān)測、控制導(dǎo)向鉆頭的位置，與設(shè)計要求一致。

d.導(dǎo)向施工，抽調(diào)配合默契、反應(yīng)靈敏的鉆機操作手和導(dǎo)向人員進(jìn)行，發(fā)生偏差及時抽回鉆桿進(jìn)行糾偏。

4.5 預(yù)擴(kuò)孔

導(dǎo)向孔鉆進(jìn)結(jié)束，要及時拆卸導(dǎo)向鉆頭，換裝擴(kuò)孔器進(jìn)行預(yù)擴(kuò)孔。根據(jù)本工程穿越地層黏性土質(zhì)分布情況，勢必造成擴(kuò)孔扭矩大，為此，選用扭矩較小適合黏性地層的圈式擴(kuò)孔器和利于成孔的筒式擴(kuò)孔器，終端擴(kuò)孔孔徑不小于1.2～1.5Dn。為確保定向穿越成功，五級預(yù)擴(kuò)孔分別擴(kuò)孔至φ550、φ750、φ950、φ1050、φ1250；最后采用5號鉆桿+φ1200筒式擠擴(kuò)器+5號鉆桿分三次進(jìn)行清孔，擴(kuò)孔過程中按照既定方案要求調(diào)整泥漿排放量，控制拖拉速度，按照方案擴(kuò)孔參數(shù)穩(wěn)步擴(kuò)孔，地面操作人員時刻注意回拖力、扭矩、泵壓力的變化，禁止憋泵、憋鉆、強行擴(kuò)孔。

4.6 管線回拖

導(dǎo)向孔經(jīng)過數(shù)次分級預(yù)擴(kuò)、清孔，孔徑滿足管線回拖要求時，將檢驗合格的鋼管運送到發(fā)送溝槽內(nèi)。回拖是穿越施工的最后關(guān)鍵一步，回拖作業(yè)前應(yīng)認(rèn)真檢查擴(kuò)孔器、回拖活節(jié)、分動器等之間的連接，確保連接牢固，回拖作業(yè)時現(xiàn)場人員保持聯(lián)系，協(xié)調(diào)配合將管線運送到預(yù)定位置，同時運輸泥漿車就位。鋼管回拖作業(yè)時需連續(xù)拖進(jìn)，避免因停滯而造成回拖不暢。在管道回拖過程中，將鉆孔內(nèi)溢出的泥漿及時裝車外運，如圖3所示。

圖3 鋼管回拖示意圖

5 結(jié) 語

本文結(jié)合現(xiàn)場實際情況，從鉆機選型、導(dǎo)向鉆進(jìn)、軸線控制、管線回拖等方面對大口徑超長螺旋鋼管定向穿越施工技術(shù)進(jìn)行介紹。該技術(shù)克服了在交通繁忙城市主干道上的交通干擾與狹小地域施工等困難，通過優(yōu)化施工工序，優(yōu)選鉆具組合，確定與其地層情況相匹配的泥漿參數(shù)，保證了導(dǎo)向軌跡控向的精度要求；通過采取防卡管等風(fēng)險措施，在橋梁樁基之間進(jìn)行了精準(zhǔn)穿越。經(jīng)對管道截面變形、軸線高程進(jìn)行檢測，地表沉降觀測等方面的數(shù)據(jù)分析結(jié)果均滿足設(shè)計要求，可為今后類似工程的實施提供參考。