圓礫層中定向拖拉牽引管施工變形控制技術

文｜廣東省基礎工程集團有限公司 吳健

0 前言

隨著我國城市化進程的推進，各類市政管道大量分布于地下，穿越的地質條件及周邊環(huán)境越來越復雜，施工中也極易碰到一些新問題。定向拖拉牽引管施工是一種應用較廣泛的非開挖鋪管技術，在一般地層適應性很好，但在圓礫層則往往出現(xiàn)牽引管變形大，導致拖拉施工失敗的現(xiàn)象，為此針對該施工技術難題探索行之有效的施工技術是大勢所趨。

1 工程概述

汕尾高新區(qū)紅草園區(qū)道路建設首期項目（三期）工程位于汕尾高新區(qū)紅草園區(qū)，該項目定向拖拉式牽引管為高密度聚乙烯（HDPE）電力管，長度為100m，本次牽引管橫跨貓溪河道，且從新建箱涵底穿過，最深位置為道路面以下11m，穿越土層主要為第四系海相沉積的圓礫層。

根據(jù)地質勘查報告揭示：本工程場區(qū)從上而下土層為人工填土層、淤泥層、粉質粘土層、圓礫層和砂質粘性土層。圓礫層特性為：灰白色，主要由約50%礫粒組成，含少量粘粒及少量碎石，碎石大小約2～3cm，其余為中粗砂，級配較好，飽和，稍密，平均層厚3.80m。

2 施工難點分析及對策

施工難點主要為：施工要從新建的箱涵和已建的河道下穿越，這些構筑物對變形要求嚴格；牽引管主要在圓礫層穿越，施工埋深及管線長度較長，要解決這些問題關鍵是施工過程的變形控制。通過試驗定向拖拉牽引管遇到圓礫層（類砂層）情況下，由于巖土特性易塌孔導致拉管時側摩阻力較大，若強行拉管會使管道導致變形增加，反過來又導致圓礫層地層位移增大，進而增加其施工難度，甚至有可能導致施工失敗。經(jīng)過試驗及參考大量文獻，其解決該難點的對策如下：

（1）根據(jù)工程地質條件、施工場地、地下障礙物的具體位置、鉆桿的入出土角度、鉆桿允許的曲率半徑、鉆頭的變向能力、導向監(jiān)控能力和被鋪設管線的性能等，需重點考慮導向孔軌跡對施工變形控制的影響，給出最佳鉆孔路線，其中曲線段的半徑是施工軌跡設計的重點。

①HDPE牽引管的最小允許曲率半徑采用公式計算：

式中，

ρ—曲率半徑（cm）

E—彈性模量（Mpa）

HDPE管的最小曲率半徑與管道直徑相關，本工程中曲率半徑計算約為300倍的管道直徑。

②對于鉆桿曲率半徑，是根據(jù)鉆桿彎曲的強度值來進行確定的。通常情況下，鉆桿彎曲半徑為1200D以上（D為鉆桿外徑）。

考慮到多層土及圓礫層的特點結合HDPE管的特性，適當取鉆桿與HDPE管計算半徑的大值，本工程的最小曲率半徑取1300D（D為鉆桿外徑），這曲率半徑不會導致管道過長且可降低管道對地層的擠壓效應。

（2）在多層土特別是圓礫層穿越時，鉆孔的穩(wěn)定是定向鉆進的關鍵，要保持鉆孔穩(wěn)定主要還是通過泥漿來平衡地壓，但一般的泥漿在圓礫層存在護壁不力的情況，導致地質鉆孔容易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，造成拖管過程中側摩阻力增大。從施工實踐經(jīng)驗判斷，可采用“膨潤土+聚丙烯酰胺”制漿做泥漿護壁工藝，代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝的膨潤土制漿，由于“膨潤土+聚丙烯酰胺”制漿做泥漿護壁可以使泥漿增黏增稠，減緩塌孔及縮孔等現(xiàn)象的時間，從而能更好地保證回拖管材的施工質量，大幅度提高施工效率。

（3）在常規(guī)定向拖拉牽引管的施工中較多采用分級擴孔技術，該類鉆頭在圓礫層（類砂層）中不易進行鉆進，且易塌孔，本工程通過對擴孔工藝進行對比及測試，得出分級反拉旋轉擴孔成孔方法較其他類別的鉆頭更容易在圓礫層（類砂層）進行鉆進，滿足后續(xù)牽引孔壁穩(wěn)定性要求，縮短導向鉆進的時間，提高施工效率。

3 分析定向拖拉牽引管施工方法

3.1 工藝流程（如圖1所示）

3.2 主要施工工藝

3.2.1 導向施工

圖1 定向拖拉牽引管

在實施第一根鉆桿入土鉆進過程中，需應用輕壓慢轉的方式進行，以能夠準確在指定地點穩(wěn)定入土，并確保按設計要求的入土傾斜角度，才能進一步鉆進；在采取導向鉆進過程中，對于造斜段探測控制點的設置范圍需達到0.5米至1.0米的頻率，而在直線段只需根據(jù)一根鉆桿的長度來設置就可以了；鉆進情況需詳細進行記錄，然后根據(jù)填寫的數(shù)據(jù)繪制鉆孔軌跡剖面圖，予以技術參考；在進行造斜段曲線鉆進過程中，注意必須根據(jù)地質條件及時調整鉆桿的推進力度，切記不能導致鉆桿出現(xiàn)過度的彎曲；在鉆進時，要密切注意鉆孔的軌跡不能偏差過大，不能超出終孔直徑的范圍，若出現(xiàn)誤差較大，且大于允許的范圍值時，需立刻退回，并予以糾正。

3.2.2 回擴施工

在擴孔階段，可選取逐級擴孔的方法進行，對于泥漿必須有較好的護壁以及潤滑的效果，才能夠使泥漿起到攜帶的作用，本工程因穿越砂層地質，采用的泥漿為“膨潤土+聚丙烯酰胺”的復合型泥漿，其具體配置是選取膨潤土的水質PH值在8～9的范圍內，并加入3800升的純堿水，以保持PH值和提升泥漿能夠達到最佳的狀態(tài)，符合設計的粘度，能夠有效快速的固化泥漿，使得鉆孔不易出現(xiàn)塌孔及縮孔。在首次擴孔操作過程中，應采用高運速以及低拉力的方式。在回擴施工時先選取?250的回擴頭操作，再選取?320的泥切具實施切泥，然后換上?320的回擴頭實施一次回擴拉泥操作，接著再換上?400的泥切具重復實施切泥，最后換回?320的回擴頭同樣實施一次的回擴拉泥。在完成回擴拉泥后，進行沖洗，并對擴孔作進一步的檢查，確定不存在垮塌跡象方可驗收，且孔徑收斂＜2%的范圍內。（如圖2所示）

3.2.3 回拉管材

在上述的所有程序完成后，就可以選取拉管器實施拉管，并把預先檢查合格且熱熔備好的待鋪管道與鋼制連接頭進行連接，操作時連接頭要接在分動器上，然后在管材外部全身涂上調配好的潤滑劑。在實際拉管操作時，必須采用勻速向前的方式，且中間不能出現(xiàn)停頓。施工時要按設計圖進行拉管，并且對于不同地段應按要求敷設相應管徑的成品管。對成品管的敷設也可先一次完成操作，然后拿拉管頭封塞管口，以免雜物進入成品管內。

在回拖管材操作時，施工人員必須隨時留意鉆機的回拖力以及管材扭矩的變化程度，還要避免管材與地面發(fā)生摩擦，并切法降低其摩擦阻力。

4 工程實際效果

本工程定向拖拉牽引管施工從2017年10月16日至2017年10月25日，僅用10天的時間，將9根?200高密度聚乙烯（HDPE）電力管，長度為100m施工全部完成。施工期間，通過采用計算最小彎曲半徑，利用組合型泥漿護壁進行分級反拉旋轉擴孔成孔，代替原設計的單純膨潤土做泥漿護壁，施工效率大幅提升，工程質量有保證，綜合成本降低。施工未對現(xiàn)狀箱涵、排水河道產生任何破壞，屬環(huán)境友好型施工工藝，有效節(jié)約工程投資。同時，管道自交付使用以來安全穩(wěn)定，工程實際效果良好。

5 結語

通過汕尾高新區(qū)紅草園區(qū)的定向拖拉牽引管施工變形控制技術的成功應用，可以明確圓礫層中采用“優(yōu)化曲率半徑，利用組合型泥漿護壁進行分級反拉旋轉擴孔成孔”的變形控制技術是可行的，可為類似工程提供了寶貴經(jīng)驗，值得推廣。但由于該配套技術存在很多試驗及經(jīng)驗成分，理論依據(jù)仍然不太完善，有待進一步探索。

圖2 牽引設備回擴施工