淺談HDPE給水管道非開挖水平定向鉆法穿越設計

秦 杰

（滄州水利勘測設計院，河北 滄州 061000）

滄州地區隨著近幾年南水北調配套工程和生活用水置換項目的實施，鋪設了大量的中小管徑的長距離給水管道。在長距離給水管道建設過程中不可避免的需要穿越鐵路、公路、河流、暗涵、電纜、燃氣管道等附著物。對于中小管徑管道穿越工程來說，考慮工程造價和施工工期因素，一般采用非開挖水平定向鉆方式穿越。本文結合工程實例針對實際工程廣泛采用的HDPE管非開挖水平定向鉆穿越設計進行闡述，進一步對不同管徑的HDPE管最大穿越長度進行分析探討并給出相應結論，供其它類似工程的設計借鑒和參考。

1 工程條件

在水平定向鉆穿越施工前，首先應對場地施工條件進行實地踏勘，目的是查看場地是否開闊，施工場地應具備管道焊接場地、管道回拖場地、施工機械作業區、泥漿池場地及施工材料堆放場地。在施工場地開闊具備施工條件的基礎上，對施工場地進行工程勘察，包括地形、地貌、水文地質、工程地質、主要穿越障礙物的探勘等。確認場地條件和地質條件滿足水平定向鉆法施工要求后，方可進行水平定向鉆法穿越工程設計。

2 工程設計

HDPE管水平定向鉆法穿越工程設計內容包括：擬定入、出鉆點和角度，擬定穿越長度和軌跡，根據具體工程對地面沉降的要求確定是否采用水泥漿置換施工泥漿，然后據此確定擴孔直徑和級數，擬定管材級別、管道埋深和曲率半徑。上述基本設計條件應根據相應規范、規程和以往設計經驗進行初步擬定，然后對管道回托力進行估算，根據估算結果對管材性能進行復核，同時對施工鉆機選型提供參考。本文結合工程實例闡述水平定向鉆法穿越設計。

2.1 工程概況

肅寧縣2018年度地下水超采綜合治理農村生活用水置換項目主管道采用dn500HDPE管（PE100級，SDR17）非開挖水平定向鉆穿越保滄干渠南干線，入土角為17°，出土角為17°，管頂高程－6.23m，曲率半徑為150m，穿越長度174.6m，在距離入鉆點3m處設dn500排氣閥井1座。管道回拖完成后對管道擴孔環空間進行水泥漿置換并對兩端封堵，管道擴孔直徑為700mm。交叉處（樁號SG15＋597.6）保滄干渠南干線管底高程3.8m，管道與保滄干渠南干線垂直凈距10.03m。交叉處保滄干渠南干線管材為DN2000鋼管，鋼管外徑2084mm，內徑2044mm，交叉位置鋼管底高程3.80m，管頂覆土厚度約4.9m。

穿越處位于肅寧縣縣城北部，地勢較平坦。兩側地面高程10.8m左右，水平定向鉆穿越斜直線段和弧線段穿越第1層壤土、第2層砂壤土、第3層粉砂，水平段標高－6.5m左右，坐落于第4層壤土上。第4層壤土為可塑狀態，中等壓縮性。

2.2 場地布置

出土端滿足管道整體回拖要求，且作業帶可作為回拖場地。鉆機、鉆桿及生活區布置在入土側，管道連接作業區布置在出土側。在入土、出土側均設置警示牌、泥漿池、休息區、生活垃圾區。施工布置在保滄干渠管理范圍之外。

2.3 回拖分析

回拖分析包括兩個方面的計算。一是計算管道所受拉力，為管材等級選擇提供依據；二是估算鉆機回拖力，為鉆機選型提供依據。

1）HDPE管道在回拖施工時，管材所能承受的最大回拖力計算公式：

F＝σ×π（D12－D2）／4N

式中：F—管道能承受的最大回拖力（N）；σ—管材的屈服強度（MPa）；D—管道內徑（mm）；N—安全系數，取2。

2）沿著曲線或彎曲軌跡拖拉管道的回拖力，按照下式進行計算；

TA＝efhθ（fhwfL）

式中：fh—塑料管道與孔壁的摩擦系數，取0.3；wf—單位長度空管道所受凈浮力（KN／m）；θ—管道彎曲角度（rad）。

3）無水平方向彎曲的鉆孔，其軌跡由曲線段—直線段—曲線段組成。采用遞推關系式估算需要的回拖力。

圖1 鉆孔軌跡簡化示意圖

式中：TA—A點處管道所受回拖力（KN）；TB—B點處管道所受回拖力（KN）；TC—C點處管道所受回拖力（KN）；TD—D點處管道所受回拖力（KN）；L1—由于管道焊接和熱收縮而額外增加的管段長度（m）；L2—管道入土端曲線段所對應的水平長度（m）；L3—管道最大埋深處水平延伸距離（m）；L4—管道出土端曲線段所對應的水平長度（m）；H—管道埋深（m）；fg—塑料管道與地面之間的摩擦系數，取0.5；ωp—單位長度管道重力（kN／m），ωp＝π（D12－D2）γp／4；ωf—單位長度管道所受的凈浮力（kN／m），ωf＝πD12γm／4γm－ωp；α—入土角（rad）；β—出土角（rad）；γp—管道材料的重度（聚乙烯管的比重一般取9.55kN／m3）；γm—鉆孔泥漿的重度 （kN／m3）。

主管線穿越保滄干渠南干線管道軌跡屬于水平、垂直2個方向彎曲，管道回拖力采用公式（2）、（3）疊加計算，管道回拖時考慮管道穿越長度較短，未對管道進行配重，經計算，管材所受最大回拖力246.3KN，小于管材所能承受的最大回拖力478.3KN，管材選擇滿足要求。施工所用水平定向鉆機的額定回拖力按設計回拖力計算值的1.5倍選取，即工程鉆機額定回拖力不宜小于370KN。

2.4 水泥漿置換和試壓

定向鉆施工管道回拖完成后，對孔內進行水泥注漿置換。管道回拖過程中附帶牽引一根直徑50mm的軟管，軟管上預先布若干小孔，管道牽引后往軟管內壓水泥漿，置換定向鉆鉆液泥漿。全線采用無腐蝕性潔凈水進行強度試壓和嚴密性試壓。試壓宜在環境溫度5℃以上進行，否則應采取防凍措施。

3 影響HDPE管最大穿越長度的因素分析和探討

為了對影響HDPE管最大穿越長度的因素進行分析，需對可變量逐一計算分析，同時其余可變量應統一取值。HDPE管管材重度9.55KN／m3、鉆孔泥漿重度取12KN／m3、管道與孔壁摩擦系數取0.3、水平方向彎曲角度取0°管道與地面摩擦系數取0.5、管材屈服強度取22Mpa、安全系數N取2.0、管道彈性模量取900Mpa、入（出）土端曲線段距離取50m。可變量的統一取值為：管徑DN400、標準尺寸比SDR取17、入（出）土角度取17°、管內有配重、管道埋深5m。

將管徑、標準尺寸比、入（出）土角度、回拖時管內有無配重、管道埋深等影響HDPE管最大穿越長度的因素逐一進行分析計算，分析結論如下：

1）管徑因素：僅管徑不同，其余可變量均作為定量 （統一取值），計算結果表明，不同管徑的HDPE管最大穿越長度相同，說明管徑的變化對最大穿越長度值無影響。

2）標準尺寸比因素：僅標準尺寸比不同，其余可變量均作為定量（統一取值），計算結果表明，標準尺寸比（SDR）對HDPE管最大穿越長度影響微小，最大穿越長度會隨著標準尺寸比的減小而增大，最高的SDR9比最低的SDR41的最大穿越長度增加165m。

3）入（出）土角度因素：其余可變量均作為定量（統一取值），計算結果表明，入 （出）土角對HDPE管最大穿越長度影響較大，最大穿越長度隨著入（出）土角的減小而增大，根據規范，入土角范圍為8～30°，出土角范圍為4～20°，最小的入（出）土角比最大入（出）土角的最大穿越長度增加440m。 4）管內配重因素：其余可變量均作為定量（統一取值），計算結果表明，管道回拖時，管內有無配重對HDPE管最大穿越長度影響最大，管內采用水配重時最大穿越長度為1830m，管內無配重時最大穿越長度為745m。

5）管道埋深因素：其余可變量均作為定量（統一取值），計算結果表明，管道埋深對HDPE管最大穿越長度影響微小，最大穿越長度會隨著管道埋深的減小而增大，一般管道埋深都在3～20m范圍內取值，在實際工程設計中，管道埋深對穿越長度的影響可忽略不計。

4 結語

在HDPE管水平定向鉆穿越設計時，首先應從施工條件、地形地貌、地層條件等方面宏觀的判斷穿越工程的可實施性，然后再從技術層面對穿越長度、入（出）鉆位置及角度、回托力計算等進行細部設計。經對影響HDPE管最大穿越長度的因素的分析：管徑大小對最大穿越長度無影響，標準尺寸比和管道埋深對最大穿越長度影響微小，入（出）土角度對最大穿越長度影響較大，在實際工程設計中應謹慎選擇合理的角度，管道內有無配重對最大穿越長度影響最大，HDPE管回拖時應對管道內部進行配重，一般給水管道可采用凈水配重。