市政管線非開挖水平定向鉆導向軌跡設計探討

陳洪濤，王紹華，郭嘉镕，黃祥云

（1.天津市政工程設計研究總院有限公司，天津 300392；2.天津濱海新區基礎設施養管有限公司，天津 300450）

隨著我國城市化的發展，城市范圍越來越大，為完善市政設施配套，建成區域內增設各種專業管線的案例越來越多。考慮到穿越重要路段或河道時明挖施工對環境及交通等方面的較大影響，非開挖技術的應用得到推廣。作為穿越工程常用的非開挖技術，水平定向鉆工藝無需全線明開槽，一般不涉及深基坑，工程安全性高；對周邊環境及現狀管線的影響較小；道路和綠化的破除恢復面積得到控制，節省人力和設備成本，施工周期短，工程經濟性較好；自20世紀80年代引入中國，在給水、排水、燃氣、電力、通信、石油等諸多領域得到廣泛應用。

1 水平定向鉆工藝

水平定向鉆（又稱為拖拉管施工）的實施可分3步：

1）導向孔鉆進，利用鉆機、導向鉆頭及導向儀等機具，按穿越軌跡和操作規程實施導向孔，過程中利用探測器根據地下情況隨時調整鉆頭；

2）擴孔護壁，鉆孔到達出土端時卸下導向鉆頭，換上較大直徑的擴孔鉆頭，多次擴孔至所需孔徑；

3）管道回拖，將管道自出土端反向回拖，完成穿越施工。

注漿貫穿整個過程，泥漿從鉆頭前端噴出，主要作用是固孔護管、減少鉆具與土層摩擦、對鉆具降溫及清除鉆進過程中產生土屑等。

水平定向鉆技術有兩種常規導向方式，即地面造斜導向和坑內導向（又稱為二程式拖拉法）。見表1。

表1 水平定向鉆技術導向方式對比

郭坤[1]和龍秋亮[2]提出單邊造斜導向方式并應用到實際工程，為場地受限條件下的水平定向鉆施工提供了新的導向方式。

2 水平定向鉆技術參數選擇

導向軌跡是工藝設計的核心，關系到施工成功與否。地面造斜導向的軌跡計算依據為CECS 382：2014《水平定向鉆法管道穿越工程技術規程》。見圖1。

圖1導向軌跡

圖1 中，α和β分別為入/出土角，（°）；R為曲率半徑，m；h1和h2分別為入/出土端地面與底部直線段的高度，m；L0為底部直線段長度，m。

h1、h2和L0為自變量，其他參數為因變量。L0、h1和h2由障礙物客觀實際首先被確定，導向軌跡設計的主控參數為R、α和β，數理分析見表2。

表2 主控參數影響分析

入/出土角應根據場地空間、地質概況和管徑等條件綜合選取。因角度過大不利于施工，實際項目中入/出土角取值大多未達到CECS 382：2014中5.3.5允許的上限值[3～5]。

在曲率半徑不變的前提下，增大入土角可減小入土端總長度；但地面空間受限時，為減小穿越長度盲目增大入土角是不可行的。當管道水平鉆進高度h1被確定，入土角α增大到一定程度時，入土端直線段長度a1和入土端直線段高度b1計算值可能為負。分析原因：b1可理解為以地面為零點，沿豎直向下方向距離直線段與曲線段分界點的豎直長度，b1為負即分界點位于地面以上，鉆桿在空中就開始逐步偏轉，顯然不符合實際；a1是b1的因變量，b1為負時計算a1也為負。針對這個問題，可考慮采取兩種措施：一是調整為坑內導向，但工作井會增加投資；二是根據工程實際，人為增大h1同時適當增大α和減小R，將分界點控制在地面以下，但會增大管道埋深，對運行后養管工作不利。見圖2。

圖2 入土角調整前后對比

影響曲線段長度的主要因素是曲率半徑，其取值量級計算出的曲線段長度一般情況下有數十米，因此地面造斜導向的穿越場地需有一定地面空間。CECS 382：2014強調曲線段曲率半徑取決于管道特性、巖土層造斜能力、機具設備造斜能力等綜合因素。在各方面條件允許的情況下曲率半徑越大越好。

工程設計中如曲率半徑取值過小，會影響軌跡的平滑性和穩定性，回拖力猛增；設計與實際軌跡偏差較大，可能發生回拖過程中管道變形，因路徑偏差與現狀管線碰撞等事故。因此工程設計在規范要求基礎上，根據現場條件合理調整曲率半徑取值。見表3。

表3 曲率半徑取值對比

3 水平定向鉆管材選擇分析

水平定向鉆技術采用的管材主要有鋼管和聚乙烯管（以下簡稱為PE管），近年來球墨鑄鐵管也開始得到應用。因特性不同，管材用于水平定向鉆技術的特點差異顯著。

1）鋼管：管材屈服強度大，抗扭和抗外力破壞能力強；管節長度大，管道柔性較低，管道回拖場地所需空間大。

2）PE管：管材耐腐蝕、防滲性好，抗刮磨；接口熱熔連接，密封可靠；高柔性，管道回拖場地所需空間較小；管材抗拉強度低，管道無法承受很大的回拖力，穿越長度受限制；為控制管道變形，建議管材級別采用PE100，標準尺寸比采用SDR11[7～8]。

3）球墨鑄鐵管。依靠接口偏轉實現管道彎曲；耐腐蝕；管節長度較大，管道柔性較低，管道回拖場地所需空間較大；采用自錨式接口，抗拉能力強，可實現長距離穿越；接口安裝速度較快；.因接口尺寸，擴孔直徑略大于同管徑鋼管和PE管；綜合造價較高，尚未推廣應用。

根據CECS 382：2014并結合工程經驗，3種管材理論的曲率半徑下限值見表4。

表4 不同管材曲率半徑理論下限值

整體性連接的鋼管和PE管均依靠自身柔性實現管道彎曲，曲率半徑計算原則一致。因鋼管柔性明顯低于PE管，兩者曲率半徑相差明顯，鋼管適合長距離穿越。球墨鑄鐵管為非整體性連接，依靠接口偏轉實現管道彎曲，曲率半徑根據管節長度和接口允許最大偏轉角計算，管道規格被劃分成若干區間，所以球墨鑄鐵管理論最小曲率半徑并非逐級增大。

4 結語

水平定向鉆技術的導向軌跡設計關系到方案的技術合理性和工程經濟性，應結合穿越場地的土質和空間合理選取主控參數；管材選擇除遵循專業領域要求外，還應結合管材特性和工程實際因地制宜、擇優使用。