非開挖水平定向鉆群管穿越回拖力研究

曹波，黃龍湘，羅彥

（1.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510663；2.廣州電力設計院有限公司，廣州 510610）

1964年，美國Martin研制出第一臺水平定向鉆機［1］，1985年，水平定向鉆技術首次引入中國的管道穿越工程。自此后，水平定向鉆技術應用越來越廣泛［2］。非開挖水平定向鉆技術應用于電力電纜線路工程中主要敷設改性聚丙烯電纜導管（MPP管）或者高密度聚乙烯管（HDPE管）。電纜工程中使用非開挖水平定向鉆技術在穿越軌跡上一次成孔后，一回路三相電纜需要回拖7根甚至更多的MPP管，在工程實踐過程中有大量的成功實例，本文定義為群管回拖。而目前針對管道回拖過程中的鋼管回拖力估算主要依據《油氣輸送管道穿越工程設計規范》（GB 50423—2013）［3］、塑料管的回拖力計算主要依據《水平定向鉆法管道穿越工程技術規程》（CECS 382—2014）［4］，兩規范給出的均是單管回拖的回拖力估算方法。《城鎮燃氣管道穿跨越工程技術規程》（CJJ/T 250—2016）［5］提出穿越長度大于300 m時，宜采用鋼管穿越，對以HDPE管為主的塑料管穿越長度進行了限制，但實際塑料管單管穿越工程應用中，一些工程水平定向鉆采用塑料管穿越長度大于500 m以上且運行良好［6］。

群管回拖作為一項電纜線路工程非開挖水平定向鉆穿越過程中常用技術，應用已經非常廣泛。但群管穿越回拖的理論支撐還不夠完善，目前沒有專業的規范進行明確。基于以上原因，本文對群管穿越條件下回拖力估算問題進行探討，通過研究單管回拖力計算方法，對比現場實測回拖力數據，得出可以基于工程經驗及應用的群管穿越回拖力估算方法及推薦穿越長度，群管回拖橫斷面如圖1所示。

圖1 群管回拖橫斷面圖Fig.1 Cross section of multiple pipelines pullback

1 規范回拖力計算方法

在工程實踐中，水平定向鉆實施的理想狀態是管道在成孔完好的施工孔洞的泥漿中回拖，管道回拖力為凈浮力與施工孔洞孔壁產生的摩擦力。單管穿越時，在無水平方向彎曲的鉆孔中，其典型軌跡由曲線段-直線段-曲線段組成，如圖2所示。

圖2 典型鉆孔軌跡示意圖Fig.2 Schematic diagram of typicalborehole trajectory

《水平定向鉆法管道穿越工程技術規程》（CECS 382—2014）給出了該軌跡下單管回拖力的計算公式，如圖2所示。

式中：

TA——A處管道所受回拖力（kN）；

TB——B處管道所受回拖力（kN）；

TC——C處管道所受回拖力（kN）；

TD——D處管道所受回拖力（kN）；

L1——圖中管段水平長度（m）；

L2——圖中管段水平長度（m）；

L3——圖中管段水平長度（m）；

L4——圖中管段水平長度（m）；

fg——塑料管道與地面之間的摩擦系數，可取0.5；

fh——塑料管道與孔壁之間的摩擦系數，可取0.3；

wp——單位長度管道重力（kN/m）；

wf——單位長度管道所受凈浮力（kN/m）；

α——入土角（rad）；

β——出土角（rad）。

該回拖力的估算方法主要參考美國材料試驗學會ASTM計算法［7］，該方法全面考慮了管道在地面的摩擦力，在孔洞中凈浮力產生的摩擦力，回拖過程彎曲段的絞盤效應等多種因素，不考慮管徑、鉆桿、管材前面的回擴頭、連接裝置等因素［8］。

其理論成立的前提是：回拖過程中管道被視為不具抗彎剛度的柔性體，施工孔形狀和穿越曲線理想，施工孔洞孔壁穩定性非常好，沒有塌孔現象［9-10］。

2 工程實際回拖力對比分析

珠三角某220 kV電纜線路工程，穿越國家一級航道采用非開挖水平定向鉆法敷設MPP管方式穿越，穿越路徑長度393 m，深度29 m，需要實施Ⅰ、Ⅱ兩個電纜通道，每個通道敷設4根Φ355×30+5根Φ110×10MPP管，每個通道具體敷設斷面如圖3。

圖3 敷設管道橫斷面圖Fig.3 Cross section of laying pipeline

根據MPP管《非開挖用改性聚丙烯塑料電纜導管》（DL/T 802.7—2010）關于管材抗拉強度的規定，MPP管的管材抗拉強度為25 MPa，熔接位置抗拉強度為22.5 MPa，本工程所有管材抗拉強度設計值如表1。

表1 管材抗拉強度設計值Tab.1 Design value of tensile strength of pipe

該工程穿越的主要地層為人工回填層、流塑的淤泥層，可塑的黏土層，飽和的粗砂層。西岸有地基處理的素混凝土樁需要避讓，所以穿越深度達到了29 m，水平穿越段主要在可塑黏土層（層厚約6 m）中穿越，穿越地質情況良好，管道擺放位于西岸的A位置，回拖鉆機位于東岸D位置，擴孔完成后，電纜保護群管從A向D點回拖，縱斷面圖及地質條件見圖4。

圖4 工程非開挖水平定向鉆縱剖面圖Fig.4 Longitudinalsection of trenchless horizontaldirectional drilling of the project

按本文上述章節及《水平定向鉆法管道穿越工程技術規程》（CECS 382—2014）給出的計算方法，按4根Φ355×30+5根Φ110×10MPP管回拖力計算結果如表2，其中最大回拖力出現在C位置，計算得最大回拖力TC為503.27 kN，按規范要求管材抗拉強度滿足2的安全系數，經過計算本工程所選管材的抗拉強度安全系數為6.18。

表2 回拖力計算結果表Tab.2 Calculation results of pullback force kN

本工程實施過程中，采用江蘇徐工XZ3000鉆機，最大推拉力3 MN。采用九級擴孔到1 200 mm施工孔洞，回拖管道前連續兩次24 h洗孔。在實施過程中，對工程實施過程中兩條通道回拖力進行實時監測。取得完整實測數據且與規范計算值對比如圖5。

圖5 回拖力實測曲線Fig.5 Measured curve of pullback force

水平定向鉆路徑長度為393 m，考慮到管材前端鉆桿連接，實際監測回拖力鉆桿44條，縱曲線長度大約420 m。

根據上圖的實測數據，I通道最大回拖力為2.9 MN，Ⅱ通道的最大回拖力為2 MN。本工程最先實施I通道，因為在該施工場地施工無施工經驗，施工場地準備不足，在地面上熔接好的420 m管材擺放出現了90°轉彎等問題，導致實施了3天4夜全部管道才回拖成功，回拖力較大。

Ⅱ通道為本工程實施的最后一個通道，前期已經積累了Ⅰ通道的施工經驗，并對施工過程進行了大量的優化，進行了地面交通道路占用及疏導，臨時占用了部分實現在地面上熔接好的420 m管材全部直線擺放，最終經過6個小時施工，所有管道全部回拖完畢，實施過程非常理想。兩通道管材擺放方式對比如圖6。

圖6 兩通道管材擺放方式對比圖Fig.6 Comparison of pipe placement methods

通過實測結果與規范計算結果進行對比，在群管回拖過程中，實測結果均明顯大于計算結果。在理想狀態下，Ⅱ通道回拖力大約為計算結果的4倍，在非理想狀態下，I通道回拖力達到了計算結果的6倍，已經接近管材抗拉強度設計值，實施過程風險非常大，所以對于水平距離超過400 m的群管穿越工程，需要仔細核算回拖力的安全系數。

計算結果和實測均在管道回拖至圖2的C位置時開始出現最大回拖力。

本文分析原因如下：

1）規范計算方法僅考慮單根塑料管道的受力情況，主要考慮單根塑料管的加拖拉力，外形是按表面光滑的包絡圓計算，而群管為一束管，橫斷面圖如圖7所示，形狀不規則，且4大5小群管表面積約為包絡圓表面積的2.3倍。且回拖過程中，群管管材的排列遠沒有圖7中整齊規范，容易出現扭轉，錯動。導致群管回拖過程中摩擦力遠遠大于同重量的包絡圓單管。

圖7 群管包絡圓示意圖Fig.7 Schematic diagram of multiple pipelines envelope circle

2）規范計算時，回拖過程中管道被視為不具抗彎剛度的柔性體，施工孔形狀和穿越曲線理想，施工孔洞孔壁穩定性非常好，沒有塌孔現象。但實際工程中，施工孔形狀、穿越曲線非常難做到理想狀況，甚至局部會出現塌孔等現象，所以實測回拖力遠遠大于理論計算值。

3）水平定向鉆施工中，熔接好的大長度管材擺放場地嚴重制約實施的可行性，Ⅰ、Ⅲ通道實施時，熔接好的420 m管材是90°轉彎擺放，實施起來非常艱難。Ⅱ通道熔接好的管材采用直線擺放，各方面實施條件最好。

4）規范計算僅考慮了管材的受力情況，沒有計算鉆桿、回擴頭，鉆桿與管道連接裝置等產生的回拖力情況。

3 結 論

通過本文的研究，得出以下結論：

1）《水平定向鉆法管道穿越工程技術規程》（CECS 382—2014）塑料管加拖力計算方法不考慮管徑、鉆桿、管材前面的回擴頭、連接裝置、塌孔現象等因素。但工程實際實施過程中，群管因為表面積約為同重量同包絡圓表面積的2.3倍，且實施過程中容易出現扭轉、錯動、局部發生塌孔。導致群管回拖過程中摩擦力遠遠大于同重量的包絡圓單管。本文工程實例中實測回拖力為規范計算回拖力值的4～6倍。

2）對于MPP或者HDPE管等塑料管，群管回拖力的大小直接影響工程實施的可行性，本工程實測回拖力已經接近管材抗拉強度設計值。因此平面路徑長度超過400 m的穿越工程，需要仔細核算回拖力的安全系數。

3）長距離非開挖水平定向鉆敷設電纜保護群管的成功實施，需要施工成孔質量、管道準備的密切配合。

4）群管管材回拖前，管材準備工作及擺放方式至關重要。所有管材連接好后，直線擺管是理想的管材擺放方式，特別是對于長距離非開挖水平定向鉆穿越方式的成功非常關鍵。