水平定向鉆技術(shù)在市政給排水管道項目中的應(yīng)用研究

趙海鳳

（西城工程設(shè)計集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

在市政給排水項目建設(shè)中，管道敷設(shè)基本都是在地下進(jìn)行施工的，需要開挖基坑及管溝，這樣不僅會破壞施工地點既有的環(huán)境，而且也對附近居民日常生活及出行帶來不利影響。因此，為了減少對環(huán)境及居民生活的影響，頂管法、盾構(gòu)法、淺埋暗挖法、水平定向鉆法等不開槽設(shè)計及施工技術(shù)應(yīng)運而生，并迅速在市政給排水項目建設(shè)中得到推廣及應(yīng)用，大大提高施工效率及施工質(zhì)量的同時，也減少給排水管道施工對周圍環(huán)境的影響，有效提高市政給排水項目建設(shè)效益[1]。

1 工程概況

某河道截污整治工程總長度為4.5 km。為截流隨意排放到雨水管道中的污水，在河道兩側(cè)主要布置了DN600mm、DN800mm、DN1000mm 三種截污干管，個別位置布置了DN300mm、DN400mm、DN500mm 三種截污支管，管道均為PE 管材。同時，也布置了截污井、跌水井、檢查井共計35 座。該項目所處地區(qū)為丘陵地貌，截污管道施工范圍內(nèi)土質(zhì)以粉質(zhì)黏土為主，土層具體分布（自上而下）情況及層底標(biāo)高見表1，且個別管道需要穿過既有市政道路或者農(nóng)貿(mào)市場。其中埋深淺的管道采取挖埋法進(jìn)行施工，而埋深比較深及需要穿越既有建筑物的管道則擬定采取水平定向鉆施工技術(shù)。

表1 現(xiàn)場土層分布及層底標(biāo)高（自上而下）

2 施工方案設(shè)計

為選擇合適的管道穿越施工技術(shù)，針對常用的頂管法、盾構(gòu)法、淺埋暗挖法、水平定向鉆法的優(yōu)點及適用范圍進(jìn)行對比，見表2。

根據(jù)表2 對比分析結(jié)果及案例項目的特點，考慮到前三種施工方法在成本投入方面比較高，且盾構(gòu)法和淺埋暗挖法適合管徑﹥1000mm 的管道項目，而案例項目中的管徑為300mm～1000mm，且需要穿越既有建筑物（如市政道路、農(nóng)貿(mào)市場等），所以經(jīng)綜合對比最終確定此次截污管道項目選擇水平定向鉆法進(jìn)行施工。

表2 四種施工方法對比表

經(jīng)現(xiàn)場勘測，此次穿越施工長度為940m，為保證水平定向鉆進(jìn)的順利開展，鉆機選用XZ500 型鉆機，鉆桿為φ89mm 的鉆桿。同時，選用擠桶式擴(kuò)孔器對鉆孔進(jìn)行6 級擴(kuò)孔（即從第一級到第六級擴(kuò)孔為：400mm→500mm→600mm→700mm→800mm→900mm），且要嚴(yán)格控制鉆桿的擴(kuò)孔時間，例如淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中擴(kuò)孔時間應(yīng)﹥7.5min；粉質(zhì)黏土中擴(kuò)孔時間應(yīng)﹥4.5min。

3 水平定向鉆施工要點

3.1 施工流程

水平定向鉆施工是一個系統(tǒng)的過程，合理的施工流程可以指導(dǎo)施工順利開展，水平定向鉆施工流程如圖1 所示。

圖1 水平定向鉆施工流程示意圖

3.2 現(xiàn)場勘察及管道穿越設(shè)計

為保證管道穿越順利進(jìn)行，在現(xiàn)場對管道途徑范圍內(nèi)的地質(zhì)、水文、地形及地貌等進(jìn)行了全面且細(xì)致的勘察，以便掌握現(xiàn)場的土層結(jié)構(gòu)、地下管線分布及既有道路等具體施工條件，并與管線及道路所屬單位進(jìn)行溝通，同時，詳細(xì)記錄相關(guān)信息，為管道穿越設(shè)計及優(yōu)化提供參考[2]。結(jié)合現(xiàn)場勘察結(jié)果及建設(shè)單位給的施工圖等設(shè)計管道穿越方案，見圖2 和表3。

圖2 管道穿越示意圖

表3 水平定向鉆施工參數(shù)表（D 為管道直徑）

3.3 測量放線

根據(jù)管道穿越設(shè)計圖測量并放出管道的入土點、中心線、出土點、管道交叉位置、跌水井位置、檢查井位置及相應(yīng)的開挖邊界線等，同時，順著管道敷設(shè)方向的中心線在地面上按2m 間距布置控制樁，并標(biāo)注好高程[3]。

3.4 工作坑開挖

按照“入土端→出土端→管道回拖斜道”的順序依次挖好工作坑。入土端工作坑為楔形，尺寸為2.0m×1.5m×1.0m，坑底為20°～30°的斜面。出土端工作坑主要是用作檢查井和跌水井，坑底尺寸是3.0m×4.0m，四周放坡依據(jù)實際深度及現(xiàn)場土質(zhì)等來確定。管道回拖斜道的開挖寬度是管道直徑D+2×0.5m，斜道角度為10°～20°。

3.5 鉆機選型及安裝就位

根據(jù)現(xiàn)場施工條件、土層分布特點及管道施工要求等確定選擇使用XZ500 型鉆機進(jìn)行鉆進(jìn)施工。待現(xiàn)場三通一平做好之后，將鉆進(jìn)、導(dǎo)向儀及配套設(shè)備就位，并進(jìn)行安裝。安裝好鉆機及導(dǎo)向儀等設(shè)備后，試運行15min，全面檢查設(shè)備，沒問題后，準(zhǔn)備進(jìn)行鉆進(jìn)施工。

3.6 導(dǎo)向鉆進(jìn)

開啟鉆機，待鉆頭噴嘴位置有泥漿流出后開始進(jìn)行鉆進(jìn)。首根鉆桿進(jìn)入土層時須輕壓慢轉(zhuǎn)，確保鉆桿穩(wěn)定入土，待鉆桿達(dá)到設(shè)計入土角之后，正式持續(xù)鉆進(jìn)。在先導(dǎo)孔施工過程中，導(dǎo)向員須拿著信號接收設(shè)備在鉆頭上方接收信號并引導(dǎo)施工。同時，要嚴(yán)格控制入土點、地下管道交叉點及出土點等位置的導(dǎo)向精度，每0.5m 測量計算一次，確保鉆孔軌跡符合要求。直線段每3.0m 測量計算一次鉆進(jìn)精度，以防鉆桿發(fā)生偏離，否則須退桿重鉆。

完成導(dǎo)向孔施工后，現(xiàn)場技術(shù)員將現(xiàn)場施工記錄與設(shè)計資料進(jìn)行對比，以檢驗導(dǎo)向孔施工質(zhì)量。待導(dǎo)向孔滿足質(zhì)量要求后，拆下導(dǎo)向鉆頭，換上擠桶式擴(kuò)孔器準(zhǔn)備進(jìn)行回拉擴(kuò)孔。

3.7 泥漿循環(huán)

泥漿循環(huán)的正常穩(wěn)定進(jìn)行，可以及時排出鉆屑，并使鉆孔壓力及孔壁始終保持穩(wěn)定。因此，施工中針對不同階段、施工條件等設(shè)計了不同的泥漿配方：①導(dǎo)向孔鉆進(jìn)階段。泥漿循環(huán)易帶出孔中的泥砂，為確?？妆诜€(wěn)定，泥漿中摻加了0.2%～0.4%的增黏劑、8%～9%的預(yù)水化鈉基膨潤土及0.3%的降濾失劑。②鉆孔擴(kuò)張階段。為保護(hù)孔壁穩(wěn)定，防止塌陷，應(yīng)增強泥漿的攜帶能力，因此泥漿中摻入了0.3%～0.5%的增黏劑、8%～9%的預(yù)水化鈉基膨潤土及0.4%的降濾失劑。③擴(kuò)孔回拖階段。該階段要求泥漿既要具有良好的護(hù)臂及攜帶泥砂的能力，也要具有良好的潤滑能力，以便減小扭矩及摩擦力。因此泥漿中摻入了0.3%～0.5%的增黏劑、8%～9%的預(yù)水化鈉基膨潤土、0.4%的降濾失劑及2%～3%的潤滑劑。④清孔階段。該階段要求泥漿有良好的潤滑作用，因此在泥漿中主要增添了2%～3%的潤滑劑，以便管道回拖。同時，在現(xiàn)場設(shè)置了專門的泥漿沉淀，以便泥漿循環(huán)再利用。另外，泥漿用量須根據(jù)實際擴(kuò)孔直徑、鉆孔長度及擴(kuò)孔次數(shù)等來確定。

3.8 擴(kuò)孔

此次擴(kuò)孔施工采用擠桶式擴(kuò)孔器進(jìn)行分級擴(kuò)孔，共計分為6 級，從第一級到第六級擴(kuò)孔：400mm →500mm →600mm →700mm→800mm→900mm。擴(kuò)孔前，須監(jiān)測擴(kuò)孔器噴嘴是否運行正常，沒問題后，開始擴(kuò)孔。每擴(kuò)完一次孔，便洗孔一次，再進(jìn)行下一級擴(kuò)孔，直至完成所有擴(kuò)孔作業(yè)。在擴(kuò)孔過程中如果出現(xiàn)扭矩或拉力異常的情況，需要及時減緩進(jìn)尺速度，查明原因并進(jìn)行處理后再恢復(fù)正常鉆進(jìn)速度[4]。

3.9 管道連接

熱熔連接時，先將預(yù)連接的兩節(jié)管道放于夾具上固定好，然后移動夾具使兩節(jié)管道端面充分接觸，并保持在同一軸線上。將熱熔加熱板加熱到200℃～235℃，待管道端面吸熱時間滿足要求后，及時將加熱板撤出來，兩端均勻用力將管道連接在一起，并使接觸面形成均勻的對稱翻邊。持壓待管道焊縫冷卻至環(huán)境溫度后，使用專業(yè)工具切掉連接位置的翻邊[5]。PE 管道熱熔連接的具體工藝參數(shù)見表4。

表4 PE 管道的熱熔連接工藝參數(shù)表

3.10 管道回拖

回拖操作前，須全面檢查鉆機、泥漿泵等設(shè)備的性能，并做必要保養(yǎng)。管道吊裝采用25t 汽車吊，并提前就位。然后依次將擴(kuò)孔器、分動器、管線拉頭及待敷設(shè)管線等連接到鉆桿上，并試噴泥漿。做好上述準(zhǔn)備工作后，開始管道回拖施工，回拖施工必要保持良好的連續(xù)性，并勻速進(jìn)行，特殊情況下施工中斷時間應(yīng)控制在4h 內(nèi)，回拖中須保持泥漿循環(huán)。同時，在管道回拖過程中，出土點和入土點要保持實時聯(lián)系，保證管道回拖準(zhǔn)確達(dá)到預(yù)定位置。另外，回拖施工中設(shè)置了托管架減阻措施，這樣既能減小管道與地表之間的摩阻力，也能有效預(yù)防管道外部防腐層等發(fā)生損傷。

3.11 注漿

為了預(yù)防因擴(kuò)孔直徑和管道外徑偏差過大而引起道路或地面沉降，因此采取孔內(nèi)注漿方法對鉆孔進(jìn)行加固。即在回拖管道時，也把注漿管拖進(jìn)孔內(nèi)，注漿管選用D25mm 鋼管，尾部連有長度6m 的注漿花管。管道回拖后，將注漿管連到SYB50-45 型注漿泵上，然后使用0.4MPa 的壓力將配置好的漿液（水泥∶粉煤機=1 ∶1）注入孔內(nèi)，每次注漿長度為6m，并且注漿量應(yīng)超過泥漿量。注漿回拖過程中，每當(dāng)回拖6m 后，便拆下上節(jié)注漿管，再接著注漿，直至注漿管完全被拖出到孔外后，再對管道和擴(kuò)孔孔壁間的空隙進(jìn)行封堵。對導(dǎo)向鉆斜孔也使用注漿方式將其填充密實。而注漿期間置換出的泥漿應(yīng)排到沉淀池中進(jìn)行沉淀處理。結(jié)束注漿施工后，依次進(jìn)行檢查井、跌水井施工。

3.12 現(xiàn)場泥漿處理及地貌恢復(fù)

在現(xiàn)場管道穿越施工中，為方便泥漿收集及處理，在入土點挖了一個長×寬×深=8m×6m×2m 的泥漿池，體積為96 m3，同樣，在出土點也挖了一個泥漿池，規(guī)格為長×寬×深=8m×4m×2m，體積為64 m3。在管道穿越施工結(jié)束后，使用泥漿泵將剩余的泥漿抽進(jìn)專用的泥漿回收罐中；同時將地面上沾染的泥漿用人工的方式鏟掉，也裝入泥漿回收罐中，然后就地深埋。將現(xiàn)場施工所用的隔離物、警示牌、標(biāo)識牌及施工設(shè)備等裝車運走；將現(xiàn)場施工及生活留下的垃圾及雜物等運至制定的垃圾場；然后將現(xiàn)場地貌恢復(fù)原貌。

4 施工中的風(fēng)險及應(yīng)對措施

4.1 施工風(fēng)險

在管道穿越施工中存在一些風(fēng)險，影響了施工質(zhì)量，主要包括以下4 點：1）該項目管道穿越拖拉長度為940m，且需穿越河流及粉質(zhì)黏土層，實際施工中易發(fā)生縮徑或者泥渣堵塞，進(jìn)而會形成高壓，導(dǎo)致卡鉆。2）粉質(zhì)黏土層穿越施工過程中，也易發(fā)生流砂、潛蝕、管涌、與河水串孔及塌孔等風(fēng)險。3）PE 管浮力較大，可能出現(xiàn)管道上浮現(xiàn)象。4）因為管道均是采取熱熔焊接，如果焊接質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，就會導(dǎo)致拖拉施工中出現(xiàn)管道斷裂問題。

4.2 應(yīng)對措施

根據(jù)上述施工風(fēng)險，采取了以下6 點應(yīng)對措施，以確保管道穿越施工質(zhì)量：1）針對水平定向鉆的鉆頭加設(shè)了金剛石切片，既能成孔效率及質(zhì)量，也能防止發(fā)生卡鉆。2）導(dǎo)向孔、擴(kuò)孔及管道回拖施工過程中，要嚴(yán)格控制施工速度，防止因施工速度過快而對孔洞造成破壞。3）嚴(yán)格按照設(shè)計要求進(jìn)行分級擴(kuò)孔，禁止跳級擴(kuò)孔，以免發(fā)生塌孔。4）根據(jù)各施工階段的實際需要配置不同配方的泥漿，并嚴(yán)格把控泥漿質(zhì)量，以確保泥漿能充分發(fā)揮其潤滑及減阻的作用。5）在回拖管道過程中，應(yīng)在管道中加入適量的水，以防管道上浮。6）針對管道焊接人員開展專門的技術(shù)交底及崗前培訓(xùn)，使其全面了解焊接要點及質(zhì)量要求，嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行焊接操作，嚴(yán)控焊接質(zhì)量，防止管道出現(xiàn)中斷。

5 結(jié)語

綜上所述，水平定向鉆法作為一種不開槽施工技術(shù)，因不受管道埋深、地面建筑物及地下水等的影響，所以市政給排水管道穿越道路、建筑、河流等項目施工中應(yīng)用廣泛。但為了充分發(fā)揮出水平定向鉆法的價值及作用，施工單位及技術(shù)人員還需針對水平定向鉆施工選擇合適的鉆機等相關(guān)機械及材料，并控制全過程質(zhì)量，及時解決問題，不斷優(yōu)化水平定向鉆施工技術(shù)，進(jìn)而促進(jìn)市政給排水項目發(fā)展。