非開挖定向鉆技術在大管徑PE給水管道工程中的應用

廖 禎 虎， 馬 棟 梁， 熊 小 龍

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610037)

1 概 述

隨著城市化建設的不斷加快，20世紀70年代發展起來的水平定向鉆施工技術正以其對周邊建筑物影響小、對道路交通干撓小、施工效率高、綜合成本低、適用范圍廣等優點廣泛應用于給排水、電力、燃氣等領域不宜采用開挖施工的管道敷設。

白龍路供水管道建設工程是海南省海口市應急供水工程，主要解決新埠島及海甸島居民供水問題，合同工期為90 d，工期緊、任務重。該供水管道沿白龍路兩側非機動車道布置，穿越橫溝河直至新埠島，全長4 413 m,管材采用DN800PE100給水管，其中供水管道穿越橫溝河段時需穿越橫溝河與跨河新埠大橋及其兩側通行棧橋樁基，該棧橋樁基為Φ800 mm,L=18 m，間距5 m×2.9 m(長×寬)，沿寬度方向四排平行布置。橫溝河河面寬度約為200 m，河道中心深度約為5 m，管段地質條件復雜、跨度長，施工難度較大。

2 管道穿越方案的設計

2.1 水平定向鉆工藝具有的優點

(1)施工工藝簡單，可操作性強，進、出場速度快，施工場地可靈活調整，占地少，容易組織實施，綜合施工成本低。

(2)不破壞地貌和環境，不影響交通，解決了傳統施工工藝對居民生活的干撓，對周邊環境影響較小。

(3)施工人員、設備均位于地面，避免了深基坑等不良作業條件，不損傷道路及河堤結構，安全性高。

(4)施工精度高，容易調整管道敷設方向和埋深，可有效避讓地下管線、構筑物等障礙物，施工難度小。

2.2 高密度聚乙烯管材的性能

高密度聚乙烯管材(PE管)是我國近年來新興的給水管材，其優點為管材密閉性能好、使用壽命長、耐腐蝕、重量輕，聚乙烯管材斷裂延長率較高，具有極為優異的柔韌性、良好的抗不均勻沉降和抗震性能，適用范圍極為廣泛。其缺點為管道承壓能力略小，PE100系列SDR11，DN800管道的承壓能力不大于1.6 MPa(注：SDR11為管材徑壁比；DN800為管道直徑)。高密度聚乙烯管材性能見表1。

表1 高密度聚乙烯管材性能表

2.3 穿越方案的設計

(1)現場復勘。管道穿越施工前，對河流地質情況、棧橋樁基分布情況等進行了全面、細致的復查，查缺補漏，防止發生遺漏等情況，有助于對沿線情況進行全面了解，以便設計定向鉆鉆進的最佳線路，降低施工難度。

(2)鉆進軌跡設計。根據《水平定向鉆法管道穿越工程技術規程》(CECS382—2014)中表5.3.5要求，PE管直徑≥800 mm時，水平定向鉆先導孔鉆進軌跡曲率半徑不應小于300D(D為管道直徑),入土角度為8°～30°，出土角度為4°～20°[1]。該工程鉆進入土角取10°，出土角取8°，曲率半徑取400 m。因管道穿越需避讓棧橋基礎灌注樁，故將穿越平直段的深度取25 m，經計算得出本段管道穿越長度L=550.3 m，管道穿越軌跡設計情況見圖1。

圖1 管道穿越軌跡設計示意圖

(3)估算管道回拖力。根據《給水排水管道工程施工及驗收技術規范》(GB50268-2008)中的式6.6.2-1進行計算[2]，其回拖力F=1 110 kN。

(4) 鉆機的選擇。根據《水平定向鉆法管道穿越工程技術規程》(CECS382—2014)中第6.3.1要求，該工程選用徐工XZ2860水平定向鉆機用于穿河段管道的施工，其設備額定最大推拉力F額=2 860 kN>1.5×F拖=1.5×1 110 kN=

1 665 kN，滿足施工要求。

(5)管材承受的最大回拖力。根據《水平定向鉆法管道穿越工程技術規程》(CECS382—2014)中的式5.2.5進行計算得知：F=1 137 kN。

管材所能承受的最大回拖力1 137 kN>回拖力估算值1 110 kN，故管材滿足施工要求。

3 定向鉆施工方法

3.1 施工流程

施工準備→鉆機就位調試→泥漿配置→導向孔鉆進→預擴孔→管道焊接→管道回拖→土體加固→管道試壓。

3.2 施工準備

(1) 測量定位。測量人員根據施工圖放出供水管道中心樁位及出、入土點位，采用木樁標定并記錄木樁頂高程。中心樁每3 m左右打一標志樁，對于管道穿越棧橋樁基范圍應加密軸線控制點位，放樣點按0.5 m左右一個標定。

(2) 場地布置。鉆機就位前，分別在管道出、入土點中心位置開挖工作坑，工作坑尺寸為9 m×3 m×2 m(長×寬×深)，工作坑四周打入4 m長的SP-IV型拉森鋼板樁進行支護，防止基坑坍塌。

3.3 鉆機就位調試

鉆機設備固定前，測量人員應對鉆桿位置進行校核，直至方位調整與設計穿越軸線延伸線重合后將鉆機固定在地面。鉆機就位后進行試鉆，確保設備控制系統、接收器、遠程同步監控系統運行正常。

3.4 泥漿配置

供水管道主要穿越河底中砂層，對泥漿的性能要求較高，要求泥漿應具有良好的流變性、較強的攜帶鉆屑能力、較低的摩擦系數、良好的潤滑性以及優異的固壁能力。泥漿由膨潤土、泥漿添加劑加水攪拌制成，將漿液黏度控制在60～80 s，水堿性值控制在8～10，鉆進過程中每2 h觀測一次馬氏漏斗黏度，根據現場情況變化及時調整漿液配比。

3.5 導向孔鉆進

控向系統采用Eclipse有線和無線控測儀結合的雙控向方式對鉆進軌跡進行實時監控。將所設計的穿越軌跡主要參數在施工前輸入鉆機控向系統，由控向系統自動計算穿越軌跡的有關數據。

首根鉆桿入土鉆進時先輕壓慢鉆，穩定入土點位置，待其符合設計鉆進軌跡后正常鉆進，鉆進時泥漿泵噴嘴壓力不大于1 MPa，壓力過大易出現冒漿。

斜段測量頻率為每0.5 m一次，平直段為每3～5 m一次，同一量測點沿鉆頭不同角度讀取的讀數不少于3次并取其平均值做為最終數據，以減少控向數據采集誤差。鉆進過程中，應與設計鉆進軌跡進行對比，出現偏差時及時調整。

導向孔鉆進過程中，應注意井眼返漿情況并做好記錄，以準確判斷鉆進過程中的地質情況，為預擴孔提供可靠的數據[3]。

3.6 預擴孔

擴孔采用反拉旋轉多級擴孔。首次擴孔直徑為350 mm，擴孔直徑逐級增大，按照每級100 mm逐級增加，終孔直徑取1 150 mm。

導向孔鉆進完成后，卸下起始桿和導向鉆頭，先更換為直徑350 mm的回擴鉆頭進行回擴，完成擴孔后再更換下一級回擴鉆頭進行擴孔。最后一次回擴鉆頭需采用相應的擠擴式鉆頭，若回拖力和回擴扭矩過大，則需多回擴一次，以利孔壁的成型和穩定[4]。

擴孔過程采用“中鉆速、中鉆壓、大泵量”的方法控制，回擴時將泥漿密度控制在1.1～1.2 g/cm3，黏度控制為45～70 s,PH值控制在8～9。回擴期間，保持工作坑漿液高于地下水位，并根據扭矩、回拖力和進尺等情況及時調整漿液性能指標。

3.7 管道的連接

沿河堤將PE管按順序擺放以便于管道組對焊接。該工程采用SHBD800熱熔焊機進行焊接施工，將焊接溫度控制在210 ℃～220 ℃，熱熔時間控制在5～10 min，冷卻時間不低于30 min，管材冷卻時間不得移動或在連接處施加外力。

3.8 管道的回拖

鑒于PE管材抗拉屈服強度較低，為避免回拖力超過管材拉伸極限發生斷裂而影響到管道的安裝質量，在管道中設Φ140 mm×9.6 m通長鉆桿，鉆桿穿過拉管頭后固定在拉管頭外側，管道四周均勻固定三根Φ50 mm PE花管。

清孔完成后，將擴孔器與萬向節、U型環與拉管頭連接牢固，在確保全部準備工作完成后開始管道回拖，管道回拖采用機械輔助發送，設專人統一指揮吊車根據回拖速度向前吊送。

管道回拖宜連續進行，中途不能中斷并保持泥漿回流，回拖速度按平均0.8～1 m/min勻速、平穩拉進管道。在回拖管材施工過程中，應盡量避免發生卡管、鋪管受擠壓變形、泥漿滲出等事故，若發生則應分析原因、采取相應措施予以解決[5]。回拖完成后，封閉管口并等待3～5 d，使管道回拖所產生的軸向應變恢復后方可切斷管頭。

3.9 土體加固

為防止地面沉降，在管道回拖完成后，通過預留花管對管道四周的土體進行加固，采用1∶1.5的水泥漿液對管道孔壁間進行填充置換。

4 注意事項

(1)PE管材進場后，必須組織驗收并取樣檢測，合格后方可使用，以確保材料性能滿足要求。

(2)司鉆在操作過程中，設備啟動、運轉、停止平穩過渡，采用低速鉆孔及擴孔；出現扭矩過大情況時應及時降低速度，待處理完成后再繼續鉆進。

(3)鉆進時，泥漿泵開泵不宜過快，壓力不能過大，避免漿液壓力驟增對孔壁造成猛烈沖擊而導致塌孔，

(4)鉆進過程中，一定要注意觀察漿液狀態，保持漿液均勻、性能穩定，防止漿液性能出現大幅度變化，若發現泥漿因失水、攜帶鉆屑而變稠時，應及時過濾鉆屑并稀釋漿液。

(5)在鉆進與擴孔階段，鉆進和擴孔速度不能過快，以保證孔洞內有充足的泥漿能快速帶出土屑，防止堵塞孔道；管道回拖階段應勻速、平穩回拖，防止速度過快導致孔洞內的泥漿無法快速流動釋放而造成瞬間高壓破壞。

(6)擴孔時，嚴格按照相關要求逐級進行擴孔，禁止為追求進度越級擴孔。

5 結 語

近年來，水平定向鉆施工技術在我國得到了迅猛發展，PE管材也愈來愈多地應用于管道工程建設，無論在管道敷設、置換、修復中都發揮著重要的作用，取得了較好的社會效益和經濟效益。

目前國內長距離、大管徑管道敷設應用水平定向鉆技術施工的項目其管材主要采用鋼管；長距離、大管徑PE管道敷設主要為嘗試應用，可供借鑒的施工經驗不多，因此，總結非開挖水平定向鉆大管徑PE管道敷設技術的應用經驗極為必要。通過白龍路供水管道工程大管徑PE管敷設應用非開挖水平定向鉆施工技術，其管道施工質量滿足設計和規范要求，施工安全、高效，綜合成本低，所取得的施工經驗對類似工程管道施工具有一定的借鑒意義。