非開挖水平定向鉆在管道施工中的應(yīng)用

非開挖水平定向鉆在管道施工中的應(yīng)用摘要：在城市建設(shè)中燃?xì)?、電力、電信，供水及污水管道施工中?jīng)常會遇到公路、鐵路、水渠、建筑等設(shè)施，為減少管道施工開挖對既有設(shè)施的影響，非開挖水平定向鉆管道鋪設(shè)技術(shù)應(yīng)運而生，俗稱拖拉管。與開挖施工法相比，水平定向鉆管道施工技術(shù)具有不影響交通、施工周期短、綜合施工成本低、社會效益高等優(yōu)點，還能保證對管道施工質(zhì)量的控制，因此近年來一直都得到比較廣泛的應(yīng)用。本文以在建項目毛莊污水處理廠配套尾水管網(wǎng)下穿隴海鐵路段管道的鋪設(shè)為例，詳細(xì)地闡述了定向鉆管道施工技術(shù)和注意事項。關(guān)鍵詞：非開挖技術(shù)；水平定向鉆；拖拉管；施工技術(shù)0引言隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)越來越多，非開挖技術(shù)在我國地下管道的施工中起到越來越重要的作用，按其用途主要用于新管鋪設(shè)和管道修復(fù)兩大類，非開挖管道施工技術(shù)以水平定向鉆施工技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛，其具有施工精度高、施工周期短、占地面積小、安全系數(shù)高、施工風(fēng)險低、社會效益高等特點，解決了傳統(tǒng)開挖施工對交通、環(huán)境、周邊建筑物基礎(chǔ)的破壞和不良影響。一般適用于管徑φ1200mm以內(nèi)的鋼管和PE管。1工程概況本工程為毛莊污水處理廠配套尾水工程，尾水管網(wǎng)長度共計2588m，管道自毛莊污水處理廠沿紫房路向北至陶公河南岸，再向北下穿隴海鐵路，沿吳西大溝東側(cè)至徐莊污水處理廠尾水泵站。本次尾水管網(wǎng)工程除下穿隴海鐵路段采用非開挖水平定向鉆進(jìn)行管道鋪設(shè)外，其余管道均采用開挖溝槽埋設(shè)管道的施工方法。下穿隴海鐵路段水平定向鉆管道施工總長度為168.4m，水平直線段長度為117m。管材選用DN450高密度聚乙烯管(PE100,1.25MP,SDR13.6)，鋪設(shè)前采用熱熔方式進(jìn)行連接。2水平定向鉆工作原理水平定向鉆施工的基本原理是在鉆桿頭部安裝一個傳感器，在地面上工作人員手持導(dǎo)向儀，對鉆桿上的傳感器進(jìn)行跟蹤，通過控制室實時觀察鉆進(jìn)的線路，如有偏離，及時調(diào)整導(dǎo)向鉆頭的方向和角度，使鉆桿按照預(yù)定的路線進(jìn)行鉆進(jìn)。待鉆頭按預(yù)定位置鉆出地面后，卸掉鉆頭，安裝回擴(kuò)鉆頭并將管道固定在回擴(kuò)鉆頭后，使鉆機(jī)拖動回擴(kuò)鉆頭和管道進(jìn)行反向回拖，直至將管道拖至地面后，管道就鋪設(shè)完成。施工過程中，采用提前配置好的泥漿進(jìn)行護(hù)壁，防止孔道坍塌，同時也能起到冷卻、潤滑鉆頭的作用。3主要施工工藝水平定向鉆施工工藝流程：管道探測→鉆機(jī)選型→泥漿配置→先導(dǎo)孔鉆進(jìn)→回擴(kuò)鉆頭擴(kuò)孔→管道回拖→注漿加固→檢查驗收→地貌恢復(fù)。3.1地下管道探測為避免在管道施工過程中挖斷、挖穿既有管道的情況發(fā)生，水平定向鉆管道施工前，應(yīng)提前取得待施工管道沿線的地下管道及構(gòu)筑物的資料。由于很多地下管道資料存在資料不全、精度不高或現(xiàn)狀地貌已改變等問題，需根據(jù)現(xiàn)有資料進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查核實，并采用探測儀器和挖探坑等方法，復(fù)核各種管道和構(gòu)筑物的埋設(shè)位置和深度。3.2方位定位和穿越軌跡根據(jù)施工圖紙，在施工現(xiàn)場進(jìn)行測量放樣，綜合考慮施工范圍的地質(zhì)情況、管道埋深、管道直徑等數(shù)據(jù)，確定管道穿越軌跡的參數(shù)，包括鉆頭入土點、入土角度、出土點、出土角度、水平直線段長度、實際施工長度等。根據(jù)鐵路行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，水平定向鉆穿越鐵路時，管道最小覆土深度為路基坡腳處地表下5m，為確保鐵路通行安全，本次下穿管道路基坡腳處覆土厚度確定為6m，經(jīng)計算本次下穿隴海鐵路段水平定向鉆入土角和出土角均為13°，入土點和出土點與鐵路路基坡腳的垂直距離為25m。3.3鉆機(jī)選型施工過程中，鉆孔及管道回拖主要靠鉆機(jī)產(chǎn)生的推力、旋轉(zhuǎn)扭矩以及所提供的鉆液的流量、壓力來完成施工，特別是長距離穿越。因此，水平定向鉆機(jī)的功率和型號應(yīng)與工程需要相匹配，需綜合考慮施工場地條件、地質(zhì)情況、敷設(shè)管道直徑、管道埋深和一次拖拉管長度等因素，來最終確定鉆機(jī)的型號。經(jīng)計算此工況下管道與入口處地面摩阻力、管道與孔壁之間泥漿的粘滯力、管道入土段和出土段由于彎曲額外增加的彎曲阻力、擴(kuò)孔鉆頭的迎面阻力，本段水平定向鉆管道的最大非開挖拉管阻力為295KN，因此本次水平定向鉆管道施工采用最大拉力為320kN的XZ320型鉆機(jī)。3.4鉆液的配制鉆液在水平定向鉆施工過程中起著非常重要的作用，其具有冷卻鉆頭、保護(hù)鉆頭內(nèi)部傳感器、潤滑鉆頭和管道的作用，更重要的是鉆液可以與鉆孔過程中切削下來的土或沙石屑混合成為流動的泥漿，將砂石屑順利地排出孔道外，為回拖管道提供足夠的環(huán)形空間，還可以減少管道回拖時的阻力。同時，殘留在孔道中的泥漿還可以起到支撐護(hù)壁的作用，防止孔道坍塌。因此，施工時要根據(jù)地層條件配制適合的鉆液，鉆液的質(zhì)量越好與鉆屑混淆越適合，所創(chuàng)造的泥漿的流動性和懸浮性越好，回擴(kuò)成孔的成效越理想，水平定向鉆施工成功的概率就越高。鉆液由水、膨潤土和聚合物構(gòu)成。水是鉆液的主要成分，膨潤土和聚合物往常稱為鉆液增添劑。有時為改良泥漿性能，還要加入其他的化學(xué)處理劑，如燒堿(或者純堿)可增粘、增靜切力、調(diào)理pH值，投入燒堿量普通為膨潤土量的2%REF_Ref2268\r\h[1]。3.5管道連接由于本次水平定向鉆管道的一次拖拉長度為168.4m，故需對現(xiàn)場管材進(jìn)行連接，采用熱熔方式進(jìn)行連接。PE管的連接是PE管道電熔連接的核心環(huán)節(jié)，管道連接前需根據(jù)管件規(guī)格選擇合適的電熔焊機(jī)。正式焊接管道前，對管道進(jìn)行試焊，以確定焊接參數(shù)。焊接時，將管材接頭處進(jìn)行清潔處理，防止有雜質(zhì)和水分影響焊接質(zhì)量。固定好支架，防止管材在焊接過程中產(chǎn)生移動而出現(xiàn)管道錯位現(xiàn)象。在管道焊接完成后，需要經(jīng)過足夠的時間對連接部位進(jìn)行冷卻和固定，以確保連接部位的穩(wěn)定性和可靠性。對于大型管道連接，需要采取分段冷卻和固定的方式，以避免管道下垂或變形。冷卻和固定時，不得移動管道，確保連接部位不會受到外力的影響而產(chǎn)生移動或變形。在管道冷卻、固定完成后，需要檢查連接部位的外觀質(zhì)量、觀察是否有氣泡、裂紋等，以確保連接部位的質(zhì)量符合要求，最后對的管道整體進(jìn)行壓力試驗，確保管道連接部位的強(qiáng)度的可靠性。管道焊接流程圖3.6導(dǎo)向孔鉆進(jìn)導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)施工前應(yīng)先固定鉆機(jī)，由于在管道回拖過程中管道會因重力的作用而出現(xiàn)下沉，為消除管道下沉對管道高程產(chǎn)生的影響，需對鉆桿進(jìn)行調(diào)整，使其略高于設(shè)計管道的中心高程。在導(dǎo)向鉆頭內(nèi)安裝傳感器，導(dǎo)向鉆頭后端與鉆桿連接，由鉆機(jī)驅(qū)動鉆桿并向其施加壓力向前鉆進(jìn)，根據(jù)提前設(shè)定好的入土角度和入土位置，將導(dǎo)向鉆頭打入地下。地面工作人員手持導(dǎo)向儀接收器，隨鉆頭的鉆進(jìn)同步接收信號，控制室操作員根據(jù)接收器實時顯示的鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行鉆孔軌跡控制。若發(fā)現(xiàn)鉆頭偏離預(yù)定的線路時，及時地進(jìn)行糾偏，通過調(diào)整鉆頭的傾角、旋轉(zhuǎn)角等參數(shù)改變鉆頭方向和深度，確保鉆頭按照按設(shè)計的軌跡進(jìn)行鉆進(jìn)。施工過程中，控制室操作員應(yīng)時刻注意鉆進(jìn)過程中扭矩顯示表、推力顯示表REF_Ref2268\r\h[1]、鉆液壓力和流量表是否發(fā)生不正常變動，發(fā)現(xiàn)問題時應(yīng)立即停止鉆進(jìn)，待查明原因后采取相應(yīng)措施后施工REF_Ref3199\r\h[2]REF_Ref3212\r\h[3]REF_Ref3219\r\h[4]REF_Ref3222\r\h[5]。最終在地下形成一條直徑為100mm的導(dǎo)向孔，孔道中心線即為所需敷設(shè)管道的中心線REF_Ref3199\r\h[2]REF_Ref3212\r\h[3]。導(dǎo)向孔鉆進(jìn)示意圖3.7擴(kuò)孔及管道回拖在導(dǎo)向孔形成后，開始進(jìn)行擴(kuò)孔。擴(kuò)孔一般分為一次性擴(kuò)孔和逐級擴(kuò)孔，其中逐級擴(kuò)孔適合于管道直徑較大或地層土質(zhì)為中砂、粗砂及沙礫土?xí)r，無法一次擴(kuò)孔成型的情況，經(jīng)過多次擴(kuò)孔鉆進(jìn)，使孔道直徑逐漸擴(kuò)大至尺寸要求。本段水平定向鉆管道直徑僅為450mm且地質(zhì)條件較好，故選取一次擴(kuò)孔的方式進(jìn)行施工。擴(kuò)孔施工前，要將管道連接成所需的長度并將兩端管頭密封。然后將導(dǎo)向鉆頭卸下，安裝擴(kuò)孔鉆頭和萬向節(jié)，并將管道固定于萬向節(jié)后。啟動鉆機(jī)回拉鉆桿進(jìn)行擴(kuò)孔和管道回拖，直到管道一次性拖入已形成的孔道內(nèi)，完成管道鋪設(shè)工作。最后，為了避免地面發(fā)生沉降，應(yīng)及時對管道周圍的空隙進(jìn)行注漿加固處理。管道進(jìn)入孔道時，應(yīng)調(diào)整管道的位置，使管道平順地進(jìn)入孔道，避免管道與孔道形成夾角，進(jìn)而增大摩阻力?；赝线^程中應(yīng)保持泥漿循環(huán)，操作人員要觀察儀表參數(shù)的顯示，使管道回拖速度平穩(wěn)，避免生拉硬拽。擴(kuò)孔示意圖管道回拖示意圖4施工常遇問題及預(yù)防處理4.1導(dǎo)向方面導(dǎo)向工作是水平定向鉆管道施工中的重點，導(dǎo)向的失誤可能造成鉆進(jìn)方向偏離預(yù)定的路徑，進(jìn)而導(dǎo)致整個水平定向鉆施工的不能順利完成，所以要確保導(dǎo)向儀和傳感器的精度和可靠性，著重加強(qiáng)控制器的操作和導(dǎo)向控制，發(fā)現(xiàn)問題時要及時進(jìn)行測量和糾偏，調(diào)整鉆進(jìn)方向，確保鉆進(jìn)路徑的準(zhǔn)確性。4.2鉆頭堵塞鉆頭堵塞是水平定向鉆施工中常見的故障之一。造成鉆頭堵塞的原因很多，如鉆液性能不佳、孔徑過小、鉆進(jìn)速度過快等。為了解決鉆頭堵塞問題，可以采取以下措施：選擇合適的鉆液，根據(jù)地層土質(zhì)情況，調(diào)整鉆液的配比，確保其具有良好的潤滑性和清洗性；控制鉆進(jìn)速度，避免因鉆進(jìn)過快導(dǎo)致鉆頭堵塞。4.3孔道坍塌地質(zhì)軟弱是導(dǎo)致塌孔的主要原因之一，塌孔位置的土質(zhì)通常松軟、承載力不足。水平定向鉆在不穩(wěn)定地層中施工時，當(dāng)泥漿壓力不能平衡地層壓力時，就會發(fā)生塌孔；施工過程中，如擴(kuò)孔的速度過快，泥漿泵的壓力過大也會造成塌孔現(xiàn)象發(fā)生。在這種情況下，應(yīng)在施工前加強(qiáng)土質(zhì)勘測，鉆液的配制符合地層土質(zhì)的特點，增大鉆液的密度；選擇合適的鉆頭和鉆進(jìn)參數(shù)，避免出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。4.4地面沉降或隆起水平定向鉆施工對地面的影響較大，容易導(dǎo)致地面沉降或隆起。不僅會影響施工進(jìn)度，還可能對周邊環(huán)境造成不良影響。為防止出現(xiàn)地面沉降或隆起的現(xiàn)場，在施工前應(yīng)對地面進(jìn)行注漿加固處理，提高地面的承載能力；在鉆進(jìn)施工過程中，合理地控制鉆進(jìn)參數(shù)，減輕對地面的損傷，同時，加強(qiáng)對地面的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)并處理地面沉降或隆起問題。5結(jié)語水平定向鉆作為一種先進(jìn)的非開挖技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于管道、通信、電力等領(lǐng)域的施工。本文通過實例詳細(xì)介紹了水平定向鉆的工作原理及施工工藝流程，主要包括導(dǎo)向孔軌跡設(shè)計、鉆具選擇、導(dǎo)向孔鉆進(jìn)、擴(kuò)孔及管道回拖和施工中常遇問題及預(yù)防處理等方面內(nèi)容，旨在為以后同類工程施工提供有益參考和借鑒。參考文獻(xiàn)汪幼云.非開挖管道采用導(dǎo)向拖拉探察管位障礙物