淺談HDPE給水管道非開(kāi)挖水平定向鉆法穿越設(shè)計(jì)

秦 杰

（滄州水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河北 滄州 061000）

滄州地區(qū)隨著近幾年南水北調(diào)配套工程和生活用水置換項(xiàng)目的實(shí)施，鋪設(shè)了大量的中小管徑的長(zhǎng)距離給水管道。在長(zhǎng)距離給水管道建設(shè)過(guò)程中不可避免的需要穿越鐵路、公路、河流、暗涵、電纜、燃?xì)夤艿赖雀街?。?duì)于中小管徑管道穿越工程來(lái)說(shuō)，考慮工程造價(jià)和施工工期因素，一般采用非開(kāi)挖水平定向鉆方式穿越。本文結(jié)合工程實(shí)例針對(duì)實(shí)際工程廣泛采用的HDPE管非開(kāi)挖水平定向鉆穿越設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，進(jìn)一步對(duì)不同管徑的HDPE管最大穿越長(zhǎng)度進(jìn)行分析探討并給出相應(yīng)結(jié)論，供其它類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)借鑒和參考。

1 工程條件

在水平定向鉆穿越施工前，首先應(yīng)對(duì)場(chǎng)地施工條件進(jìn)行實(shí)地踏勘，目的是查看場(chǎng)地是否開(kāi)闊，施工場(chǎng)地應(yīng)具備管道焊接場(chǎng)地、管道回拖場(chǎng)地、施工機(jī)械作業(yè)區(qū)、泥漿池場(chǎng)地及施工材料堆放場(chǎng)地。在施工場(chǎng)地開(kāi)闊具備施工條件的基礎(chǔ)上，對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行工程勘察，包括地形、地貌、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、主要穿越障礙物的探勘等。確認(rèn)場(chǎng)地條件和地質(zhì)條件滿(mǎn)足水平定向鉆法施工要求后，方可進(jìn)行水平定向鉆法穿越工程設(shè)計(jì)。

2 工程設(shè)計(jì)

HDPE管水平定向鉆法穿越工程設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：擬定入、出鉆點(diǎn)和角度，擬定穿越長(zhǎng)度和軌跡，根據(jù)具體工程對(duì)地面沉降的要求確定是否采用水泥漿置換施工泥漿，然后據(jù)此確定擴(kuò)孔直徑和級(jí)數(shù)，擬定管材級(jí)別、管道埋深和曲率半徑。上述基本設(shè)計(jì)條件應(yīng)根據(jù)相應(yīng)規(guī)范、規(guī)程和以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行初步擬定，然后對(duì)管道回托力進(jìn)行估算，根據(jù)估算結(jié)果對(duì)管材性能進(jìn)行復(fù)核，同時(shí)對(duì)施工鉆機(jī)選型提供參考。本文結(jié)合工程實(shí)例闡述水平定向鉆法穿越設(shè)計(jì)。

2.1 工程概況

肅寧縣2018年度地下水超采綜合治理農(nóng)村生活用水置換項(xiàng)目主管道采用dn500HDPE管（PE100級(jí)，SDR17）非開(kāi)挖水平定向鉆穿越保滄干渠南干線，入土角為17°，出土角為17°，管頂高程－6.23m，曲率半徑為150m，穿越長(zhǎng)度174.6m，在距離入鉆點(diǎn)3m處設(shè)dn500排氣閥井1座。管道回拖完成后對(duì)管道擴(kuò)孔環(huán)空間進(jìn)行水泥漿置換并對(duì)兩端封堵，管道擴(kuò)孔直徑為700mm。交叉處（樁號(hào)SG15＋597.6）保滄干渠南干線管底高程3.8m，管道與保滄干渠南干線垂直凈距10.03m。交叉處保滄干渠南干線管材為DN2000鋼管，鋼管外徑2084mm，內(nèi)徑2044mm，交叉位置鋼管底高程3.80m，管頂覆土厚度約4.9m。

穿越處位于肅寧縣縣城北部，地勢(shì)較平坦。兩側(cè)地面高程10.8m左右，水平定向鉆穿越斜直線段和弧線段穿越第1層壤土、第2層砂壤土、第3層粉砂，水平段標(biāo)高－6.5m左右，坐落于第4層壤土上。第4層壤土為可塑狀態(tài)，中等壓縮性。

2.2 場(chǎng)地布置

出土端滿(mǎn)足管道整體回拖要求，且作業(yè)帶可作為回拖場(chǎng)地。鉆機(jī)、鉆桿及生活區(qū)布置在入土側(cè)，管道連接作業(yè)區(qū)布置在出土側(cè)。在入土、出土側(cè)均設(shè)置警示牌、泥漿池、休息區(qū)、生活垃圾區(qū)。施工布置在保滄干渠管理范圍之外。

2.3 回拖分析

回拖分析包括兩個(gè)方面的計(jì)算。一是計(jì)算管道所受拉力，為管材等級(jí)選擇提供依據(jù)；二是估算鉆機(jī)回拖力，為鉆機(jī)選型提供依據(jù)。

1）HDPE管道在回拖施工時(shí)，管材所能承受的最大回拖力計(jì)算公式：

F＝σ×π（D12－D2）／4N

式中：F—管道能承受的最大回拖力（N）；σ—管材的屈服強(qiáng)度（MPa）；D—管道內(nèi)徑（mm）；N—安全系數(shù)，取2。

2）沿著曲線或彎曲軌跡拖拉管道的回拖力，按照下式進(jìn)行計(jì)算；

TA＝efhθ（fhwfL）

式中：fh—塑料管道與孔壁的摩擦系數(shù)，取0.3；wf—單位長(zhǎng)度空管道所受凈浮力（KN／m）；θ—管道彎曲角度（rad）。

3）無(wú)水平方向彎曲的鉆孔，其軌跡由曲線段—直線段—曲線段組成。采用遞推關(guān)系式估算需要的回拖力。

圖1 鉆孔軌跡簡(jiǎn)化示意圖

式中：TA—A點(diǎn)處管道所受回拖力（KN）；TB—B點(diǎn)處管道所受回拖力（KN）；TC—C點(diǎn)處管道所受回拖力（KN）；TD—D點(diǎn)處管道所受回拖力（KN）；L1—由于管道焊接和熱收縮而額外增加的管段長(zhǎng)度（m）；L2—管道入土端曲線段所對(duì)應(yīng)的水平長(zhǎng)度（m）；L3—管道最大埋深處水平延伸距離（m）；L4—管道出土端曲線段所對(duì)應(yīng)的水平長(zhǎng)度（m）；H—管道埋深（m）；fg—塑料管道與地面之間的摩擦系數(shù)，取0.5；ωp—單位長(zhǎng)度管道重力（kN／m），ωp＝π（D12－D2）γp／4；ωf—單位長(zhǎng)度管道所受的凈浮力（kN／m），ωf＝πD12γm／4γm－ωp；α—入土角（rad）；β—出土角（rad）；γp—管道材料的重度（聚乙烯管的比重一般取9.55kN／m3）；γm—鉆孔泥漿的重度 （kN／m3）。

主管線穿越保滄干渠南干線管道軌跡屬于水平、垂直2個(gè)方向彎曲，管道回拖力采用公式（2）、（3）疊加計(jì)算，管道回拖時(shí)考慮管道穿越長(zhǎng)度較短，未對(duì)管道進(jìn)行配重，經(jīng)計(jì)算，管材所受最大回拖力246.3KN，小于管材所能承受的最大回拖力478.3KN，管材選擇滿(mǎn)足要求。施工所用水平定向鉆機(jī)的額定回拖力按設(shè)計(jì)回拖力計(jì)算值的1.5倍選取，即工程鉆機(jī)額定回拖力不宜小于370KN。

2.4 水泥漿置換和試壓

定向鉆施工管道回拖完成后，對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行水泥注漿置換。管道回拖過(guò)程中附帶牽引一根直徑50mm的軟管，軟管上預(yù)先布若干小孔，管道牽引后往軟管內(nèi)壓水泥漿，置換定向鉆鉆液泥漿。全線采用無(wú)腐蝕性潔凈水進(jìn)行強(qiáng)度試壓和嚴(yán)密性試壓。試壓宜在環(huán)境溫度5℃以上進(jìn)行，否則應(yīng)采取防凍措施。

3 影響HDPE管最大穿越長(zhǎng)度的因素分析和探討

為了對(duì)影響HDPE管最大穿越長(zhǎng)度的因素進(jìn)行分析，需對(duì)可變量逐一計(jì)算分析，同時(shí)其余可變量應(yīng)統(tǒng)一取值。HDPE管管材重度9.55KN／m3、鉆孔泥漿重度取12KN／m3、管道與孔壁摩擦系數(shù)取0.3、水平方向彎曲角度取0°管道與地面摩擦系數(shù)取0.5、管材屈服強(qiáng)度取22Mpa、安全系數(shù)N取2.0、管道彈性模量取900Mpa、入（出）土端曲線段距離取50m。可變量的統(tǒng)一取值為：管徑DN400、標(biāo)準(zhǔn)尺寸比SDR取17、入（出）土角度取17°、管內(nèi)有配重、管道埋深5m。

將管徑、標(biāo)準(zhǔn)尺寸比、入（出）土角度、回拖時(shí)管內(nèi)有無(wú)配重、管道埋深等影響HDPE管最大穿越長(zhǎng)度的因素逐一進(jìn)行分析計(jì)算，分析結(jié)論如下：

1）管徑因素：僅管徑不同，其余可變量均作為定量 （統(tǒng)一取值），計(jì)算結(jié)果表明，不同管徑的HDPE管最大穿越長(zhǎng)度相同，說(shuō)明管徑的變化對(duì)最大穿越長(zhǎng)度值無(wú)影響。

2）標(biāo)準(zhǔn)尺寸比因素：僅標(biāo)準(zhǔn)尺寸比不同，其余可變量均作為定量（統(tǒng)一取值），計(jì)算結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)尺寸比（SDR）對(duì)HDPE管最大穿越長(zhǎng)度影響微小，最大穿越長(zhǎng)度會(huì)隨著標(biāo)準(zhǔn)尺寸比的減小而增大，最高的SDR9比最低的SDR41的最大穿越長(zhǎng)度增加165m。

3）入（出）土角度因素：其余可變量均作為定量（統(tǒng)一取值），計(jì)算結(jié)果表明，入 （出）土角對(duì)HDPE管最大穿越長(zhǎng)度影響較大，最大穿越長(zhǎng)度隨著入（出）土角的減小而增大，根據(jù)規(guī)范，入土角范圍為8～30°，出土角范圍為4～20°，最小的入（出）土角比最大入（出）土角的最大穿越長(zhǎng)度增加440m。 4）管內(nèi)配重因素：其余可變量均作為定量（統(tǒng)一取值），計(jì)算結(jié)果表明，管道回拖時(shí)，管內(nèi)有無(wú)配重對(duì)HDPE管最大穿越長(zhǎng)度影響最大，管內(nèi)采用水配重時(shí)最大穿越長(zhǎng)度為1830m，管內(nèi)無(wú)配重時(shí)最大穿越長(zhǎng)度為745m。

5）管道埋深因素：其余可變量均作為定量（統(tǒng)一取值），計(jì)算結(jié)果表明，管道埋深對(duì)HDPE管最大穿越長(zhǎng)度影響微小，最大穿越長(zhǎng)度會(huì)隨著管道埋深的減小而增大，一般管道埋深都在3～20m范圍內(nèi)取值，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，管道埋深對(duì)穿越長(zhǎng)度的影響可忽略不計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

在HDPE管水平定向鉆穿越設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)從施工條件、地形地貌、地層條件等方面宏觀的判斷穿越工程的可實(shí)施性，然后再?gòu)募夹g(shù)層面對(duì)穿越長(zhǎng)度、入（出）鉆位置及角度、回托力計(jì)算等進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì)。經(jīng)對(duì)影響HDPE管最大穿越長(zhǎng)度的因素的分析：管徑大小對(duì)最大穿越長(zhǎng)度無(wú)影響，標(biāo)準(zhǔn)尺寸比和管道埋深對(duì)最大穿越長(zhǎng)度影響微小，入（出）土角度對(duì)最大穿越長(zhǎng)度影響較大，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)謹(jǐn)慎選擇合理的角度，管道內(nèi)有無(wú)配重對(duì)最大穿越長(zhǎng)度影響最大，HDPE管回拖時(shí)應(yīng)對(duì)管道內(nèi)部進(jìn)行配重，一般給水管道可采用凈水配重。