非開挖水平定向鉆在給水管道工程中的應(yīng)用

王剛

（山西太水市政工程有限公司，山西 太原 030027）

0 引言

社會(huì)的發(fā)展使得城市的建設(shè)水平正在不斷地進(jìn)步，在此過程中為提升人們的生活質(zhì)量開展市政基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)與改造具有重要意義。完善城市生產(chǎn)生活的社會(huì)配套設(shè)施給水管道工程是市政基礎(chǔ)設(shè)施重要組成部分，其質(zhì)量直接關(guān)系到人們生活水平和質(zhì)量。為保障供水安全和質(zhì)量，城市給水管道的建設(shè)及更新改造勢(shì)在必行，但開槽施工不僅會(huì)造成城市污染，還影響人們?nèi)粘３鲂幸约吧?。為此，在市政管道建設(shè)過程中非開挖技術(shù)正在得到廣泛運(yùn)用，而水平定向鉆施工技術(shù)從施工方式上可以有效地提升市政施工的效能。

1 工程概況

山西省特色食品產(chǎn)業(yè)園集聚區(qū)是山西省首批12個(gè)試點(diǎn)特色產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)之一，為保障園區(qū)供水需要，山西太水市政工程有限公司進(jìn)行了市政給水管線引入工程的施工。

該工程全長(zhǎng)7km，西起濱河西路，沿241 縣道鋪設(shè)至食品產(chǎn)業(yè)園區(qū)。汾河穿越段是工程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，集聚區(qū)地處汾河?xùn)|岸，主供水管線位于汾河西岸，汾河橫亙?cè)谥虚g，由于汾河管理相關(guān)規(guī)定、自然環(huán)境等因素，確定給水管線穿越汾河需采用水平定向鉆穿越施工。汾河段施工安裝長(zhǎng)度為828m，管材為φ820×14mm 螺旋焊縫鋼管，采用3PE 加強(qiáng)級(jí)防腐，沿線穿越濱河西路、魚塘、汾河等設(shè)施（圖1）；設(shè)計(jì)曲線段曲率半徑為1230m，入土角為10°，出土角為6°，穿越深度在汾河河床以下15m。

圖1 穿越位置

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地勘資料，該管道沿線工程地基土主要由人工填土（Q4ml）、粉土（Q4al+pl）、粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）、粉砂（Q4al+pl）沖洪積層構(gòu)成。河床下0~4.5m 為粉砂，4.5~6.5m 為粉土，6.5~12.6m 為粉砂，12.6~20m 為粉土、粉質(zhì)黏土。

鉆探所揭露的地下水類型為孔隙潛水，實(shí)測(cè)地下水位埋深1.4~3.8m，地下水補(bǔ)給主要靠大氣降水入滲及汾河側(cè)向徑流補(bǔ)給。

管道沿線地基土存在液化，液化等級(jí)輕微。

3 工程難點(diǎn)及技術(shù)措施

3.1 施工氣候條件惡劣

施工期為2021 年1 月9—20 日，正是三九、四九天，太原市最低溫度達(dá)到－24℃，給施工帶來極大不便。

技術(shù)措施：施工時(shí)采取24h 不停機(jī)施工，水管、泥漿管做保溫措施。管道焊接在流動(dòng)保溫棚內(nèi)進(jìn)行，棚內(nèi)設(shè)有電暖氣。管材焊接時(shí)焊口預(yù)熱，對(duì)焊條進(jìn)行烘干，使用時(shí)取出放在保溫筒內(nèi)，隨用隨取，在負(fù)溫下外露超過2h，重新烘干。

3.2 雙曲線鉆導(dǎo)向孔

為后期橋梁改擴(kuò)建讓出安全距離，橋區(qū)段需畫弧至現(xiàn)狀橋北側(cè)30m 外，導(dǎo)致穿越汾河水平定向鉆穿越施工段給水管線，不僅縱向?yàn)榍€，同時(shí)平面也需要規(guī)劃成曲線偏離設(shè)計(jì)軸線，形成雙曲線。

技術(shù)措施：管道在粉砂層內(nèi)回拖，成孔效果差，材料消耗大（膨潤(rùn)土、添加劑等），施工風(fēng)險(xiǎn)較高；管道在粉土層內(nèi)回拖，成孔效果好，泥漿消耗量小，安全系數(shù)高。根據(jù)《油氣輸送管道工程水平定向鉆設(shè)計(jì)規(guī)范》（SYT 6968—2013），定向鉆穿越管頂埋深應(yīng)大于設(shè)計(jì)沖刷線以下6m。本工程100 年一遇的河槽最大沖刷深度為1.8m。水平段在4.5~6.5m 粉土層中回拖，管道埋深淺，不滿足規(guī)范要求。

經(jīng)初設(shè)、驗(yàn)算、再設(shè)計(jì)、核算等反復(fù)論證，結(jié)合地勘資料，最終確定定向鉆穿越水平段管線管頂埋深為15m，自粉土層中穿越，縱向曲率半徑為1500D，穿越深度15m；平面需向北偏離軸線19m 畫?。蝗脬@側(cè)造斜段203m、水平段400m、出鉆側(cè)造斜段225m。鉆導(dǎo)向孔過程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)劃的路由采用GPS 放樣，間隔30m 布點(diǎn)，導(dǎo)向運(yùn)用獵鷹F5 無線導(dǎo)向儀示蹤，密切關(guān)注鉆頭行蹤，隨時(shí)調(diào)整糾偏，導(dǎo)向孔按設(shè)計(jì)規(guī)劃的路由行進(jìn)；嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)規(guī)劃、嚴(yán)格的規(guī)范操作、認(rèn)真的工作態(tài)度保證了雙曲線鉆導(dǎo)向孔的實(shí)現(xiàn)。穿越汾河施工現(xiàn)場(chǎng)如圖2 所示。

圖2 穿越汾河現(xiàn)場(chǎng)施工

3.3 泥漿漏失、滲出

地勘資料顯示穿越段地下水位高，地層較松軟，擴(kuò)孔作業(yè)膨潤(rùn)土泥漿有滲出的可能，對(duì)濱河西路城市快速路、汾河流域、魚塘造成污染。

技術(shù)措施：擴(kuò)孔時(shí)，對(duì)泥漿配比反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，確定泥漿濃度、黏度，增加泥漿的護(hù)壁、懸浮、排泄能力，使鉆孔中形成完整通道。泥漿主要由水、膨潤(rùn)土、羧甲基纖維素（CMC）、火堿組成。根據(jù)管道穿越地層情況，確定穿越粘土層泥漿粘度為45~50S，粉砂層泥漿粘度為50~55S，利用馬氏漏斗計(jì)每2h 測(cè)量一次泥漿粘度，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)觀察泥漿返漿情況，及時(shí)調(diào)整配比[1]。

3.4 管道預(yù)制“三接一”

由于布管場(chǎng)地的長(zhǎng)度僅有360m，路邊有多棟民房，管線擺放需呈弧形，管道預(yù)制采用“三接一”方式，如圖3 所示。

圖3 管道預(yù)制“三接一”布置

技術(shù)措施：穿越管道分成360m、288m 和180m 三段，按照設(shè)計(jì)要求分別進(jìn)行組焊、無損檢測(cè)、防腐。鉆機(jī)完成導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)和逐級(jí)預(yù)擴(kuò)孔達(dá)到回拖條件后，先回拖第一段管道到連接處（即回拖完成288m，留在地面的長(zhǎng)度約72m），然后鉆機(jī)停止回拖，進(jìn)行第一二段管道的焊接工作，如圖4 所示。管口組對(duì)完成后，選派技術(shù)熟練的電焊工進(jìn)行連頭口的焊接，確保焊接一次合格。同時(shí)將組焊時(shí)間控制在4h 之內(nèi)。第二段回拖到位后用同樣的方法連接第三段管道[2]。

圖4 水平定鉆機(jī)鉆進(jìn)施工

管線弧形布設(shè)后，在拖管及對(duì)接時(shí)撓度變化不均勻管道易發(fā)生彈性形變，現(xiàn)場(chǎng)采用10 臺(tái)吊車吊運(yùn)鋼管，間隔30m 均勻分布，并配備3 臺(tái)挖掘機(jī)在弧度最大處糾偏、固定，防止意外發(fā)生。在回拖的同時(shí)，所有吊車統(tǒng)一轉(zhuǎn)向，減少過程中產(chǎn)生的其他作用力，每臺(tái)吊車配備專門的安全員，統(tǒng)一回拖9.5m 轉(zhuǎn)向再進(jìn)行第二次吊運(yùn)。

3.5 “三接一”導(dǎo)致抱鉆、抱管等現(xiàn)象

回拖過程中需停頓兩次焊接管道，停頓時(shí)間過長(zhǎng)存在管道抱死的風(fēng)險(xiǎn)。停頓時(shí)間較長(zhǎng)，每次啟動(dòng)鉆機(jī)時(shí)，可能會(huì)造成孔壁巖土受力不均而產(chǎn)生塌孔，管道抱死無法拖動(dòng)[3]。

技術(shù)措施：由于管道回拖要盡可能連續(xù)進(jìn)行，因此盡量縮短“三接一”的時(shí)間，在焊接完成待焊口自然冷卻后，先進(jìn)行超聲波探傷，若發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)處理，然后進(jìn)行焊口的X 射線探傷。項(xiàng)目部調(diào)集專業(yè)技能熟練，經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員，在管道連接過程中可以快速對(duì)口，焊接質(zhì)量合格。同時(shí)劃分作業(yè)面，每名焊工負(fù)責(zé)相應(yīng)的區(qū)域，同時(shí)作業(yè)，減少鉆機(jī)停頓時(shí)間，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，如圖5 所示。

圖5 管道組對(duì)焊接

為保障回拖順利進(jìn)行，回拖過程中出現(xiàn)拉力增大等現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)配備2500t 夯管錘配合回拖作業(yè)[4]。

4 項(xiàng)目總結(jié)及意義

4.1 施工總結(jié)

本工程穿越長(zhǎng)度為828m，穿越管徑為DN800。單就水平定向鉆施工而言，穿越距離較短，管徑較??；單從穿越距離及管徑來講，施工難度并不大；但結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)地條件、地質(zhì)條件、氣候條件等，本工程又是具有一定難度的。

本工程在完成前期場(chǎng)地清理工作后，于2021 年1月10 日開始導(dǎo)向孔作業(yè)，2021 年 1 月 20 日完成擴(kuò)孔、清孔工作，完成管道分段預(yù)制工作，當(dāng)天下午5 點(diǎn)開始管道回拖工作，歷時(shí) 13h，于 2021 年 1 月21 日凌晨6 點(diǎn)鐘完成所有管道回拖工作。穿越汾河段定向鉆施工作業(yè)原定計(jì)劃15d 完成，經(jīng)過施工人員團(tuán)結(jié)協(xié)作，整個(gè)工程歷時(shí)11d 提前完成。

4.2 項(xiàng)目意義

山西省特色食品產(chǎn)業(yè)園集聚區(qū)引入管線工程是自來水供應(yīng)保障項(xiàng)目，該工程向山西省特色食品產(chǎn)業(yè)園集聚區(qū)各食品廠區(qū)輸送自來水，對(duì)整個(gè)區(qū)域的自來水供應(yīng)起著至關(guān)重要的保證作用。

（1）作為山西省特色食品產(chǎn)業(yè)園集聚區(qū)引入管線工程的起始段，汾河穿越工程是整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)工程，如果汾河穿越不能正常實(shí)施，則整個(gè)項(xiàng)目就無法通水運(yùn)行[5]。

（2）選用水平定向鉆作為汾河穿越工程的施工工藝，這相對(duì)頂管穿越或者大開挖鋪設(shè)管道的方法，大大降低了整體工程的造價(jià)、縮短了工期。

（3）汾河是黃河第二大支流，在山西省的政治、歷史、文化、經(jīng)濟(jì)地位舉足重輕。汾河是山西最大的河流，被山西人稱為母親河，對(duì)山西省的歷史文化有深遠(yuǎn)的影響，流域范圍內(nèi)自然資源豐富，自然保護(hù)區(qū)較多，其環(huán)保意義較大。因此汾河本身便具有很高的社會(huì)價(jià)值和環(huán)保價(jià)值。而選用水平定向鉆工藝進(jìn)行汾河的穿越，對(duì)汾河的保護(hù)顯得意義非凡。

5 結(jié)語

總而言之，在給水管道的建設(shè)過程中運(yùn)用非開挖技術(shù)能有效地解決城市因大型土木工程造成的道路堵塞以及環(huán)境等問題，同時(shí)非開挖水平定向鉆技術(shù)還可以大大縮短施工工期。在運(yùn)用水平定向鉆的過程中一定要對(duì)施工的難點(diǎn)問題給予高度關(guān)注，并且對(duì)于工程建設(shè)地質(zhì)復(fù)雜性進(jìn)行全面觀測(cè)，有效解決問題，進(jìn)而提升整體施工對(duì)社會(huì)發(fā)展的推動(dòng)效果。