非開挖水平定向拖拉法在公路隧道工程中的應(yīng)用

邱成虎

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，甘肅蘭州 730030）

0 引言

非開挖水平定向拖拉管法采用導(dǎo)向鉆進(jìn)、分級回擴(kuò)和管道回拖等施工技術(shù)，隨著施工精度上的改善和施工水平的提高，在油氣、市政、電力、水利和通訊行業(yè)廣泛應(yīng)用[1-2]。但截至目前，非開挖水平定向拖拉管法在公路隧道中應(yīng)用的案例鮮有。

1 非定向拖拉管法應(yīng)用

1.1 設(shè)計參數(shù)

1.1.1 排水管采用雙管嵌套，采用電熱熔焊接，外管管徑為DN350mm，管材為PE 管，壁厚28.6mm，上半斷面打孔，孔徑為12mm，孔間距為100mm，梅花形布置，管孔眼處采用棕絲進(jìn)行封堵，防止垃圾、泥漿溢流到管道內(nèi)，保證其過濾性和透水性。內(nèi)套管管徑為DN200mm，管材為HDPE 管，壁厚15mm，上半斷面打孔，孔徑為12mm，孔間距為100mm，梅花形布置，包裹雙層20kN/m 無紡布，防止DN350mm 管壁泥沙、泥水滲入DN200mm 套管內(nèi)流失，見圖1。

圖1 管材斷面圖

管節(jié)長度6～9m，每隔3m 設(shè)一處限位支架，管材拼接采用熱熔接。回拖管與仰拱底凈距為0.10m，縱坡與隧道相同，見圖2。

圖2 隧道斷面圖

1.1.2 隧道工作井尺寸為4m（縱）×1.5m（橫）×2.5m（深），工作井邊緣打設(shè)φ108×6mm 微膨脹混凝土鋼管樁支護(hù)，鋼管樁間距0.5m/根，樁長5m，采用水泵抽排降水，抽排的地下水集中排出洞外。

1.2 軌跡設(shè)計

定向鉆孔軌跡的設(shè)計主要考慮管道頂部結(jié)構(gòu)層厚度、成品管材的類型、入（出）土角和管線的曲率半徑等，見圖3。

圖3 水平定向鉆進(jìn)曲線圖

其一，造斜段曲率半徑R。

式（1）～式（2）中：E為管材彈性模量,MPa；D為管材外徑,cm；δ為管材彎曲強(qiáng)度,MPa。

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般情況下鉆桿的曲率半徑R 鉆為鉆桿外徑的1200倍[3]。

造斜段曲率半徑R=max{RPE，RHDPE，R 鉆}。

其二，造斜段水平距離L1和入（出）土角α。

式（3）～式（4）中：H0為入土高程（埋深），m，H0=結(jié)構(gòu)層厚度+0.1；R為造斜段曲率半徑，m。

其三，高程（埋深）。

式（5）中：H0為入土高程（埋深），m，H0=結(jié)構(gòu)厚+0.1；Hi為任意點(diǎn)高程（埋深），m；i為隧道縱坡；Li為任意點(diǎn)至入土點(diǎn)的水平距離，m。

1.3 施工工序

非開挖定向拖拉法的施工工序如圖4 所示。

圖4 施工工序圖

2 施工技術(shù)

2.1 施工要點(diǎn)

2.1.1 定位放線

（1）放樣鉆機(jī)安裝位置線、管道兩端的具體軸線位置及標(biāo)高，在入（出）土點(diǎn)間軸線上每隔5～10m 做好標(biāo)記。

（2）控制放樣誤差，入（出）土點(diǎn)位置左右誤差小于2cm，沿管線軸方向誤差小于4cm，鉆機(jī)布置位置必須同管道軸線方向一致，左右誤差小于3cm。

2.1.2 泥漿配制

（1）配置一級膨潤土泥漿，配置時使膨潤土有足夠的水化時間確保泥漿的性能，并通過泥漿循環(huán)池使用，妥善處理剩余泥漿。

（2）導(dǎo)向鉆進(jìn)、擴(kuò)孔及回拖時，及時向孔內(nèi)注入泥漿，監(jiān)測泥漿的壓力和流量。

2.1.3 導(dǎo)向鉆進(jìn)

（1）鉆機(jī)安裝后進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，確定各部分運(yùn)轉(zhuǎn)正常后方可鉆進(jìn)。

（2）鉆進(jìn)時，嚴(yán)格控制鉆進(jìn)給進(jìn)力和鉆進(jìn)方向，同時控制鉆進(jìn)速度確保勻速鉆進(jìn)。

（3）在施工過程中，詳細(xì)記錄鉆進(jìn)過程中的扭矩、推力、泥漿流量、泥漿壓力和方向改變量等關(guān)鍵參數(shù)。

2.1.4 分級反擴(kuò)成孔、清孔

（1）合理選擇擴(kuò)孔方式，分次擴(kuò)孔時每次回擴(kuò)的級差宜控制在100～150mm，終孔孔徑宜控制在回拖管節(jié)外徑的1.2～1.5 倍。

（2）從出土點(diǎn)向入土點(diǎn)回擴(kuò)，擴(kuò)孔器與鉆桿連接應(yīng)牢固，以防止回擴(kuò)過程中發(fā)生脫扣；擴(kuò)孔后及時進(jìn)行回拖管道施工。

（3）根據(jù)不同地層地質(zhì)情況以及現(xiàn)場出漿狀況，確定回擴(kuò)過程中回擴(kuò)速度和泥漿壓力，確保成孔質(zhì)量。

（4）擴(kuò)孔作業(yè)施工完成后，進(jìn)行清孔作業(yè)，使孔壁光滑，防止拖管期間孔洞塌方。

2.1.5 管道回拖

（1）回拖前，確保擴(kuò)孔后孔內(nèi)有充足泥漿起到護(hù)壁潤滑作用，減少管材與孔壁的摩擦阻力。檢查鉆機(jī)是否正常，噴泥漿頭是否順暢，管道連接是否牢固、安全、密封。

（2）嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)速、回拉力、泥漿壓力和流量等參數(shù)，確保成孔穩(wěn)定、線形順直，無坍孔、縮孔等現(xiàn)象，回拖保持平穩(wěn)勻速。

（3）采用高黏度泥漿，合理添加外加劑，減少回轉(zhuǎn)時的阻力，減少鉆機(jī)工作負(fù)載。

（4）配備發(fā)送裝置，避免管段與地面直接接觸，減小摩擦力。

2.1.6 質(zhì)量控制要點(diǎn)

質(zhì)量控制項(xiàng)目主要有：管材質(zhì)量、接口、泥漿、鉆進(jìn)、擴(kuò)孔和回拖等項(xiàng)目。檢查項(xiàng)目及檢查方法，如表1所示。

表1 檢查項(xiàng)目及檢查方法

2.2 問題分析

2.2.1 塌孔

產(chǎn)生原因：在導(dǎo)向鉆進(jìn)及分級擴(kuò)挖的過程中，由于地層結(jié)構(gòu)本身穩(wěn)定性較差、泥漿壓力不足、導(dǎo)向孔曲率半徑較小、擴(kuò)孔速度過快等因素導(dǎo)致塌孔現(xiàn)象。

解決措施：一是增強(qiáng)泥漿壓力，使其與地層壓力保持平衡狀態(tài)，確保泥漿壓力不小于巖土孔隙壓力；二是增大泥漿的密度，減少泥漿中水分滲入巖土層或孔壁四周的水滲入稀釋泥漿；三是合理調(diào)整開關(guān)泵的工作頻率，控制鉆進(jìn)速度，確保鉆桿保持在恒定張力下作業(yè)；四是合理控制泥漿密度與流變性能，確保泥漿呈平板流型狀態(tài)。

2.2.2 導(dǎo)向偏位

產(chǎn)生原因：在導(dǎo)向過程中遇到障礙物、信號干擾。

解決措施：一是分析確定障礙物位置，清除障礙；二是分析原因，避開干擾；三是保持鉆頭正確姿態(tài)，發(fā)生偏差及時采用小角度逐步糾偏。

2.2.3 泥漿泄露

產(chǎn)生原因：在地下水豐富地層，泥漿易隨地下水流失；在濕陷性黃土、粉土、砂土中，顆粒間孔隙較大，當(dāng)觸變泥漿黏度較低，稠度較小時，泥漿易擴(kuò)散流失；鉆進(jìn)過程中注漿壓力過大、鉆進(jìn)過快造成泥漿擴(kuò)散流失。

解決措施：一是結(jié)合施工階段合理調(diào)整泥漿黏度，合理控制注漿壓力；二是遇特殊地質(zhì)，如地下水豐富、粉（砂）土等，采用預(yù)注漿固結(jié)；三是加強(qiáng)泥漿黏度監(jiān)測。

3 公路隧道非開挖水平定向拖拉法造價分析

由于目前部頒公路工程概預(yù)算定額無非開挖管線回拖定額子目。為方便非水平定向拖拉法在公路工程中的應(yīng)用，此次對比分析結(jié)合各省發(fā)布的市政工程定額進(jìn)行研究。為消除干擾因素，取費(fèi)統(tǒng)一執(zhí)行公路工程編制辦法，人工、材料及機(jī)械單價計算規(guī)則保持一致；人、材、機(jī)消耗除考慮洞內(nèi)工程項(xiàng)目采用其他章節(jié)定額時人工、機(jī)械臺班及小型機(jī)具消耗在原定額消耗基礎(chǔ)上乘以1.26 的系數(shù)外，其余維持原定額消耗系數(shù)，詳見表2。

表2 采用部分省市政定額對比分析

表3 中各省份定額均為小型定向鉆、短距離穿越定額，穿越長度選取定額中間值200m 進(jìn)行對比分析，集中趨勢趨于1835 元/m。根據(jù)中國地質(zhì)學(xué)會非開挖技術(shù)委員會發(fā)布的《水平定向鉆進(jìn)施工定額》中設(shè)備運(yùn)輸安裝調(diào)試及拆卸、導(dǎo)向管鉆進(jìn)、短距離擴(kuò)孔鉆進(jìn)、管線回拖單價，考慮地層難度取費(fèi)系數(shù)后與此次單價分析結(jié)果基本一致。因各地非開挖水平定向拖拉法普及程度不同，實(shí)際工程中因地域不同價格存在差異，在使用時可根據(jù)項(xiàng)目特征按當(dāng)?shù)厥袌鰞r格調(diào)整。

表3 采用部分省份市政定額單價分析 單位：元

4 結(jié)語

本文采用非開挖水平定向拖拉法在隧道底部增設(shè)縱向排水溝，明確設(shè)計參數(shù)和導(dǎo)向鉆進(jìn)軌跡，制定施工工序，在此基礎(chǔ)上分析存在問題和造價，該方法為隧道疏通排水提供了一種新思路，優(yōu)勢明顯、實(shí)用性強(qiáng)，具備廣闊的推廣與應(yīng)用前景，可為類似工程提供借鑒。