水平定向鉆鋪管技術(shù)在污水管鋪設(shè)工程中的應(yīng)用——以福州陽(yáng)岐河工程為例

福州市政工程管理處 黃丙權(quán)

1 工程概況

應(yīng)用水平定向鉆鋪設(shè)地下管線（下稱：定向鉆鋪管）是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種鋪設(shè)地下管線的新技術(shù)、新工藝。該技術(shù)工藝徹底改變了傳統(tǒng)應(yīng)用人工開(kāi)挖溝槽鋪設(shè)地下管線的單一鋪管施工作業(yè)方法，是地下管線鋪設(shè)施工的一場(chǎng)技術(shù)革命。定向鉆鋪管施工主要工序：①穿越路由放線定測(cè)、②導(dǎo)向孔軌跡及鉆具出入土角確定、③工作坑開(kāi)挖、④泥漿配制、⑤導(dǎo)向孔施工、⑥導(dǎo)向孔擴(kuò)大和洗孔、⑦管道回拉就位。定向鉆鋪設(shè)陽(yáng)岐河污水管道工程屬福州市重點(diǎn)工程項(xiàng)目。陽(yáng)岐河位于福州市南面郊區(qū)蓋山鎮(zhèn)陽(yáng)岐村。鋪設(shè)管道為管徑500mm，管材壁厚29.7mm,設(shè)計(jì)壓力0.1MPa，定向鋪管長(zhǎng)度260m，管道埋深要求在河床深度4.0m以下。2009年10月23日設(shè)備進(jìn)場(chǎng)開(kāi)始施工，10月28日完成管道回拖就位任務(wù)。施工歷時(shí)6天。

1.1 穿越工程地貌及地質(zhì)

地貌狀態(tài)屬福州斷陷盆地西南角沖擊平原。陽(yáng)岐河呈東西流向，“U”字型河谷上建有陽(yáng)岐橋，河水呈季節(jié)性變化，平均水位在-2.8m左右，陽(yáng)岐河面寬30m，河床底標(biāo)高-4.3m，河的南北兩側(cè)地形受人工改造弱顯起伏。參見(jiàn)圖1、圖2所示。

本工程沒(méi)有鉆探取芯資料。從周邊群眾宅基打樁及穿越工程開(kāi)挖工作坑揭露的地層在地表下10m范圍內(nèi)為第四系淺海沉積的粘土夾少量細(xì)砂質(zhì)透鏡體組成，地層單一，且穩(wěn)定，很適合定向鉆鋪管施工。地表為耕植土。

粘土：灰黑色，質(zhì)純，濕，切面光滑，可塑，含少量有機(jī)質(zhì)，且有滑膩感。

細(xì)砂透鏡體：灰白色，含較多的細(xì)小白云母碎片，濕，較松散，遇水液化。

1.2 工程特點(diǎn)

（1）工程地質(zhì)條件好，有利于穿越鋪管工程施工。粘土層中雖夾有少量細(xì)砂質(zhì)透鏡體，但粘土的粘結(jié)力很強(qiáng)，可塑性好，不易塌孔，成孔性能好。

（2）穿越工程需占用當(dāng)?shù)厝罕姷牡缆泛蛿M建房屋用地，現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)工作十分困難。

（3）施工地點(diǎn)屬較偏僻的郊區(qū)村落，周邊民宅緊密，道路運(yùn)輸和放置鉆機(jī)設(shè)備的場(chǎng)地都受到限制，鋪管工程只能采用小型定向鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)施工（鉆機(jī)給進(jìn)與回拉能力在50t以內(nèi)，稱小型鉆機(jī)）。

（4）鋪管施工單位為福建東辰市政工程有限公司，該公司是福建省最早從事定向鋪管的施工企業(yè)。施工設(shè)備、人員素質(zhì)和施工經(jīng)驗(yàn)在省內(nèi)都是一流的。但使用小型鋪管鉆機(jī)鋪設(shè)長(zhǎng)度260m，管徑500mm的PE管道還是第一次。因此，每一工序都必須準(zhǔn)備充分、精心施工。建設(shè)和監(jiān)理單位都十分關(guān)注。

2 定向鋪管鉆機(jī)選擇

計(jì)算時(shí)，有關(guān)技術(shù)參數(shù)取保守值。先計(jì)算管道回拉就位時(shí)鋪管鉆機(jī)應(yīng)具備的力量，然后選擇定向鉆機(jī)的類型（噸位）進(jìn)場(chǎng)施工。

其中：F——計(jì)算回拉力（t）；

L——鋪管長(zhǎng)度，為260m；

f——摩擦系數(shù)，為0.3；

D——管道直徑，為0.500m；

γ——泥漿密度，為1.2；

δ——管道壁厚，為0.297m；

k——粘滯系數(shù)，為0.03。

計(jì)算結(jié)果F=16.17t。根據(jù)有關(guān)規(guī)程規(guī)定要求，鉆機(jī)的實(shí)際回拉力應(yīng)按計(jì)算結(jié)果的2倍選擇，即F實(shí)際=2F計(jì)算=32.34t，因此選擇ZT-35型鉆機(jī)（回拉力35噸）進(jìn)場(chǎng)施工。

3 定向鉆鋪管施工

3.1 鋪管路由放線定測(cè)

10月23日放線定測(cè)，路由從南向北進(jìn)行，與陽(yáng)岐河走向垂直。路由地表受人工改造后弱顯起伏，為保證導(dǎo)向孔的施工精度要求，采用測(cè)量?jī)x器定測(cè)鉆具出入土點(diǎn)、地表起伏變化點(diǎn)、河床深度、河床寬度等高程數(shù)據(jù)，并使它們保持在一條直線上。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，繪制鋪管施工斷面示意圖的地表形態(tài)，為導(dǎo)向孔軌跡設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.2 導(dǎo)向孔軌跡及鉆具出入土角確定

導(dǎo)向孔軌跡的確定是工程的重要環(huán)節(jié)。對(duì)鋪設(shè)較大管徑的 PE管道工程，導(dǎo)向孔軌跡形態(tài)直接關(guān)系到整個(gè)工程的成功與失敗。根據(jù)有關(guān)規(guī)程規(guī)定要求，導(dǎo)向孔的彎曲半徑必須大于1500D（D是指PE管直徑），且將軌跡形狀選擇為兩側(cè)基本對(duì)稱的圓滑曲線，不能有波浪起伏形狀出現(xiàn)。根據(jù)有關(guān)技術(shù)參數(shù)，導(dǎo)向孔的彎曲半徑可以通過(guò)計(jì)算獲得。

其中：R——導(dǎo)向孔彎曲孔徑，m；

L——鋪管長(zhǎng)度，為260m；

h——相對(duì)于地面的管道最深覆土深度，為9.3m；

h1——出入土工作坑中的管道覆土深度，為3m。

計(jì)算結(jié)果：R=1344m。

計(jì)算結(jié)果和有關(guān)規(guī)程規(guī)定要求的彎曲半徑1500D相比較

所確定的實(shí)際軌跡彎曲半徑是有關(guān)規(guī)程規(guī)定要求的1.79倍，可以滿足定向鉆鋪管工程施工要求。

鋪管軌跡確定為一條兩側(cè)基本對(duì)稱的圓滑曲線，鉆具出入土角的度數(shù)應(yīng)相近，并通過(guò)計(jì)算獲得。

根據(jù)鋪管路由的地表起伏情況、工作坑位置、河流位置、河床深度、鋪管長(zhǎng)度等，并結(jié)合導(dǎo)向孔彎曲半徑和鉆具出入土角等數(shù)值繪制鋪管工程斷面示意圖（見(jiàn)圖 1）和鋪管工程平面示意圖（見(jiàn)圖2），指導(dǎo)施工。

圖1 定向鉆鋪管工程斷面示意圖

圖2 定向鉆鋪管工程平面示意圖

3.3 工作坑開(kāi)挖

在鉆具入土和出土位置分別開(kāi)挖工作坑，方能滿足施工要求。根據(jù)鋪管深度和定向鉆機(jī)前緣平板到入土點(diǎn)之間的水平距離及對(duì)鉆具入土角的控制等要求，確定鉆具入土工作坑的開(kāi)挖深度應(yīng)達(dá)3.5m?？紤]到ф500mmPE管的剛性強(qiáng)度較大，鉆具出土工作坑的坑底開(kāi)挖形狀應(yīng)向外緩慢放坡，使拉管就位時(shí)管道在鉆機(jī)牽引力作用下能夠順利進(jìn)入鉆孔內(nèi)。

此外，要使鉆具入土角保持在6o左右，現(xiàn)場(chǎng)鉆機(jī)擺放位置和鉆具入土工作坑之間所需要的距離，場(chǎng)地條件不能滿足。因此，采用挖坑降低鉆機(jī)機(jī)坪地面高度0.6m來(lái)滿足要求。

3.4 泥漿配制

近年來(lái)，定向鉆鋪管施工技術(shù)取得了很大的發(fā)展和突破，鋪管長(zhǎng)度和管徑在不斷創(chuàng)造新的記錄，泥漿功能起了非常重要的作用。本工程使用泥漿的固相物質(zhì)為山東濰坊產(chǎn)的專用定向鉆鋪管泥漿復(fù)合膨潤(rùn)土，具有強(qiáng)懸浮、弱凝膠、弱抑制、嚴(yán)封堵等性能。采用淡水配漿，pH值控制在8.5，呈弱堿性。利用地質(zhì)條件好（粘土層）的優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)向孔施工和擴(kuò)大孔徑施工過(guò)程配制泥漿粘度在35s左右，洗孔和管道回拉就位過(guò)程泥漿粘度調(diào)整到50s左右，并加入少量美國(guó)產(chǎn)的“鉆液寶”，進(jìn)一步增強(qiáng)泥漿的潤(rùn)滑性能。

3.5 導(dǎo)向孔施工

10月25日開(kāi)始導(dǎo)向孔施工。為保證實(shí)際鋪管軌跡和設(shè)計(jì)軌跡盡量做到吻合，公司派出經(jīng)驗(yàn)豐富的導(dǎo)向人員，采用美國(guó)月蝕手提步履式導(dǎo)向儀確保精度。導(dǎo)向鉆頭內(nèi)信號(hào)發(fā)射器電源采用美國(guó)產(chǎn)的“勁量”電池，它具有高強(qiáng)度、持久性電量表現(xiàn)。采用鏟式導(dǎo)向鉆頭，根據(jù)鋪管路由地形變化情況，采用“深度”和“角度”相結(jié)合的測(cè)控方法，每鉆進(jìn)一根鉆桿長(zhǎng)度（3m）至少測(cè)控一次導(dǎo)向鉆頭的頂角、方位角、深度及平面偏差數(shù)值，發(fā)現(xiàn)偏離設(shè)計(jì)軌跡及時(shí)糾正，使實(shí)際軌跡做到“直、滑、圓、緩、準(zhǔn)”。

3.6 導(dǎo)向孔擴(kuò)大和洗孔

導(dǎo)向鉆頭的直徑僅有 78mm，而需要鋪設(shè)的 PE管經(jīng)為500mm，因此，必須將導(dǎo)向孔進(jìn)行孔徑擴(kuò)大。按有關(guān)規(guī)程規(guī)定要求，鉆孔的孔徑需要擴(kuò)大到800mm，方能滿足定向鉆鋪管要求。由于地層為粘結(jié)力較強(qiáng)的粘土，采用流道式擴(kuò)孔鉆頭，可以提高擴(kuò)孔鉆進(jìn)速度。分五級(jí)擴(kuò)孔，分別按孔徑78mm—200mm—400mm—600mm—700mm—800mm逐級(jí)擴(kuò)孔。

擴(kuò)孔過(guò)程應(yīng)注意的幾個(gè)事項(xiàng)：（1）配制泥漿施工。泥漿粘度不宜過(guò)大，在粘土層中擴(kuò)孔泥漿粘度過(guò)大，會(huì)造成泥漿的液壓柱壓力增大，同時(shí)還會(huì)使擴(kuò)孔鉆頭造成糊鉆卡鉆現(xiàn)象，泥漿粘度控制在35s左右能起到潤(rùn)滑孔壁、提高鉆速。（2）不應(yīng)盲目追求擴(kuò)孔速度，ZT-35型鉆機(jī)在 260m長(zhǎng)的粘土層中逐級(jí)擴(kuò)孔，擴(kuò)孔施工過(guò)程還是比較輕松的，但擴(kuò)孔速度應(yīng)控制在每根鉆桿長(zhǎng)度（3m）的擴(kuò)孔時(shí)間5min左右為宜。因?yàn)樵谡惩翆又袛U(kuò)孔排出的鉆屑總是不徹底，一大部分鉆屑?xì)埩粼诳變?nèi)，必須保證孔內(nèi)良好的泥漿環(huán)境，防止產(chǎn)生液壓鎖現(xiàn)象，導(dǎo)致卡鉆。同時(shí)鉆具在粘土層中擴(kuò)孔，鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)拉力不大，鉆機(jī)回轉(zhuǎn)扭力則大于地層扭力，為保證鉆桿在彎、扭等多種受力荷載情況下不被折（扭）斷，也要求擴(kuò)孔速度不能太快。（3）工程使用的泥漿不做重復(fù)處理利用，考慮到環(huán)境保護(hù)和施工成本，在滿足正常擴(kuò)孔條件下，采用低檔泵壓施工，節(jié)省泥漿泵入量。（4）當(dāng)800mm鉆頭擴(kuò)孔結(jié)束時(shí)，緊接著就進(jìn)入洗孔和拉管就位工序。此時(shí)，必須適當(dāng)提高泥漿粘度，將泥漿粘度調(diào)整到50s左右，并加入少量美國(guó)產(chǎn)的“鉆液寶”，提高泥漿性能，有利于管道回拉就位。

10月27日開(kāi)始進(jìn)入洗孔工序。當(dāng)800mm鉆頭擴(kuò)孔結(jié)束后，再用800mm擴(kuò)孔鉆頭從孔內(nèi)再“過(guò)”一趟稱為洗孔。鉆機(jī)操作采用慢拉快轉(zhuǎn)的方式，其目的：（1）進(jìn)一步修正鉆孔軌跡。（2）能從孔內(nèi)帶出部分鉆屑，清潔暢通鉆孔，減少管道回拉就位時(shí)的鉆機(jī)拉力和扭力。（3）對(duì)孔壁的保護(hù)也能起到作用。洗孔過(guò)程不斷從孔內(nèi)返出的泥漿比配制的沖洗液泥漿粘度大得非常多，說(shuō)明孔內(nèi)暢通，洗孔效果達(dá)到預(yù)期的目的。

3.7 管道回拉就位

管道回拉就位是定向鋪管的最后一道工序。用專業(yè)的語(yǔ)句來(lái)形容，那就是“只許成功，不許失敗”。工程管材價(jià)值超過(guò)20萬(wàn)元，一旦被卡在孔內(nèi)損失慘重。管道回拉過(guò)程必須注意以下幾個(gè)方面問(wèn)題：（1）鉆機(jī)錨固：鉆機(jī)放置在松散的雜填土上，僅靠鉆機(jī)前板的四個(gè)錨桿，根本不能保證管道回拉時(shí)鉆機(jī)不被位移，必須采用鋼絲繩索和牢固木樁等材料將鉆機(jī)進(jìn)行錨固。（2）拉管過(guò)程必須確保PE管外層不能受到損傷。管道未拉入孔內(nèi)部分采用每間隔 8～10m 用土袋鋪墊在PE管下面架空管道，并在PE管和土袋之間澆上泥漿，使接觸面保持充分潤(rùn)滑狀態(tài)。（3）各種機(jī)具設(shè)備在拉管前應(yīng)進(jìn)行一次全面的檢查維護(hù)，使機(jī)具設(shè)備處于最佳的工作狀態(tài)。特別是對(duì)鉆桿絲扣和鉆桿的完好性及分動(dòng)器靈活性等進(jìn)行檢查。（4）管道焊接過(guò)程受到現(xiàn)場(chǎng)排管場(chǎng)地限制，260m長(zhǎng)的PE管無(wú)法一次性焊接完成，必須分兩段進(jìn)行,兩管段的焊接工作時(shí)間應(yīng)控制在1小時(shí)以內(nèi)。（5）拉管過(guò)程采用600mm擴(kuò)孔鉆頭做為“帶動(dòng)鉆頭”，拉管過(guò)程泥漿通過(guò)“帶動(dòng)鉆頭”的小眼泵入孔內(nèi)。拉管就位前和拉管就位過(guò)程的各項(xiàng)技術(shù)工藝措施合理到位，拉管就位過(guò)程用了9個(gè)小時(shí)10分鐘。其中，應(yīng)扣除兩管段的焊接時(shí)間 1小時(shí)。鉆機(jī)回拉力始終保持在17～23t之間，于2009年10月28日22時(shí)18分順利完成管道回拉就位施工任務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

定向鉆鋪設(shè) PE污水管道陽(yáng)岐河工程取得圓滿成功，創(chuàng)造了定向鋪管鉆機(jī)在省內(nèi)鋪設(shè)管徑 500mmPE管長(zhǎng)度最長(zhǎng)的記錄，使我們又獲得一次成功經(jīng)驗(yàn)的積累，對(duì)進(jìn)一步在福州市及其周邊地區(qū)推廣使用定向鉆鋪管技術(shù)做出了貢獻(xiàn)。

工程順利結(jié)束是施工單位廣大員工，分工明確、責(zé)任清晰、從嚴(yán)要求、有序管理、理論和實(shí)踐相結(jié)合的結(jié)果。每一工序都按照有關(guān)規(guī)程規(guī)定的要求施工，把困難考慮充分一些，將可能出現(xiàn)的事故消除在萌芽狀態(tài)。技術(shù)人員嚴(yán)格把關(guān)、優(yōu)化施工方案、嚴(yán)格論證，也是工程成功的關(guān)鍵。由于整個(gè)施工過(guò)程各工序都準(zhǔn)備充分到位，各環(huán)節(jié)銜接緊湊順暢，未發(fā)現(xiàn)工藝技術(shù)方面的異?，F(xiàn)象。工程順利竣工，并通過(guò)閉水壓力驗(yàn)收，質(zhì)量合格。受到建設(shè)和監(jiān)理單位的高度贊賞，也為在定向鉆鋪設(shè)大管經(jīng)污水道工程積淀了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，并在今后的工程施工中發(fā)揮更大的作用和必將再創(chuàng)輝煌。

[1] 水平定向鉆進(jìn)管線鋪設(shè)工程技術(shù)規(guī)程.J11214-2008,DBJ13-102-2008.