基于定向鉆導(dǎo)向的承插型管道頂拉施工技術(shù)

王建新

（廣東保輝建筑工程有限公司 廣東汕頭 515000）

0 引言

無論是新建管網(wǎng)或是修復(fù)管網(wǎng)，開挖施工工藝是最為常用的更新方法。然而，開挖工藝在市區(qū)中存在長時間干擾交通和破壞路面導(dǎo)致的造價提升的問題，這些因素促進(jìn)了非開挖技術(shù)的發(fā)展。

目前，非開挖技術(shù)依據(jù)施工工況的不同，分為水平定向鉆工藝、微型隧道法工藝、頂管法工藝以及直接鋪管法工藝［1］。頂管法和微型隧道法適用于大管徑剛性管道。水平定向鉆工藝大體分為3 個步驟：①按照設(shè)計曲線穿越導(dǎo)向孔；②將導(dǎo)向孔逐級進(jìn)行擴(kuò)大；③回拖需要安裝的污水排放管［2］。該施工工藝的優(yōu)點(diǎn)是對環(huán)境干擾少，施工精度較高［3］；缺點(diǎn)是對自身粘結(jié)性不好的土層地質(zhì)不適用，需要泥漿護(hù)壁，施工過程中存在塌孔隱患。直接鋪管法適用于800～1 500 mm的中大型剛性管道施工。

綜上所述，目前中小型的柔性管道非開挖技術(shù)以水平定向鉆為主導(dǎo)，而水平定向鉆對復(fù)雜地質(zhì)條件適用性差、施工過程中存在塌孔隱患仍然未得到很好的解決。因此中小型的柔性管道非開挖技術(shù)需要克服復(fù)雜地質(zhì)條件適用性問題以及塌孔隱患問題。

1 基于定向鉆導(dǎo)向的承插型管道頂拉施工技術(shù)原理

中小型柔性管道的鋪設(shè)工藝仍然是以水平定向鉆為主，借鑒于直接鋪管法在中大型剛性管道中的應(yīng)用，中小型柔性管道的鋪設(shè)工藝可以以“水平定向鉆法+直接鋪管法”為基礎(chǔ)，在頂進(jìn)的施工工藝方面加以改進(jìn)，使其在滿足中小型柔性管道的施工作業(yè)的基礎(chǔ)上，克服了水平定向鉆對復(fù)雜地質(zhì)條件適用性差、施工過程中存在塌孔隱患的難題。形成了一種基于定向鉆導(dǎo)向的承插型管道頂拉施工新技術(shù)。

⑴簡易水平導(dǎo)向鉆是該技術(shù)的基礎(chǔ)，由拖拉管機(jī)械提供動力給導(dǎo)向鉆具，最終完成高精度的導(dǎo)向孔。

導(dǎo)向鉆具的組合形式為：控制方向的鉆頭+導(dǎo)向傳感器+鉆桿。鉆頭通過鉆頭姿態(tài)（旋轉(zhuǎn)角度）控制前進(jìn)方向。導(dǎo)向傳感器通過無線導(dǎo)向系統(tǒng)將鉆頭姿態(tài)（旋轉(zhuǎn)角度）、鉆頭位置、距地面深度等信息發(fā)送至地面。

⑵頂拉同步鋪管是頂拉施工的關(guān)鍵技術(shù)，由提供扭矩和拉力的外置式動力源、擴(kuò)孔器及分動器、管帽、尾擋板、液壓頂組成的頂拉直接鋪管系統(tǒng)。在導(dǎo)向孔完成后進(jìn)行管線回拖，其工作原理如圖1所示。

⑶承插型管道接頭

管道接頭示意圖如圖2所示。

2 施工操作要點(diǎn)

2.1 場地勘察

場地勘察需要掌握土層地質(zhì)、地面障礙物、周圍環(huán)境的情況。

2.2 軌跡設(shè)計

頂拉管的作業(yè)軌跡分為3 段：第一段斜直線部分→第二段曲線部分→第三段水平直線部分，如圖3 所示。對比水平定向鉆工藝，減少了第四段曲線部分和第五段斜直線部分［4］。

軌跡確定方法：根據(jù)埋管深度、管道（及鉆桿）的曲率半徑，確定入土造斜段長度、入土角等參數(shù)，采用作圖法確定［5］。入、出土角和曲線段的確定可按圖4進(jìn)行［6］：

2.3 導(dǎo)向孔施工

鉆導(dǎo)向孔的鉆具組合如圖5 所示：鉆頭+導(dǎo)向傳感器+鉆桿［7］。導(dǎo)向傳感器裝在鉆頭后艙內(nèi)并緊固，在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過程中使用無線導(dǎo)向系統(tǒng)，從地下不停將鉆頭姿態(tài)（旋轉(zhuǎn)角度）、位置、距地面深度等信息發(fā)送至地面，導(dǎo)向人員手持導(dǎo)向接收機(jī)隨鉆頭一起向前移動，將收集到傳感器的信息與設(shè)計線路對比，并通過對講機(jī)指揮鉆機(jī)操作手控制鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)、推進(jìn)。鉆頭形狀為斜向片狀（見圖5），與軸線有一定夾角，不旋轉(zhuǎn)直接推進(jìn)時，鉆頭斜向前進(jìn)，調(diào)整前進(jìn)方向；旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時，鉆頭沿軸線直向前進(jìn)。這樣一直控制導(dǎo)向鉆按預(yù)定的軸線到達(dá)終點(diǎn)。

2.4 檢查井施工

管道檢查井兼做頂拉管工作井，“二井合一”［8］，采用開挖方式施工井室時，井室直徑需大于1.6 m。如地下水位高、流沙地質(zhì)，無法開挖施工時，可采用φ1.8 m（內(nèi)徑）預(yù)制井筒以沉井方式下沉，如圖6所示，然后水下澆筑混凝土封底。預(yù)制井筒管道位置預(yù)留洞口（直徑為管道外徑+10 cm）砌磚封閉。導(dǎo)向鉆頭、擴(kuò)孔器可破除磚墻進(jìn)到檢查井內(nèi)。

2.5 泥漿護(hù)壁

泥漿作用主要是穩(wěn)定孔壁、潤滑鉆桿（柱）及管道、冷卻鉆頭、排除鉆屑、降低鉆進(jìn)扭矩和回拉力。施工時應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況、管徑、穿越長度等因素配制的泥漿，控制好泥漿的黏稠度，遇到特殊情況加入外加劑。

本工程所在區(qū)域多為沿海臺階和寬谷的沖積土而成，地質(zhì)以粉細(xì)砂為主，地下水位高、水量大，含鹽量高，隨潮漲潮汐變化。配置泥漿時提高膨潤土比例，控制的粘稠度比較大，為了改善泥漿的穩(wěn)定性，提高膠體率，在泥漿中加入適量“海水寶”［9］。

2.6 鉆機(jī)選型

根據(jù)拉力的大小需求選擇對應(yīng)的鉆機(jī)，如表1所示。

表1 導(dǎo)向鉆機(jī)分類Tab.1 Classification of Guided Drilling Rigs

頂拉管鉆機(jī)采用一般的水平定向鉆機(jī)，本工程使用的時XZ400型。

2.7 頂拉施工

一般的水平定向鉆中，終孔直徑取值為1.1～1.5 倍管徑，空隙部分最終采用泥漿填充方式處理。 采用頂拉工藝，擴(kuò)孔直徑僅需管道直徑+5 cm［10］。

導(dǎo)向孔完成后進(jìn)行管線回拖。管線回拖前，需要在出口端檢查井內(nèi)卸下導(dǎo)向鉆頭，安裝擴(kuò)孔器（含分動器）、管帽，檢查擴(kuò)孔器、管帽上的水眼是否通暢，先進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，確認(rèn)無誤后緩慢回拖。

擴(kuò)孔器、分動器進(jìn)洞后，在管帽后接長鉆桿（單根長1 m）、安裝短管（單根長1 m）、尾擋板及尾部液壓頂。安裝完畢檢查各部件連接正確、順暢。

液壓頂加壓伸長（前端連接尾擋板可軸向移動，后端小橫梁卡在絲杠的卡槽內(nèi)固定），頂著尾擋板、短管向前移動，將短管前端與上一節(jié)管尾部的絲牙承插口擠壓到位。液壓頂保持壓力，將鉆桿上連接的管帽、短管、尾擋板、液壓頂串聯(lián)成一個整體。

開動鉆機(jī)，擴(kuò)孔、回拖，管道拖進(jìn)1 m后暫停，松開液壓頂→拆下尾擋板→接長鉆桿→安裝短管、尾擋板、液壓頂→液壓頂加壓伸長（短管接頭擠壓到位）→鉆機(jī)，擴(kuò)孔、回拖。這樣多次循環(huán)，完成整條管道頂拉作業(yè)。回拖過程中隨時觀察各種參數(shù)的變化，如發(fā)現(xiàn)拉力、扭矩過大、泥漿循環(huán)不暢等現(xiàn)象，立即停機(jī)檢查，分析原因、排除故障，一切正常后再進(jìn)行頂拉作業(yè)。

3 頂拉管施工和水平定向鉆鋪管施工成本分析

3.1 應(yīng)用項目

汕頭市濠江區(qū)全區(qū)污水管網(wǎng)完善建設(shè)項目，位于廣東省汕頭市南部，本項目分布在濠江區(qū)7個街區(qū)，分別為礐石街道、塔頭危險品庫區(qū)、三聯(lián)工業(yè)區(qū)、玉新街道、馬窖街道、濱海街道、廣澳街道，具體位置如圖7所示。

本項目在不同地區(qū)分別應(yīng)用了頂拉管施工工藝和水平定向鉆鋪管工藝。

3.2 頂拉管施工工藝和水平定向鉆鋪管工藝成本對比

通過實際項目實踐，兩種施工工藝的成本分析如表2所示。

表2 兩種施工工藝的成本分析 （元）Tab.2 Cost Analysis of Two Construction Processes

由表2 可以看出，頂拉管施工工藝在造價方面優(yōu)于水平定向鉆鋪管工藝，節(jié)省約10%～20%的成本。

4 結(jié)論

4.1 主要優(yōu)勢

基于定向鉆導(dǎo)向的承插型管道頂拉施工技術(shù)具有水平定向鉆的精準(zhǔn)導(dǎo)向優(yōu)點(diǎn)，同時又具有直接鋪管法在穿越淤泥層時避免塌孔的優(yōu)勢［11］。該施工技術(shù)適用于淤泥地質(zhì)、砂層地質(zhì)等自身粘結(jié)性不好的地質(zhì)環(huán)境，確保在施工中不塌孔，這是水平定向鉆鋪管工藝所不具備的。該施工技術(shù)所采用的設(shè)備（擴(kuò)孔器、分動器、管帽、尾擋板、液壓頂）均是小型簡易設(shè)備，造價低，設(shè)備取材方便，相比直接鋪管法所采用的微型隧道掘進(jìn)機(jī)、導(dǎo)向系統(tǒng)均是中等型號設(shè)備，該施工技術(shù)明顯優(yōu)于直接鋪管法。經(jīng)汕頭市濠江區(qū)全區(qū)污水管網(wǎng)完善建設(shè)項目的應(yīng)用及對比分析，該施工工藝在水平定向鉆鋪管工藝、直接鋪管法工藝3 種工藝中造價最有優(yōu)勢，與水平定向鉆鋪管工藝對比，頂拉管施工工藝節(jié)省約10%～20%的成本。頂拉管的作業(yè)軌跡分為3 段：第一段斜直線部分→第二段曲線部分→第三段水平直線部分。對比水平定向鉆工藝，減少了第四段曲線部分和第五段斜直線部分，直接減少了施工現(xiàn)場的土地開挖面積，減少渣土和揚(yáng)塵排放，是一種綠色環(huán)保施工工藝。

4.2 現(xiàn)存問題

基于定向鉆導(dǎo)向的承插型管道頂拉施工技術(shù)，在汕頭市濠江區(qū)全區(qū)污水管網(wǎng)完善建設(shè)項目中得到了應(yīng)用，下一步需要將該工藝總結(jié)為可供行業(yè)借鑒實施的標(biāo)準(zhǔn)施工工法，在工藝總結(jié)的過程中，存在的“關(guān)鍵施工技術(shù)在理論方面推導(dǎo)和證明的欠缺”問題。例如：管道頂拉施工過程中頂力和拉力的作用荷載比例，本文僅僅計算總需求荷載，總需求荷載的計算是依據(jù)水平定向鉆的拖拉荷載公式，總需求荷載并不能揭示拉力和千斤頂頂力各自的數(shù)值，回拖機(jī)和千斤頂?shù)墓餐鳂I(yè)操作仍然需要依靠經(jīng)驗。管道連接接口的抗拔力亦需要深入研究，因為施工過程中伴隨著鋼板樁支護(hù)，鋼板樁的插入及拔起均會產(chǎn)生相應(yīng)的豎向力，因此，管道連接接口具備一定的抗拔力是施工工藝要求。