許文澧高工關(guān)于給排水管道非開挖施工新技術(shù)看法

（廈門水務(wù)集團(tuán)有限公司  許文澧）

 

引言

隨著我國城市化進(jìn)程加快，市政給排水管道建設(shè)量猛增。目前，國內(nèi)大部分城市仍采用開槽埋管的作業(yè)方式。開挖路面施工會(huì)影響交通、污染環(huán)境，給市民生活帶來諸多不便，也容易造成路面質(zhì)量下降，縮短使用壽命。政府部門將出臺(tái)限制開挖政策以消除路面“拉鏈”現(xiàn)象。城市的給排水管道超期服役，由于管位有限，新管往往要鋪設(shè)在車道下或穿過構(gòu)筑物，按傳統(tǒng)的施工方式不僅耗資巨大，實(shí)施上也有一定的難度，這就使得管道更新改造無法完成。

非開挖技術(shù)的發(fā)展為解決上述問題提供了有效的途徑。廈門水務(wù)集團(tuán)有限公司在管網(wǎng)的建設(shè)中，應(yīng)用水平定向鉆非開挖技術(shù)完成了多項(xiàng)給排水管道穿越工程，均取得較好效果。

非開挖技術(shù)概述：

非開挖技術(shù)是指在地表不開挖的情況下，利用巖土鉆掘手段鋪設(shè)、修復(fù)和更換地下管線的施工技術(shù)。

非開挖技術(shù)在給排水工程中有鋪設(shè)新管線和修復(fù)置換舊管線二方面的應(yīng)用。

通常采用鋪設(shè)管線施工技術(shù)包括：水平定向鉆進(jìn)法、夯管錘法、推擠頂進(jìn)法、微型隧道法和頂管法等。

修復(fù)舊管線施工技術(shù)包括：原位固化法、滑動(dòng)內(nèi)插法、變形再生法、原位換管法、局部修復(fù)法。

水平定向鉆鋪管技術(shù)

水平定向鉆鋪管技術(shù)作為非開挖技術(shù)的一個(gè)重要分支，是將鉆探技術(shù)與控向技術(shù)巧妙結(jié)合的現(xiàn)代非開挖施工新技術(shù)，近年來應(yīng)用于給排水管道施工。隨著導(dǎo)向定位精度提高、施工設(shè)備能力增強(qiáng)、管材業(yè)的發(fā)展，鋪管能力由初期的小口徑、短距離、單一鋼管，發(fā)展到大口徑、長距離、多種管材的鋪設(shè)，成為非開挖領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)，技術(shù)上已日趨成熟。

1、技術(shù)特點(diǎn)

（1） 應(yīng)用范圍廣，適用性能強(qiáng)。適宜在粘土、粉土、砂土等土質(zhì)條件下采用；可鋪設(shè)塑料管(PVC、PE等)、鋼管或鑄鐵管，管徑在DN40到DN2000之間；大型鉆機(jī)鋪管長度可達(dá)到500 m以上。

（2）鉆機(jī)布置靈活。鉆孔過程可在預(yù)先挖好的發(fā)射坑和接受坑之間進(jìn)行，也可在安裝鉆機(jī)的場地，以小角度直接從地表鉆進(jìn)。

（3）施工設(shè)備的穿越精度高，可滿足管道高程的控制要求。

（4） 施工過程不產(chǎn)生噪音、粉塵，不破壞地貌和環(huán)境，滿足環(huán)保的各項(xiàng)要求。

（5） 機(jī)具進(jìn)出場靈活便捷，對于場地條件要求不高，施工速度快。

（6）適宜于高速路等不允許開挖或管線復(fù)雜地區(qū)的管道施工，尤其在穿越江河的項(xiàng)目上更顯出其獨(dú)特的優(yōu)勢。

2、施工工藝

（1）前期準(zhǔn)備

了解管道穿越范圍內(nèi)的地質(zhì)條件、現(xiàn)有地下管線的走向及埋深等情況，結(jié)合設(shè)計(jì)要求規(guī)劃鉆進(jìn)軌跡，選定施工方案 （主要是選定鉆機(jī)、確定出入土層的角度、擴(kuò)孔級數(shù)和穿越管材等）。

（2）導(dǎo)向鉆進(jìn)

定向鉆頭在鉆機(jī)的推力作用下，由鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)（或使用泥漿馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)）切削地層，按設(shè)計(jì)鉆孔軌跡前進(jìn)，完成整個(gè)導(dǎo)向孔的鉆孔作業(yè)。鉆進(jìn)過程中，鉆頭內(nèi)信號棒發(fā)出的信號被接受處理后，顯示出鉆頭的深度、位置、角度等信息，據(jù)此及時(shí)調(diào)整鉆頭方向，保證所完成的導(dǎo)向孔曲線符合設(shè)計(jì)要求。

（3）分級擴(kuò)孔

    完成導(dǎo)向孔施工后，采取分級擴(kuò)孔的方式將鉆孔擴(kuò)至合適的直徑。同時(shí)將鉆液泵入鉆孔中，保證孔洞完整和不塌方，并將切削下的土屑帶回到地面，為回拉管道創(chuàng)造適宜的環(huán)境。

（4）回拉管道

擴(kuò)孔完成立即將待鋪設(shè)的管道與回拉頭、擴(kuò)孔頭及鉆桿連接，由鉆機(jī)牽引將管線拉入已擴(kuò)鉆孔中，完成管道鋪設(shè)。

3、設(shè)備構(gòu)成

定向鉆設(shè)備由鉆機(jī)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、控向系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、鉆具及輔助機(jī)具組成，它們的結(jié)構(gòu)及功能如下。

（1）鉆機(jī)系統(tǒng)：由鉆機(jī)主機(jī)、轉(zhuǎn)盤等組成。鉆機(jī)是穿越設(shè)備鉆進(jìn)及回拖作業(yè)的主體；轉(zhuǎn)盤裝在鉆機(jī)主機(jī)前端，連接鉆桿，并通過改變轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)向和輸出轉(zhuǎn)速以及扭矩大小，滿足不同施工作業(yè)的要求。

（2）動(dòng)力系統(tǒng)：由液壓動(dòng)力源和發(fā)電機(jī)組成。液壓動(dòng)力源為鉆機(jī)系統(tǒng)提供高壓液壓油作為鉆機(jī)的動(dòng)力，發(fā)電機(jī)為配套的電氣設(shè)備及施工現(xiàn)場照明提供電力。

（3）導(dǎo)向控制系統(tǒng)：通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控鉆頭位置，引導(dǎo)鉆頭正確鉆進(jìn)的方向性設(shè)備。

（4）泥漿系統(tǒng)：由泥漿混合攪拌罐和泥漿泵及管路組成，為鉆機(jī)系統(tǒng)提供適合鉆進(jìn)工況的泥漿。

（5） 鉆具及輔助機(jī)具：鉆機(jī)鉆孔和擴(kuò)孔過程中所使用的各種機(jī)具。鉆具主要有鉆桿，鉆頭、泥漿馬達(dá)、擴(kuò)孔器，切割刀等。輔助機(jī)具包括卡環(huán)、旋轉(zhuǎn)活接頭和各種管徑的拖拉頭。

應(yīng)用實(shí)例

1、 同安輕工食品工業(yè)園排污干管工程

（1）工程概況

該工程設(shè)計(jì)將輕工食品工業(yè)園生產(chǎn)污水引入同安污水處理廠，其中有一段DN800污水管需穿越官潯溪。官潯溪河面寬130m，河床表面為中砂層、下部為黏土層。管道設(shè)計(jì)高程為4.00－4.40，排水坡度3‰，最大埋深6m，距河床最小覆土深度2m，管材為DN820*10的鋼管。

（2）施工方案的選擇

官潯溪不通航，施工季節(jié)正處于河流的枯水期，水深在2.5 m左右。采用分段圍堰、大開挖的施工方法，不存在阻斷交通和防洪方面的問題，水流和水深條件也較適宜，從技術(shù)上講不失為可行方案之一。但是河面上有大量的圍網(wǎng)養(yǎng)殖，圍堰施工不可避免要拆除養(yǎng)殖設(shè)施，必然要支付數(shù)量可觀的補(bǔ)償費(fèi)用，同時(shí)改變河水水質(zhì)，影響到下游村民正常的生產(chǎn)生活。從工期、環(huán)境、工程量、造價(jià)等方面考慮，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較（下表），決定采用水平定向鉆技術(shù)來實(shí)現(xiàn)管道穿越。

施工方案的綜合比較

（3）鉆進(jìn)的實(shí)施及效果

鋪設(shè)鋼管需要較大的曲率半徑，增加了鉆孔距離；接口焊接和防腐會(huì)造成回拉作業(yè)的停頓，不利于穿越河流施工。征得甲方、設(shè)計(jì)部門同意改用HDPE纏繞管作為穿越管材。結(jié)合設(shè)計(jì)埋深和管材、鉆桿的曲率半徑定出鉆進(jìn)軌跡及造斜段長度(L=18m)以及出入土角度( 8°～9°)。經(jīng)計(jì)算管道所需回拉力為220KN，確定采用土行孫DDW320型定向鉆機(jī)系統(tǒng)（最大回拉力320KN，扭距12KN.M）,同時(shí)配備一臺(tái)容量3m³的撬裝式泥漿攪拌站，為鉆進(jìn)工程提供充足的鉆液。鉆孔分DN500、DN700、DN800、DN1000四級擴(kuò)孔達(dá)到設(shè)計(jì)管徑1.3倍后，在鉆機(jī)牽引下將預(yù)先連接好的150 m長DN800 HDPE纏繞管拉進(jìn)孔洞中。

管道穿越施工在10天完成，確保工期目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。施工期間對村民的生產(chǎn)生活并無影響，有利于環(huán)境保護(hù)，節(jié)省工程投資，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2、文化宮給水管道工程

該管道工程設(shè)計(jì)鋪設(shè)DN300的鋼管橫穿公園南路后與用戶內(nèi)部管道連接�，F(xiàn)場情況為：（1）地下管線密集，設(shè)計(jì)高程同原有的DN1000雨水管沖突，管道需加深到路面以下3m。（2）地處老市區(qū)且車流量大，破路施工顯然無法實(shí)施。（3）管道需穿越公交站臺(tái)及路燈基礎(chǔ)，開挖管槽有一定的危險(xiǎn)。鑒于上述施工條件，經(jīng)方案比較后確定采用水平定向鉆技術(shù)，鋪設(shè)DN300的鋼管30m。施工過程中不須阻斷交通，不產(chǎn)生粉塵，快速便捷，將施工對環(huán)境的影響降到最低，管道經(jīng)壓力試驗(yàn)符合規(guī)范要求。

施工中應(yīng)注意風(fēng)險(xiǎn)的防范：

相比傳統(tǒng)的施工方法，采用水平定向鉆鋪管技術(shù)的優(yōu)越性是顯而易見的。地下施工的復(fù)雜性和不可視性使得管道穿越面臨失敗的風(fēng)險(xiǎn)，主要表現(xiàn)為管孔的報(bào)廢、回拖的失敗以及鉆壞現(xiàn)有設(shè)施造成的損失。實(shí)踐表明：根據(jù)不同的工程情況采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防范措施，是確保管道穿越成功的關(guān)鍵。

1、獲取詳盡準(zhǔn)確的地下資料

施工單位常因?yàn)橹饔^疏忽和一些客觀的因素，對鉆孔沿途土層結(jié)構(gòu)和管線情況了解不夠準(zhǔn)確，鉆進(jìn)軌跡上遇到障礙物而導(dǎo)致鉆進(jìn)失敗，甚至發(fā)生損毀現(xiàn)有設(shè)施的事故。一般可采用查閱相關(guān)資料、實(shí)地開挖和鉆探方法獲取有關(guān)地層和地下水的情況，主要是土層的標(biāo)準(zhǔn)分類、孔隙率、含水性、透水性以及地下水位、基巖深度和含卵礫石情況等信息，為評估施工風(fēng)險(xiǎn)、選擇鉆進(jìn)方法和配制鉆液提供依據(jù)。在老城區(qū)施工，獲得有關(guān)地下管線和其它埋設(shè)物的詳細(xì)資料尤為重要�，F(xiàn)存資料可能不夠準(zhǔn)確完整，為保證鉆進(jìn)施工安全，在對場地周圍各管線井室、標(biāo)志以及相關(guān)資料有初步了解的基礎(chǔ)上，采用物探的技術(shù)手段進(jìn)行探測，防止發(fā)生事故。

2、 選用合適鉆機(jī)

鉆機(jī)是定向鉆的核心設(shè)備，依靠其產(chǎn)生的推拉力、旋轉(zhuǎn)扭矩完成鉆進(jìn)、擴(kuò)孔和回拉管道。在鉆機(jī)的選擇上考慮不周是造成工程失敗的重要因素。

推拉力和最大輸出扭矩是鉆機(jī)最重要的性能參數(shù)，也是鉆機(jī)選定時(shí)首先要考慮的。鉆機(jī)的回拖力必須足夠克服管道、鉆桿與地層之間產(chǎn)生的摩擦阻力。好的地質(zhì)條件，成孔質(zhì)量好，回拖力小；管徑越大、長度越長，回拖力越大。一般情況下，鉆機(jī)最大回拉力應(yīng)大于回拖管段自重的1／2。另外采取較大的擴(kuò)孔直徑，回拉過程保證泥漿流順暢等措施，可有效減小回拖力。預(yù)擴(kuò)孔的扭矩主要與地質(zhì)條件、擴(kuò)孔器直徑、擴(kuò)孔速度和上一級擴(kuò)孔的質(zhì)量有關(guān)。土質(zhì)的硬度和擴(kuò)孔器的直徑越大，擴(kuò)孔速度越快時(shí)，扭矩越大。上一級擴(kuò)孔的質(zhì)量越好，扭矩越小。

其次，鉆機(jī)具有良好的連續(xù)工作性能，可避免施工中途停鉆而發(fā)生危險(xiǎn)，提高工程成功率，這對于較大口徑、長距離的鉆進(jìn)施工有重要意義。同時(shí)應(yīng)注意鉆機(jī)檢查保養(yǎng)工作，保持良好使用狀態(tài)。

3、鉆進(jìn)監(jiān)控手段

導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過程中，為了防范鉆頭偏離設(shè)計(jì)軌跡發(fā)生事故，必須對其進(jìn)行有效監(jiān)控。通過隨鉆測量技術(shù)獲取孔內(nèi)鉆頭的有關(guān)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)偏差做出相應(yīng)的調(diào)整，確保鉆進(jìn)的精確度。反饋信息的準(zhǔn)確性是精確定位和及時(shí)控向的基礎(chǔ)，傳遞信息的手段主要有電磁波法和電纜法兩種。電磁波法有效范圍在300m以內(nèi)，測量深度在15m左右，缺點(diǎn)是需要隨鉆跟蹤，所接受的信號質(zhì)量會(huì)受周圍磁場干擾，影響信息的準(zhǔn)確性，一般用于中小型工程。電纜法依靠纜線作為傳輸信息的手段，纜線在增加操作復(fù)雜性的同時(shí)，抗干擾能力大為提高，也不需隨鉆跟蹤，適宜在長距離和地形復(fù)雜的項(xiàng)目中采用。

4、保證成孔的質(zhì)量

      導(dǎo)向孔是擴(kuò)孔的基礎(chǔ)。在導(dǎo)向孔的基本控制指標(biāo)中，出、入土角度較容易控制，只要保證鉆機(jī)就位即可；造斜段的曲率半徑與管材和鉆桿允許彎曲半徑有關(guān)，采用隨鉆測量來控制穿越曲線的精確性。由于穿越線路地質(zhì)不均勻或單根鉆桿改變角度過大，容易導(dǎo)致成孔曲線成波浪型，不僅無法滿足管道高程偏差的控制要求，而且增加回拖阻力造成工程失敗。主要防范措施是采用精確的控向技術(shù)和熟練的司鉆操作，根據(jù)地層選擇合理的鉆具和鉆具組合，進(jìn)行較大的擴(kuò)孔時(shí)輔以扶正器能較好地解決此類問題。

5、重視泥漿的作用

鉆液是定向鉆施工的“血液”，具有冷卻鉆頭、潤滑鉆具、提高施工效率的功能。鉆液與鉆屑混合后以流動(dòng)泥漿的形式排出孔外，起到懸浮和攜帶鉆屑的作用，為回拖管線提供出足夠的環(huán)形空間，減少回拖阻力。部分殘留在孔中的泥漿也起到固壁、防止塌孔的作用，保證了孔洞的完整。

水是鉆液的主要成份，膨潤土和聚合物通常稱為鉆液添加劑。鉆液的配置取決于鉆孔土壤狀況。沒有一種鉆液在任何土質(zhì)中都適應(yīng)，只能是配置最合適的鉆液。大致的原則是：在粗土中使用膨潤土，在細(xì)土中使用聚合物。通過添加化學(xué)處理劑可改善泥漿性能，例如：投入適量燒堿（或純堿）可增粘、增靜切力、調(diào)節(jié) PH 值。一個(gè)工程中可能會(huì)穿過不同性質(zhì)的地層，需及時(shí)調(diào)整鉆液的配置以適應(yīng)施工要求。

鉆液添加劑與水混合次序?qū)τ阢@液性能起著重要作用。一般情況下，混合系統(tǒng)中添加鉆液的順序最好是：1、燒堿  2、膨潤土  3、干燥的聚合物  4、液態(tài)聚合物  5、其它添加劑。

HDPE管材定向鉆牽引施工要點(diǎn)

    高密度聚乙烯管具有內(nèi)外壁光滑、耐腐蝕、單位重量小、柔韌性好、材質(zhì)延伸率大的優(yōu)點(diǎn)，并可預(yù)先焊接成長管，是定向鉆穿越的理想管材。適應(yīng)定向鉆施工的HDPE纏繞排水管被認(rèn)識接受并且逐步推廣，現(xiàn)就我們在同安官潯溪穿越工程中的應(yīng)用，談?wù)?/span>HDPE管定向鉆牽引施工的要點(diǎn)：

1、管材抗拉強(qiáng)度必須滿足回拉力的要求，熱熔帶首選加厚型板材。場地條件允許的情況下，盡可能采用較長規(guī)格的管道，減少現(xiàn)場焊接數(shù)量。

2、現(xiàn)場需將管材堆放在陰涼處或采取遮蔽，不宜長期暴曬。

3、焊接時(shí)管道兩端口應(yīng)干燥、清潔，并保持電流和電壓的穩(wěn)定，接口未完全冷卻時(shí)不要搬動(dòng)管道。

4、管道焊接完成后不宜立即進(jìn)行拉管，間隔時(shí)間一般不小于一小時(shí)。

5、回拉過程中，在管道下鋪鋼板可以減少摩擦力，應(yīng)及時(shí)調(diào)整管道，保證入孔洞自然順暢。

6、做好回拉錐頭與管道的連接。先于管道前端焊熱熔帶，用螺栓、鋼板同回拉錐頭固定，管尾鋼擋板通過鋼絲繩與管頭拉緊，防止泥漿流入管內(nèi)。

7、對于距離較長穿越工程，為保證回拉管道的整體性，需要采取一定加固措施（沿管道均布4根鋼筋，每隔一定距離用環(huán)向箍筋焊接）。

6.8管道同檢查井的連接，需要在管材端部安裝止水環(huán)并用水泥漿密封。

結(jié)論

水平定向鉆鋪管技術(shù)應(yīng)用于給排水工程施工，具有施工周期短、精度高、環(huán)境影響小、綜合成本低等顯著的優(yōu)點(diǎn)，顯現(xiàn)出良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，必將成為在高速公路、鐵路等不允許開挖或管線復(fù)雜地區(qū)管道施工的首選方法，尤其應(yīng)用在穿越河流項(xiàng)目更有其技術(shù)優(yōu)勢。同時(shí)對于水平定向鉆施工特點(diǎn)和面臨的風(fēng)險(xiǎn)有一定的認(rèn)識，施工時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施加以防范，提高成功率。

  高密度聚乙烯管具有獨(dú)特性能，是定向鉆施工的理想管材。應(yīng)用定向鉆技術(shù)鋪設(shè)HDPE排水管，實(shí)現(xiàn)兩者完美結(jié)合，符合國家推廣塑料排水管材的產(chǎn)業(yè)政策，值得推廣應(yīng)用。