沿海地区定向钻与顶管施工的对比分析

TECHNOLOGY WIND[摘要]近几年，沿海工业园区的建设掀起了高潮，过公路、过河等各种穿越工程也相应增多，文章通过实际工程案例，从工程自身因素以及外部环境因素对定向钻拉管施工与顶管施工的优缺点及适用性进行对比分析，为沿海施工穿越工程技术选择上提供可靠的参考。

[关键词]定向钻；顶管；沿海沿海地区定向钻与顶管施工的对比分析高英杰（唐山旭阳化工有限公司，河北唐山063600）随着沿海工业园区建设的迅速发展，管道铺设过程中不可避免的遇见穿越公路、铁路、河流等穿越工程，目前，大开挖式施工由于破坏路面、影响交通，一般不被政府部门批准，非开挖技术已成建设单位的首选，本文结合实际案例，对定向钻拉管与顶管施工这两种最常用的施工方式进行对比分析，寻求适合沿海地区的施工方案。

1定向钻与顶管施工方法简介1.1定向钻施工1.1.1简介非开挖定向穿越施工技术是在不开挖地表的情况下，用导向钻进技术，将一无线电发射器（探头）置入钻头盒内，导向钻进过程中，地面接收仪随时显示钻头的深度、倾角、温度等数据。

施工技术人员在地面导航仪的引导下，从起点向终点钻出一个与设计轨迹相吻合的导向孔，然后用合适的钻头回扩成与拟铺管线尺寸匹配的通道，扩孔直径为铺设管径的1.2~1.5倍，再利用定向钻机把管线拖入孔中，完成铺设任务。

施工工艺流程：钻孔布置———轨迹设计———轨迹标定———钻机就位———开挖工作坑———导向钻进———回扩———回拖铺管———检查验收。

1.1.2适用范围一般适用于管径DN300~DN1200mm 的钢管、PE 管，最大铺管长度可达1500米。

1.2顶管施工1.2.1简介所谓顶管法施工，即是在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道以设计的坡度顶入土中，并将土方运走。

一节管子完成顶入土层之后，再下第二节管子继续顶进。

其原理是借助于主顶油缸及管道间、中继间等推力，把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推进到接受坑内吊起，与此同时，把紧随工具管或掘进机后管道埋设在两坑之间。

1.2.2适用范围顶管直径DN800~4500mm ，可在地下穿行1500米以上。

2沿海地区施工环境分析非开挖技术管道埋深一般在地面以下4米~6米之间，沿海地区此深度范围土层一般为粉质黏土和细沙。

沿海地区最大的特点是地下水位较浅，一般稳定在地面以下1.5米左右。

地下水问题也就成了沿海地区最大的施工难点之一，尤其是开挖工程，必须采取降水措施，增加降水投资，且易塌方，增加施工难度与安全隐患。

3案例简介本文所借鉴案例①位于乐亭县临港产业聚集区的焦炉煤气管线铺设工程，此工程煤气管道管径为DN600mm ，涉及的三穿工程有1条铁路、2条公路，1条河流，且采取了不同的非开挖技术，过铁路与过河采用顶管施工，顶管采用DN1500mm 的钢筋混凝土管，过公路采用的是定向钻拉管施工。

2条公路路面宽度为35米，加上2测雨水管网，将拉管有效长度确定为70米，过河顶管长度确定为130米，铁路顶管长度为40米。

过2条公路与铁路均顺利完工，过公路工期为15天/条，铁路工期为10天。

过河施工中出现问题较多，将在下文中结合影响因素分析原因。

②与上述焦炉煤气工程几乎同时进行的人工煤气工程，敷设管道管径为DN500mm ，此工程与焦炉煤气工程分别在一条路的两侧，需穿过同一条河流，施工位置仅隔一座桥，其采用定向钻拉管施工，拉管距离约200米。

4对比分析4.1内部因素对两种施工方式的影响工程内部影响因素主要包括穿越对象、穿越管线管径、穿越距离和穿越深度。

4.1.1穿越对象穿越方式的选择受穿越对象的限制，穿越铁路时，GB50423《油气输送管道穿越工程设计规范》、GB50028《城镇燃气设计规范》等国家规范都明确规定：“管道穿越铁路时，应敷设在套管或涵洞内”，因此，穿越铁路时应选用顶管的方式进行施工。

案例工程中，铁路穿越顶管施工采用1.5米钢筋混凝土管，从开挖工作坑至顶管完毕仅用10天时间。

4.1.2穿越管道管径管道管径是影响施工方案选择的重要因素，定向钻适用于中小型管径，最大管径一般不超过1200mm ，这主要是由于定向钻拉管在钻进和回托扩孔都需造斜段，而造斜段的曲率半径不应小于1500D （D 为管道直径），管径越大，曲率半径越大，所需造斜段的长度就越长，拉管的总长度也相应的增加，同时，水平定向钻回拖时的拉力宜按下式计算：F 拉=πLf[γ泥D 2/4-7.85δ（D-δ）]+k 粘πDL 式中：F 拉—计算的拉力（t ）；L —穿越管段的长度（m ）；f —摩擦系数，0.1~0.3；D —管子的直径（m ）；γ泥—泥浆的密度（t/m 3）；δ—管子的壁厚（m ）；k 粘—粘滞系数，0.01~0.03。

可见，定向钻拉管的拉力由管径和拉管长度确定，管径越大、长度越长，所需拉力就越大，这就加大了施工难度与施工费用。

经计算，案例工程中DN600的管道，拉管总长度为150米，造斜段近80米，有效长度仅为70米。

而当管径达到DN1200mm 时，埋深在5米时，仅造斜段就长达130米，并且，据调查，国内能够拉动DN1000mm 以上管径管道的拉管机就很少了。

顶管施工所顶管道一般为钢筋混凝土管，其作为所铺设管道的套管，所顶管道管径一般不小于DN800mm ，最大可达到DN4000mm 以上，基本上可以满足所有管径管道的铺设，并且顶管施工可以顶进矩形套管以满足特殊工程的需要。

4.1.3穿越距离目前，定向钻与顶管均实现了长距离施工，国内定向钻施工穿越1000米以上距离的工程案例已经很多，重点是要选择合适吨位的拉管机以及先进的纠偏系统。

长距离顶管施工相对来说比较复杂，采取的措施主要是增加中继间进行接力顶管，纠偏系统对于长距离顶管施工同样至关重要，在顶进过程中，经常对顶进轴线进行测量，检查顶进轴线是否和设计轴线相吻合。

在正常情况下，每顶进1节混凝土管节测量1次，在出洞、纠偏、到达终点前，适当增加测量次数。

施工时还要经常对测量控制点进行复测，以保证测量的精度。

4.1.4穿越深度无论定向钻还是顶管施工，都应保证管道覆土4米以上，因为如果覆土太浅，顶管机和拉管机可能会导致地面拱起或塌陷，由于拉管方工程技术1392012年10月（上）（上接第132页）采才具有可行性。

此方案还包括对地面个别损坏房屋采取加固维修。

2.1.3安全保障措施1）在开采过程中，严格监督按设计的工作面尺寸开采是开采成功的一个重要条件。

2）设置地表移动观测站，对开采过程中的地表沉降进行适时监测，是保证建筑群下压煤开采的安全可靠的一个关键性工作。

3）设置地面巡视人员，发现个别建筑有受损情况时及时处置。

2.2绿色采煤的成效通过采取有效措施和优化方案选择，在对地质资料的分析以及计算参数的选取和对采动影响的预测计算的基础上，7采区在建筑群下压煤开采中取得了较为理想的效果：1）西安矿7采区建筑群下压煤采用了综采放顶煤方式进行了开采，并做到了建筑物不搬迁，解决了对社会造成恶劣影响的难题。

2）优化方案中7采区开采后地表影响建筑群范围内，最大水平变形拉伸为3.0mm/m ，压缩变形为3.75mm/m ，在村庄范围内大部分（80%）村庄房屋都控制在了Ⅰ级变形范围内。

3）通过地表设站的沉降观测结果和地面房屋的现场调查证明：地面实际沉降曲线与预测结果曲线基本吻合。

这表明地表沉降预测计算基本准确，对指导资源枯竭矿区的残煤开采具有重要意义。

4）建筑群压煤的解放并能开采，使得7采区的煤炭资源储量就增加约240万t ，采后可获得5亿元的产值，1.43亿元的利润，矿井服务年限增加6年，带来了良好的社会效益和经济效益。

5）根据7采区的经验和技术，西安煤业公司又成功地进行了12采区、16采区等后续采区的建筑物下开采，均取得了较好的效果。

为保证西安煤业公司的生产能力、延长矿井服务年限做出了贡献。

3结论老矿区的建筑物下绿色采煤是一项涉及面广、技术难度大，但又是必须面对的工作，因为资源开发必须与环境协调这是采矿者的责任。

在向自然索取的同时，要尊重自然意志，遵循自然规律，时刻不忘回馈自然和养护自然，从而才能在人类和自然之间建立起复合的生态平衡机制，只有积极不断实施“绿色采矿”，才是资源枯竭矿山发挥最大效能的唯一出路。

西安煤业公司经过几年来的探索和实践，较好的解决了这一技术难题，并取得了较大的经济效益和社会效益，使得宝贵的煤炭资源能得到充分利用，并通过研究和实践基本上掌握了建筑物下的开采经验和关键性技术，地表移动与变形的适时观测和准确的地表变形预计，为指导并解决今后残煤综采放顶煤工作奠定了良好基础。

作者简介：陈宏，1957年生，男，辽宁开原人，阜新矿业学院采矿工程专业毕业，辽源矿业公司生产技术部副部长，高级工程师；张横，1979年生，男，吉林辽源人，辽宁工程技术大学经济管理专业毕业，辽源矿业公司规划设计院测绘公司经理，工程师。

［参考文献］[1]钱鸣高,许家林,缪协兴.煤矿绿色开采技术[J].中国矿业大学学报,2003.[2]煤炭科学研究总院.西安矿7、12采建筑物下压煤开采可行性论证[R].辽源矿业集团,2006.[3]煤炭科学研究总院.西安矿16采建筑物下压煤开采方案设计[R].辽源矿业集团,2007.[4]陈杰,李青松.建筑物、水体下采煤技术现状[J].煤炭技术,2010.[5]张欣.膏体充填法回收工业广场煤柱地表变形煤柱地表变形分析[J].煤炭技术,2010.式铺设的管道没有套管保护，对于通行量较大的公路，还可能导致管道变形和损坏。

案例工程中，2条公路的铺设深度均在4.5米以下，最低点达到5米。

4.2外部环境对施工的影响沿海地区最大的特点就是地下水位浅，一般稳定在1~1.5米深度范围内，地下水问题使沿海地区施工难度大大增加，这也给非开挖施工带来了局限性。

4.2.1地下水位与土质对顶管施工的影响案例工程中，过河顶管施工就受到地下水严重的影响，首先就表现在工作井开挖上，工作井尺寸为8米×6米×6米，由于土质非常差，地下水位较高，开挖极易塌方，为保证工作井强度以及施工安全，工作坑需采用止水帷幕桩加钢板桩的形式，外围打止水帷幕桩，防止地下水渗漏，内侧打一圈钢板桩来加固井壁，防止塌方。

施工过程中，工作井底部渗水严重，采用2台口径Φ150mm 的潜水泵连续降水，由于井壁附近土壤中富含水被抽走，造成钢板桩与止水帷幕桩之间土方严重下沉、塌方，最后又往钢板桩外侧塌方的缝隙中填满沙袋以防止塌方扩大化。

在富含水的影响下，沿海地区的砂质土是影响顶管施工的又一问题。

案例工程管道在顶进过程中，出现机头上仰的情形，经分析，是由于河床以下沙质土壤含水达到饱和，形成近似流沙的状态，在机头的转动下，富含水的砂土自上而下流向机头底部堆积，造成机头上仰。