非开挖定向钻进技术拖拉管在市政工程中的应用

非开挖定向钻进技术拖拉管在市政工程中的应用
作者：程国富牟小慧
来源：《城市建设理论研究》2012年第30期
摘要：针对非开挖定向钻进技术的优点，与以往施工方法相比，具有节约成本、提高工效，方法简单易懂，本文主要阐述其施工原理及方法，以供其它单位借鉴。

关键词：非开挖；拖拉管；原理与方法
Abstract: trenchless directional drilling technology advantages, compared to conventional construction methods, cost savings, improve efficiency, the method is simple and easy to understand, this paper mainly elaborates the principles and methods of its construction, and for other units to learn from.Keywords: Trenchless; drag pipe; Principles and Methods
中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
前言：
地下管道施工中，经常遇到河流、铁道等障碍物及地质情况不好的情况，无法径直开挖，通常采用顶管施工，需建钢筋混凝土工作井、接收井等，工序多，工期长，造价高。

采用非开挖定向钻进技术拖拉管施工能有效地缩短工期，降低工程成本。

非开挖定向钻进技术又称拖拉管、牵拉管施工，是将石油工业的定向钻进技术与传统的管线施工方法相结合的一项施工新工艺，近几年被广泛用于市政、电信、电力等多种地下管线的建设中。

非开挖定向钻进施工是将定向钻机设在地面上，在不开挖土壤的条件下，采用探测仪导向，控制钻杆钻头方向，达到设计轴线的要求，经多次扩孔，拖拉管道回拉就位，完成管道敷设的施工方法。

下面简单简述拖拉管的具体施工方法及原理。

1.施工原理：导向钻拖拉管施工技术主要包括导向孔钻进和扩孔拉管两部分。

先利用导向钻机、导向仪及有关钻具, 沿设计铺设管线的设计轨迹线上钻进一个导向孔; 然后利用先期的导向孔扩孔, 将孔径扩大到比欲铺设管线的总直径大一级, 同时将两套管同步牵入孔内, 实施非开挖铺设管道。

2.施工工艺：
施工工艺流程图如下：
2.1导向孔轨迹设计
导向孔轨迹设计是在管道剖面图的基础上，设计出钻孔的最佳曲线。

导向孔设计和施工是导向钻进技术施工的关键, 受许多因素制约, 其中最主要的是施工现场的地面和地下条件。

地面条件包括地形地貌以及周围建筑物、河流、绿化带等; 地下条件包括原有地下管线、地下建筑物、地下水和地质情况等。

导向孔轨迹一般由第一造斜段、直线段和第二造斜段组成, 如图所示。

第一造斜段是钻杆进入铺管位置的过渡段, 第二造斜段是钻杆出露地表的过渡段, 直线长度是管线穿越障碍物的实际长度。

导向孔轨迹图
导向钻进技术铺设管道, 导向孔轨迹一般由以下5 个参数决定(如图上图所示) : ①穿越起点B′; ②穿越终点C′; ③铺管深度H; ④第一造斜段曲率半径R1 ; ⑤第二造斜段曲率半径R2 。

R1 和R2 主要由钻杆曲率半径和欲铺管材允许弯曲半径决定。

一般取R1 ≥1200d , R2 ≥1200D , d和D 分别为钻杆和铺设管线的直径(mm) 。

以上5 个参数确定后,可算出第一造斜段直线施工长度
L1 、第二造斜段直线施工长度L2 及直线段L 的最小长度。

2.2导向孔钻进
导向孔施工如下图所示。

钻进时采用带斜面的非对称钻头, 若回转和给进同时进行, 导向钻进呈直线钻进; 若只给进不回转, 受斜面反力的作用, 实施造斜钻进。

钻机操作人员可根据地表导向仪探测出的钻进参数(钻头位置、深度、顶角和钻头方向) 判断钻孔位置与设计轨迹的偏差, 并及时调整, 确保沿钻孔设计轨迹钻进。

导向钻进示意图
钻机应试运转并调整好施工的参数。

按设计轨迹钻导向孔。

在造斜段数据控制点按0.5～1.0 m 长度设置; 水平段可按3.0～5.0 m 长度设置, 以控制导向孔不偏离轴线。

每钻进1 根钻杆, 测量其深度及方向, 做好钻进路径统计表记录。

要求每1 根钻杆的标高偏差范围在±80 mm 误差范围内, 轴向偏差范围控制在±100 mm 误差范围内。

在地表测量点做好标记, 以方便后期测量和核对深度及位置。

导向过程中配合使用水准仪, 保证到达污水井前2～3 m 时, 达到设计高程。

2.3 扩孔拉管
导向孔形成后, 卸下导向钻头, 换上扩孔钻头和旋转钻头, 逐步扩孔。

待管孔比欲铺设管径
总的直径大一级(即700mm) 时进行拉管。

由于扩管孔比钢管直径大一级,故采用低压灌浆机对
扩管孔与钢管之间的空隙进行灌浆。

一般最终的回扩直径的计算式为:D1=K·D
式中: D1 为最终回扩直径, cm; K 为安全系数, 一般取1.3～1.5, 当地层情况比较复杂时, 取
较大系数, 当地层为均质黏土时, 取较小值; D 为成品管外径或集束管外径, cm。

钻孔回扩完成后, 一般是在出口处将待铺管线通过回拖头和扩孔钻头连接在钻杆上,利用定向钻机一边回转一边回拉, 将管线拖入已扩钻孔, 完成管线的铺设工作。

2.4管道组对焊接
HDPE 管的焊接采用热熔对接技术。

管材经相应机具切削、加热, 使塑管断面熔化, 在一定的压力作用下, 使熔化表面接触, 且在焊接过程中形成双环焊缝, 成为加强圈。

因此其焊缝系数> 1, 其焊缝强度可超过本体。

焊接的操作步骤:
1）按塑管特性设定熔接温度。

2）启动电源, 对电热板加热, 当温度上升到设定点时会自动把调温范围控制在设定点±3 K 以内。

3）将对接的塑管放入对接架内并固定好。

此时油缸位置在最左端, 两管口间距应以能放入铣刀盘且铣削后又能对接为准。

4）插入铣刀盘并固定好。

先启动铣刀盘, 然后启动动力源油泵, 逐渐进入切削状态, 最终达到两端面铣平的目的( 铣削时的油压≤3 MPa) 。

5）取出铣刀推进活动架, 检查两管面是否吻合,如有高低偏差, 需采用夹具进行校正并重复4 、5动作, 直到满意为止。

6）退回油缸, 取出铣刀盘, 换入电热板。

7）再次启动油泵, 推进管道于电热板两面, 稍稍加压, 当电热板两侧管端熔出合适熔缝时, 停止进给动作, 继续加热, 待达到加热时间总和后, 迅速退回活动架取出电热板。

8）一旦电热板取出, 应迅速合龙对接, 并加大压力, 直至接口有适当的翻边。

一般情况下, 翻边的宽度应该相当于管子的壁厚。

9）停止油泵, 待管子熔缝冷却至环境温度。

10）除去固定夹具, 取出对接好的管材, 对接结束。

2.5回拖管材
在清孔后, 将已通过强度试验的管道固定在拖管头上, 连接方式见下图：
拖管头和HDPE 管的连接
拖管头和HDPE 管的连接必须密封, 防止泥浆和其他物质进入管道内。

在拖拉管过程中, 要严密观察拉力情况和出浆情况。

拖拉过程必须连续进行, 中间不允许有长时间的作业停顿, 以防止钻孔缩径或塌孔, 保证管线能够顺利铺设完成。

HDPE 管道拖至两侧污水井为止, 完成后, 在井中拆卸拖管头。

施工完毕, 造斜段、管道外壁及窨井回填土中有空隙, 都须注浆充填密实。

3.质量控制
施工完工后, 应进行闭水试验, 检测管道接口是否渗水, 窨井与管道口连接处也应密封牢固, 洞口不得渗漏泥水。

窨井处管道平面位置、管内底标高应进行测量, 允许偏差应符合规范要求（见下表）。

管道平面位置与管底标高质量检验标准
注：此表格参照《市政排水管渠工程质量检验评定标准》顶管施工检验标准。

4.注意事项
4.1导向钻进施工前必须准确掌握原有地下管、线分布状况, 否则, 施工时很可能破坏原有管线, 导致通信和电力供应中断、燃气和上下水管泄漏等事故, 不仅造成巨大的财产损失, 影响交通和居民的生活, 甚至会引起人身伤亡事故。

故普遍采用探地雷达、地下管线探测仪等地面探测设备普查施工现场管线分布, 规避各种施工障碍。

4.2导孔坍塌变形预防措施
导向钻进技术铺设管道施工, 水文地质条件对孔道坍塌变形的影响很大。

地质条件较差的导向孔施工时, 一般采用成孔液与地下砂土混合形成泥浆, 起润滑和护壁等作用。

成孔液品种、质量对预防孔道坍塌变形的效果起着决定性的作用。

目前人们对成孔液的研制不断取得突破, 出现了许多新型的成孔液, 如L G 植物胶等。

加入L G植物胶的成孔液不仅可以使孔壁中的砂土不会发生膨胀, 而且L G植物胶具有超凡的降失水性, 可以大大降低甚至完全阻隔孔内自由水向孔壁地层渗透, 使得近孔地层的砂土无吸水膨胀以至于缩径垮孔的条件, 加上L G植物胶具有良好的粘结作用, 确保了孔壁的稳定。

因此, 应用新型的成孔液可令孔道坍塌变形的问题迎刃而解。

4.3泥浆处理措施
施工时，在钻头出口处设置泥浆池，将孔内挤出泥浆导流到泥浆内，施工结束后集中清理运出到指定存放地点，禁止泥浆随地流淌及就地掩埋现象出现。

结束语：
非开挖定向钻进技术拖拉管施工适用于在穿越河流、铁道和高速公路或在穿越交通繁忙地段等无法径直开挖施工的情况下。

由于其节约工程成本、安全可靠，非开挖定向钻进技术拖拉管施工近几年被广泛用于市政、电信、电力等多种地下管线的建设中工程中，值得广泛推广。

参考文献：
地下工程防水技术规范，GB50108-2008；
《市政排水管渠工程质量检验评定标准》，CJJ3-90。