论文部分内容阅读
摘要：本文笔者主要结合某城市给水管道工程实例，对非开挖施工技术的实践经验的总结，就如何选择管材、轨迹设计、施工工艺等方面进行详细的分析，为城市给水管网的建设发挥了巨大的作用。
关键词：城市给水；管道；非开挖技术；聚乙烯管道；施工工艺
聚乙烯(PE) 管道具有优良的耐腐蚀性、较好的卫生性能、较长的使用寿命，同时在挠性、韧性、耐磨性及抗快速开裂性等方面也具有良好的性能，除了传统的施工方式外， 还可以采用多种全新的非开挖技术： 定向钻孔、补管、裂管等方式进行施工。因而对于市政给水一些不允许开挖的场所，如市区内的过河、过路等， 采用聚乙烯(PE) 非开挖水平定向钻技术是个不错的选择。从2005 年起，市政给水开始积极推广聚乙烯(PE) 水平定向钻回拖这种新技术，现在笔者根据某工程实践经验进行总结出来，以便同行一起探讨。
1 工程概况
随着城市的发展和人口的增长，原有的城市供水管网超负荷运转，急需增加一条给水管贯穿整个旧城区，以解决目前供水管网压力不足的问题。工程采用了聚乙烯(PE)管非开挖施工，管道穿越道路的人行道。
2 管材的质量保证
2.1 工程中在选择材料厂商时，严格按照《埋地聚乙烯给水管道技术规程》CJJ101－2004， 采用的聚乙烯(PE) “管材、管件应分别符合现行国家标准《给水用聚乙烯(PE) 管材》GB／T13663 和《给水用聚乙烯(PE) 管件》GB／T13663.2 的规定，卫生性能应符合现行国家标准《生活引用输配水设备及防护材料的安全性评价标准》GB／T17219 的要求”。并且为保证管件连接的可靠性，管材在伸缩时有一样的线性膨胀、管壁截面环向稳定性，在同一工程中采用同一厂家的配套的管材管件。
2.2 验收管材管件时，严格按规定检查出厂合格证、检测报告、外观、规格型号等。我公司的長年出厂给水压力为0.35MPa，顶管管径范围一般为dn160~dn630，按照《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》CJJ101－2004，试压静水压力为管道工作压力的1.5 倍，且试验压力不应低于0.8MPa，本着经济合理的原则，管材选择PE80 或PE100 即符合要求。并且注意按照技术规程CJJ101－2004 强制性条文，采用聚乙烯（PE80， PE100） 管材焊接二次加工成型的管件，采用管材的工程压力等级，不应小于管道系统所选管材压力等级的1.25 倍。
3 轨迹设计和控向参数
轨迹设计主要考虑设计平面位置和埋深的要求、地下公用管线的影响、钻杆和管材的弯曲半径等，确定定向钻进过程中钻头的顶角、方位角、工具面向角，计算出测定空间坐标，设计出定向钻进的轨迹图及对特殊地层、地段制订特殊施工方案，并且要为常用材料和应急材料准备一定的库存量，以防特殊情况的发生，保证施工各阶段的顺利进行。控向参数。按操作规程测定控向参数（方位角的数值）。要求尽可能多地测取参数比较，以确定最佳方位角数值：在管中心线的三个不同位置测取，且每个位置至少测四次，并做好记录。根据测定的数据标定方位角，方位角的误差要小于0.2°。钻进角和曲率半径。在大多数穿越施工中，入土角通常选择在10°～23°之间，多数施工应首先钻一段斜直线，然后再钻一段大半径曲线。此曲线的曲率半径由成品管线的弯曲特性决定，随直径增大而增大。斜直线将导向孔曲线按照预定的走向引导到设计的深度，在此深度上保持一段水平直线，到达向上的弯曲点后再到出土点。出土角应控制在10°～23°之间，以便于成品管道的回拖。
由于路幅宽40m，经过细致的探测，查明了其中的各类地下管线主要有给水、排水、煤气、电力、电信等五种。根据设计文件和地下管线探测结果，结合现场踏勘，导向孔轨迹设计参数如下：管道埋深考虑主要排水管的影响，取管道最深点为h=2m；入土角取15°；顶管工作井水平距离为44m，经过计算确定顶管长度为45.6m。
4 定向钻机的施工工艺
测量放线→修垫场地→三通一平→设备进场→组装调试钻机→调试控向系统→钻导向孔→预扩孔→管道回拖→设备离场→恢复地貌。
4.1 导向孔施工
采用射流辅助钻进方式。导向孔钻进是通过定向钻的高压泥浆射流冲蚀、破碎旋转、切削成孔，以斜面钻头来控制钻头方向的。钻头内的发送器发送钻头的位置、顶角、深度等参数，这些参数由地面接收，可供操作人员及时准确地确定钻头的具体位置、深度，并随时通过钻机调整钻进参数，以控制钻头按设计轨迹钻进。
试钻：各系统运转正常后试钻。钻进1～2 根钻杆后检测各部位运行情况，各种参数正常后按次序钻进。
导向孔：导向孔的钻进是整个定向钻施工的关键，我们将采用水平定向钻机进行整个穿越工程的施工。每钻完一根钻杆要测量一次钻头的实际位置，以便及时调整钻头的钻进方向，保证所完成的导向孔曲线符合设计要求。如此反复，直到钻头在预定位置出土，完成整个导向孔的钻孔作业。
4.2 预扩孔施工
为成功地埋设管线，在导孔后将进行一次预扩孔施工，即采用包式扩孔钻头分级扩孔。在管件端将扩孔器装在导杆组的尾端，扩孔器由钻掘机组以旋转方式沿已形成的导孔回拉，回拉时钻掘液泵也会通过导杆提供钻掘液给扩孔器，扩孔器会使用本身的喷嘴喷出钻掘液，这些钻掘液不但有润滑及暂时支撑已扩大孔的效果，而且会与扩孔过程中所刮下的土块混合，一起挤出到两端的泥浆坑。这些泥浆在管件端会被集中到泥浆池，在钻掘机组端则会马上被分离再回收利用。为确保钻孔中随时有导杆组，当在钻掘机组端取下一支导杆时，会由管件端在扩孔器后面增加一支导杆。
5 施工图设计合理， 确保供水安全可靠
5.1 设计顶管合口方案
虽然聚乙烯(PE) 管道具有高韧性、挠性好等特点，为了合口方便、易于施工，管道上返时根据情况加22.5°或11.25°度聚乙烯弯头，并在上返的位置浇注混凝土压墩，以抵抗PE 管因温度变化、管内水压力变化及地下水浮力等因素引起的水平位移。然后水平铺设2－3 米PE 管，法兰连接一个特制加长伸缩器（该伸缩器的伸缩量dn160~dn630 为400－500mm），（聚乙烯管材是一种热缩性材料，该管材具有受压发生儒变的特性，顺应聚乙烯管材收缩产生的纵向位移，从而合口两侧的加长伸缩器的伸缩可以有效的释放管材本身收缩产生的应力）。加设2-3 根法兰直管（法兰直管长度不宜过长），以便与球墨管连接。在第一根法兰直管的位置浇注混凝土抱墩， 防止球墨管发生任何位移， 并且注意在管线最高点设排气阀。
图1 PE 管过路水平定向钻回拖示意图
图2
5.2 聚乙烯管材的线性膨胀系数大， 选择水温与环境温差最小时敷设， 可避免热胀冷缩管路造成的影响， 使热力对管路产生的影响最小， 并且应采取防紫外线措施， 防止聚乙烯管道老化。
6 合理组织施工方案， 明确操水平定向钻施工法作规程
6.1 施工人员要认真学习有关施工文件、施工组织设计和施工技术规范， 强化安全质量意识， 严格按质量标准操作。强化质量保证体系， 由项目经理全面负责质量管理工作。
6.2 现场勘察。每接到一个工程， 首先要详细勘察现场： 地上查看有没有安置设备的场地、有没有焊接管道的场地、要穿越的地表路面及建构筑物需要采取什么样的保护措施。地下要详细勘察各种现有管道及其他各种障碍的具体位置和深度。这一步相当重要， 将为下一步工作能不能进行打下坚实的基础。稍有闪失， 将会造成不可预见和不可估量的损失。（例： 光缆折断后的损失以秒计， 赔偿费用往往是天文数字）。
6.3 入土点、出土点位置的选择及钻进曲线的设计。依据现场勘察得到的资料， 首先确定入土点、出土点的位置， 在避开各种障碍、满足设计对管道埋深要求的前提下， 依据管道所能承受的曲率半径的要求， 设计出最平滑的钻进曲线， 这也是最终铺设管道的位置。
6.4 开挖入土点、出土点工作坑。作用主要是盛放回流泥浆， 有时候更换钻具也要在工作坑内进行。（同时， 要进行管道的焊接， 焊接完成后， 在地面上进行试压试验， 试压完毕后， 锯掉法兰， 焊接拉头， 等待回拖）。
6.5 安装设备。设备安装要牢固、稳定（如果不牢固， 钻导向孔时设备会往后错， 回拖时设备往前移， 都不利于施工的进行）， 钻机导轨与水平面夹角符合入土点角的要求。调试钻机系统（回拉力、扭矩要求）、泥浆系统（泥浆粘度要求）、导向控制系统（三米标定正确） 满足施工要求。
6.6 配制泥浆。按照土质的类型， 配制不同粘度的泥浆。泥浆的主要作用为携带和悬浮钻屑， 稳定孔壁和平衡地层压力， 冷却和润滑钻头、钻具， 降低钻进摩擦力。一定要牢记， 只要开动设备钻进或回拖， 就要启动泥浆系统， 连续不断工作。否则会导致钻具的损坏。
6.7 钻进导向孔。开动钻机， 按照设计好的曲线钻进， 每根钻杆都要进行钻进距离、深度、侧向位移等导向探测， 发生偏差时及时纠正， 而且应该采取小角度逐步纠偏， 不宜采用大角度回调， 否则易损伤钻杆、钻头体等钻具。实在调不过来回抽钻杆重新钻进。
6.8 回扩钻孔。导向孔完成以后， 拆掉钻头， 换上回扩器扩大钻孔。回扩器应该逐级扩大， 一般情况下第一遍采用Ф250 扩孔器， 以后每换一个增加的尺寸不要超过100mm， 也就是应该Ф250、Ф350、Ф450 这样增大， 一般回扩的钻孔直径为回拖管径的1.2—1.5 倍时， 最后进行清孔完毕， 具备回拖条件。
6.9 回拖管道。孔洞回擴完毕后， 观察两侧工作坑泥浆回流情况、设备仪表台显示的回拖力和扭矩的情况， 判断是否具备回拖条件， 如果泥浆回流不是很理想， 显示拉力和扭矩还比较大， 则需要再次进行清孔， 必要时再扩大钻孔。以便回拖顺利。回拖刚开始时， 不要着急， 应该慢慢拉动管道顺利进入孔洞， 等拉头完全进入孔洞后， 而且孔洞两侧泥浆回流比较好， 拉力在设备能力、管道承拉力范围内， 则可以加快回拖速度。
6.10 焊接两侧PE 法兰。等两侧管道挖出后， 依据直埋管道的高程， 焊接两侧的法兰。再次进行试压试验， 试压严格按照《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》CJJ101－2004 执行。
7 结语
该工程采用非开挖定向钻方法施工，解决了开挖路面影响交通的问题，减少了与其他公用管线的冲突。实践证明，与其他施工方法相比，定向穿越施工方法对环境的影响最小，能提供障碍物下管线覆盖的深度最大，因此对管线的保护作用最大，维修费用最少。由于大多数的工作都在道路的两侧进行，因而不会阻断交通。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：城市给水；管道；非开挖技术；聚乙烯管道；施工工艺
聚乙烯(PE) 管道具有优良的耐腐蚀性、较好的卫生性能、较长的使用寿命，同时在挠性、韧性、耐磨性及抗快速开裂性等方面也具有良好的性能，除了传统的施工方式外， 还可以采用多种全新的非开挖技术： 定向钻孔、补管、裂管等方式进行施工。因而对于市政给水一些不允许开挖的场所，如市区内的过河、过路等， 采用聚乙烯(PE) 非开挖水平定向钻技术是个不错的选择。从2005 年起，市政给水开始积极推广聚乙烯(PE) 水平定向钻回拖这种新技术，现在笔者根据某工程实践经验进行总结出来，以便同行一起探讨。
1 工程概况
随着城市的发展和人口的增长，原有的城市供水管网超负荷运转，急需增加一条给水管贯穿整个旧城区，以解决目前供水管网压力不足的问题。工程采用了聚乙烯(PE)管非开挖施工，管道穿越道路的人行道。
2 管材的质量保证
2.1 工程中在选择材料厂商时，严格按照《埋地聚乙烯给水管道技术规程》CJJ101－2004， 采用的聚乙烯(PE) “管材、管件应分别符合现行国家标准《给水用聚乙烯(PE) 管材》GB／T13663 和《给水用聚乙烯(PE) 管件》GB／T13663.2 的规定，卫生性能应符合现行国家标准《生活引用输配水设备及防护材料的安全性评价标准》GB／T17219 的要求”。并且为保证管件连接的可靠性，管材在伸缩时有一样的线性膨胀、管壁截面环向稳定性，在同一工程中采用同一厂家的配套的管材管件。
2.2 验收管材管件时，严格按规定检查出厂合格证、检测报告、外观、规格型号等。我公司的長年出厂给水压力为0.35MPa，顶管管径范围一般为dn160~dn630，按照《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》CJJ101－2004，试压静水压力为管道工作压力的1.5 倍，且试验压力不应低于0.8MPa，本着经济合理的原则，管材选择PE80 或PE100 即符合要求。并且注意按照技术规程CJJ101－2004 强制性条文，采用聚乙烯（PE80， PE100） 管材焊接二次加工成型的管件，采用管材的工程压力等级，不应小于管道系统所选管材压力等级的1.25 倍。
3 轨迹设计和控向参数
轨迹设计主要考虑设计平面位置和埋深的要求、地下公用管线的影响、钻杆和管材的弯曲半径等，确定定向钻进过程中钻头的顶角、方位角、工具面向角，计算出测定空间坐标，设计出定向钻进的轨迹图及对特殊地层、地段制订特殊施工方案，并且要为常用材料和应急材料准备一定的库存量，以防特殊情况的发生，保证施工各阶段的顺利进行。控向参数。按操作规程测定控向参数（方位角的数值）。要求尽可能多地测取参数比较，以确定最佳方位角数值：在管中心线的三个不同位置测取，且每个位置至少测四次，并做好记录。根据测定的数据标定方位角，方位角的误差要小于0.2°。钻进角和曲率半径。在大多数穿越施工中，入土角通常选择在10°～23°之间，多数施工应首先钻一段斜直线，然后再钻一段大半径曲线。此曲线的曲率半径由成品管线的弯曲特性决定，随直径增大而增大。斜直线将导向孔曲线按照预定的走向引导到设计的深度，在此深度上保持一段水平直线，到达向上的弯曲点后再到出土点。出土角应控制在10°～23°之间，以便于成品管道的回拖。
由于路幅宽40m，经过细致的探测，查明了其中的各类地下管线主要有给水、排水、煤气、电力、电信等五种。根据设计文件和地下管线探测结果，结合现场踏勘，导向孔轨迹设计参数如下：管道埋深考虑主要排水管的影响，取管道最深点为h=2m；入土角取15°；顶管工作井水平距离为44m，经过计算确定顶管长度为45.6m。
4 定向钻机的施工工艺
测量放线→修垫场地→三通一平→设备进场→组装调试钻机→调试控向系统→钻导向孔→预扩孔→管道回拖→设备离场→恢复地貌。
4.1 导向孔施工
采用射流辅助钻进方式。导向孔钻进是通过定向钻的高压泥浆射流冲蚀、破碎旋转、切削成孔，以斜面钻头来控制钻头方向的。钻头内的发送器发送钻头的位置、顶角、深度等参数，这些参数由地面接收，可供操作人员及时准确地确定钻头的具体位置、深度，并随时通过钻机调整钻进参数，以控制钻头按设计轨迹钻进。
试钻：各系统运转正常后试钻。钻进1～2 根钻杆后检测各部位运行情况，各种参数正常后按次序钻进。
导向孔：导向孔的钻进是整个定向钻施工的关键，我们将采用水平定向钻机进行整个穿越工程的施工。每钻完一根钻杆要测量一次钻头的实际位置，以便及时调整钻头的钻进方向，保证所完成的导向孔曲线符合设计要求。如此反复，直到钻头在预定位置出土，完成整个导向孔的钻孔作业。
4.2 预扩孔施工
为成功地埋设管线，在导孔后将进行一次预扩孔施工，即采用包式扩孔钻头分级扩孔。在管件端将扩孔器装在导杆组的尾端，扩孔器由钻掘机组以旋转方式沿已形成的导孔回拉，回拉时钻掘液泵也会通过导杆提供钻掘液给扩孔器，扩孔器会使用本身的喷嘴喷出钻掘液，这些钻掘液不但有润滑及暂时支撑已扩大孔的效果，而且会与扩孔过程中所刮下的土块混合，一起挤出到两端的泥浆坑。这些泥浆在管件端会被集中到泥浆池，在钻掘机组端则会马上被分离再回收利用。为确保钻孔中随时有导杆组，当在钻掘机组端取下一支导杆时，会由管件端在扩孔器后面增加一支导杆。
5 施工图设计合理， 确保供水安全可靠
5.1 设计顶管合口方案
虽然聚乙烯(PE) 管道具有高韧性、挠性好等特点，为了合口方便、易于施工，管道上返时根据情况加22.5°或11.25°度聚乙烯弯头，并在上返的位置浇注混凝土压墩，以抵抗PE 管因温度变化、管内水压力变化及地下水浮力等因素引起的水平位移。然后水平铺设2－3 米PE 管，法兰连接一个特制加长伸缩器（该伸缩器的伸缩量dn160~dn630 为400－500mm），（聚乙烯管材是一种热缩性材料，该管材具有受压发生儒变的特性，顺应聚乙烯管材收缩产生的纵向位移，从而合口两侧的加长伸缩器的伸缩可以有效的释放管材本身收缩产生的应力）。加设2-3 根法兰直管（法兰直管长度不宜过长），以便与球墨管连接。在第一根法兰直管的位置浇注混凝土抱墩， 防止球墨管发生任何位移， 并且注意在管线最高点设排气阀。
图1 PE 管过路水平定向钻回拖示意图
图2
5.2 聚乙烯管材的线性膨胀系数大， 选择水温与环境温差最小时敷设， 可避免热胀冷缩管路造成的影响， 使热力对管路产生的影响最小， 并且应采取防紫外线措施， 防止聚乙烯管道老化。
6 合理组织施工方案， 明确操水平定向钻施工法作规程
6.1 施工人员要认真学习有关施工文件、施工组织设计和施工技术规范， 强化安全质量意识， 严格按质量标准操作。强化质量保证体系， 由项目经理全面负责质量管理工作。
6.2 现场勘察。每接到一个工程， 首先要详细勘察现场： 地上查看有没有安置设备的场地、有没有焊接管道的场地、要穿越的地表路面及建构筑物需要采取什么样的保护措施。地下要详细勘察各种现有管道及其他各种障碍的具体位置和深度。这一步相当重要， 将为下一步工作能不能进行打下坚实的基础。稍有闪失， 将会造成不可预见和不可估量的损失。（例： 光缆折断后的损失以秒计， 赔偿费用往往是天文数字）。
6.3 入土点、出土点位置的选择及钻进曲线的设计。依据现场勘察得到的资料， 首先确定入土点、出土点的位置， 在避开各种障碍、满足设计对管道埋深要求的前提下， 依据管道所能承受的曲率半径的要求， 设计出最平滑的钻进曲线， 这也是最终铺设管道的位置。
6.4 开挖入土点、出土点工作坑。作用主要是盛放回流泥浆， 有时候更换钻具也要在工作坑内进行。（同时， 要进行管道的焊接， 焊接完成后， 在地面上进行试压试验， 试压完毕后， 锯掉法兰， 焊接拉头， 等待回拖）。
6.5 安装设备。设备安装要牢固、稳定（如果不牢固， 钻导向孔时设备会往后错， 回拖时设备往前移， 都不利于施工的进行）， 钻机导轨与水平面夹角符合入土点角的要求。调试钻机系统（回拉力、扭矩要求）、泥浆系统（泥浆粘度要求）、导向控制系统（三米标定正确） 满足施工要求。
6.6 配制泥浆。按照土质的类型， 配制不同粘度的泥浆。泥浆的主要作用为携带和悬浮钻屑， 稳定孔壁和平衡地层压力， 冷却和润滑钻头、钻具， 降低钻进摩擦力。一定要牢记， 只要开动设备钻进或回拖， 就要启动泥浆系统， 连续不断工作。否则会导致钻具的损坏。
6.7 钻进导向孔。开动钻机， 按照设计好的曲线钻进， 每根钻杆都要进行钻进距离、深度、侧向位移等导向探测， 发生偏差时及时纠正， 而且应该采取小角度逐步纠偏， 不宜采用大角度回调， 否则易损伤钻杆、钻头体等钻具。实在调不过来回抽钻杆重新钻进。
6.8 回扩钻孔。导向孔完成以后， 拆掉钻头， 换上回扩器扩大钻孔。回扩器应该逐级扩大， 一般情况下第一遍采用Ф250 扩孔器， 以后每换一个增加的尺寸不要超过100mm， 也就是应该Ф250、Ф350、Ф450 这样增大， 一般回扩的钻孔直径为回拖管径的1.2—1.5 倍时， 最后进行清孔完毕， 具备回拖条件。
6.9 回拖管道。孔洞回擴完毕后， 观察两侧工作坑泥浆回流情况、设备仪表台显示的回拖力和扭矩的情况， 判断是否具备回拖条件， 如果泥浆回流不是很理想， 显示拉力和扭矩还比较大， 则需要再次进行清孔， 必要时再扩大钻孔。以便回拖顺利。回拖刚开始时， 不要着急， 应该慢慢拉动管道顺利进入孔洞， 等拉头完全进入孔洞后， 而且孔洞两侧泥浆回流比较好， 拉力在设备能力、管道承拉力范围内， 则可以加快回拖速度。
6.10 焊接两侧PE 法兰。等两侧管道挖出后， 依据直埋管道的高程， 焊接两侧的法兰。再次进行试压试验， 试压严格按照《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》CJJ101－2004 执行。
7 结语
该工程采用非开挖定向钻方法施工，解决了开挖路面影响交通的问题，减少了与其他公用管线的冲突。实践证明，与其他施工方法相比，定向穿越施工方法对环境的影响最小，能提供障碍物下管线覆盖的深度最大，因此对管线的保护作用最大，维修费用最少。由于大多数的工作都在道路的两侧进行，因而不会阻断交通。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。