球墨鑄鐵管水平定向鉆技術在供水工程中的應用

陳登旭CHEN Deng-xu

（合肥供水集團有限公司，合肥 230000）

0 引言

城市供水工程與居民的日常生活緊密相連。隨著城市化的持續發展和加速，這一關系變得更加重要，人們對供水需求也在日益提升，建設市政供水工程的力度也不斷加大。傳統的明挖施工在實際施工過程中會對城市的正常運行造成影響，并且在復雜的地下管網環境下，施工質量控制難度大。此外，國家還規定新建道路5 年內不允許開挖，改造道路3 年內不許開挖且施工過程中還需要進行交通管制，給城市交通帶來不便。為了解決這些問題，水平定向鉆施工技術被引入。水平定向鉆施工技術的引入有效地避免了對周邊環境和交通的影響。通過水平定向鉆進，施工可以在不破壞地面和地下管道的情況下進行，避免了對城市正常運行的干擾。

1 水平定向鉆施工技術概述

水平定向鉆施工技術是在不具備開挖溝槽條件下，采用管道形成弧線實現地下穿越，用以鋪設流體輸送的管道的施工方式[1]。水平定向鉆施工技術在城鎮供水工程中具有高度實用性，并相比傳統的明挖施工方法具有明顯的應用價值。

1.1 加快施工進度

市政供水管道施工中常常需要在城市道路上進行施工，經常會面臨在現有道路上進行施工的困難，一方面需要對現狀道路進行明挖，然后方可施工，造成交通擁堵，施工效率低。另一方面施工可能會遇到相關拆遷問題，導致施工無法繼續進行。水平定向鉆施工技術占地面積小，施工受外界條件約束低，提高了施工效率，縮短了整體施工周期。

1.2 對周邊居民影響小

市政供水工程通常位于人口稠密且交通繁忙的城市地帶。傳統的建設方式是使用圍擋進行開放式挖掘，這種方法在施工過程中可能會對周邊擾動大、影響周邊居民生活。然而，采用水平定向鉆技術可以有效地避免這些問題。這種技術主要在地下進行施工，對地上的構筑物和地方的交通的干擾小，施工環境相對較為封閉，施工過程中消音、占地面積少，不采取“拉鏈式”施工，有利于揚塵治理，所以對周邊環境和城市居民影響小。

1.3 適用范圍廣

水平定向鉆施工在人口密度較大的城市、穿越河流區域、植被綠化保護區域、交通流量大的區域較傳統施工方法具有更大的適用性[2]。在繁華都市，水平定向鉆施工場地選擇靈活、便捷，占地少，施工成本低，對附近的管線和環境造成的影響都很小，城市交通可正常運行。在河流、特殊植被保護區域，水平定向鉆施工區域小、植被破壞率低，適應性強，能繞開地下障礙物進行施工，最大程度保留原有的地勢、地貌。尤其應用于長距離輸送管道上。此外，水平定向鉆施工技術在交通流量大的繁華都市中也更加適用。相較明挖等傳統施工模式，可降低對現狀道路的影響，確保道路的正常通行，施工附近噪音小，不影響周邊居民生活。最后，該技術往長距離、大口徑方向發展，被認為未來最有發展潛力的管網施工技術。

2 工程概況

文章選取項目為廬州大道DN600 供水管道過十五里河采用定向鉆施工，長約290m。該給水管位于廬州大道與十五里河交口東側，給水管位于廬州大道與十五里河交口東側，給水管管材選取一根DN600 自錨式球墨鑄鐵管，壁厚等級為K9 級，管道外徑為De635mm，承口外徑D1738mm，最大偏轉角度2°，最小曲率半徑169m，最大允許拖拉力1140kN。單支管道有效長度為5.9m，執行標準為GB/T 13295。管道水壓試驗標準壓力為0.8MPa，外防腐涂層為金屬鋅+200um 灰色環氧樹脂涂層，內襯采用符合GB/T 17457 要求的普通硅酸鹽水泥砂漿內襯，本次回拉力設計值：360kN（參考值）。

在球管各個承口部分采取以下兩種防護措施。一是增設熱縮套，二是金屬套保護裝置。主要作用是防止泥漿進入接口間隙，影響管道水壓試驗。另球墨鑄鐵管外防腐層應滿足設計文件的技術要求。通過調查和物探單位探測，位于十五里河北側有一道DN1600 污水管，管底標高10.33m。管道入土點坐標X：3515673.127，Y：528071.778；管道出土點坐標X：3515386.412，Y：528071.791，穿越管道中心線埋深為14.59m，水平段總長度76.67m，曲線段總長度211.61m，穿越入土角為12°，出土角為12°。主要穿越地層為素填土、黏土，適合選用球墨鑄鐵管。具體的地質勘察報告見表1。

表1 擬建場地地質分布

表2 軌跡計算條件

表3 軌跡計算結果

3 供水工程中水平定向鉆穿越技術施工要點

3.1 軌跡設計

先導孔軌跡設計中非常重要的一個環節就是確定各項軌跡參數，典型的先導孔軌跡設計見先導孔軌跡中各參數計算見公式計算先導孔軌跡參數[3]。

圖1 定向鉆穿越示意圖

TA：A 點處所承受的回拖力（kN）；

TB：B 點處所承受的回拖力（kN）；

TC：C 點處所承受的回拖力（kN）；

TD：D 點處所承受的回拖力（kN）；

Th：泥漿對管道穿越的阻力（kN）；

q：鉆孔內泥漿壓力，一般取5～10（kN/m2）；

P0：單位管道重量（kN）；

Pf：泥漿產生的浮力（kN）；

L1：穿越管道的附加長度（m）；

L2：A 到點B 的水平距離（m）；

L3：B 到點C 的水平長度（m）；

L4：C 到點D 的水平距離（m）；

H1：入土端的最大埋深（m）；

H2：管道出土端深度（m）；

μa：球管與地表面的摩擦系數，一般取值0.15～0.20；

μb：球管與孔壁之間的摩擦系數，一般取值0.20～0.30；

α：管道入土角（rad）；

β：管道出土角（rad）。

3.2 先導孔鉆進

近年來，水平定向鉆技術逐漸加入導向儀，此項技術的加入大大提高了鉆機的工作效率，進一步保證工程的順利完成。在鉆機準備工作完成后，不僅要檢查鉆機是否有問題，還要按要求進行試鉆，確保鉆機可正常工作。鉆機安裝結束后進行導向孔施工，對施工區域的地質進行分析，將控向、泥漿和司鉆的每個環節都落實到位，并分析各項參數以確保鉆出的導向孔符合施工方案，在實際鉆孔時，還要參照穿越曲線以及設計曲線，保證鉆孔過程中方向控制的準確，具體來說導向孔施工期間，將建立穿越曲線數據庫，采集每個數據采集點的，傾角、方位角、水平距離、高差、左右偏差值等控向數據。該工程導向孔施工采用月蝕導向系統實時跟蹤與定位，保證數據準確性。（圖2）

圖2 導向孔施工

圖4 接口防護

3.3 回拉擴孔

在導向孔施工完成后，進行管道安裝，但為最大程度上確保管道可順利安裝，需要進行擴孔工作，通常擴孔直徑要比導向孔直徑大1.5 倍，同時擴孔還應根據實際導向孔的大小、施工區域的地質特征以及鋪設管道的直徑大小來進行多次擴孔，為保證施工的質量，擴孔器應根據地質來進行選擇，從而符合施工方案。該工程穿越最終成孔直徑應選取900mm，通過對現場地質分析綜合考量來看，最終擴孔要達到900mm。當鉆頭到達指定出土位置后，將鉆具拆掉安裝上擴孔器，并在孔洞內噴上泥漿，隨后進行擴孔施工。

3.4 管道安裝

首先對管道承口進行清潔處理，將其所有的附著物，如泥土、砂石等全部鏟除，再進行橡膠圈的清潔、然后將膠圈裝入承口槽內[4]。其次分別對球管承口膠圈內表面、插口外表面涂刷潤滑劑，最后將管道插口推入承口、完成管道安裝。安裝過程必須報驗，經監理單位核查無誤后，方可進入下一道工序。

3.5 接口防護

承口部分按照設計要求進行防護，主要采取兩種措施，一是增設熱縮套，二是采用金屬套保護裝置，避免管道在拖動過程中，泥漿進入接口間隙，減少拖動阻力。

3.6 回拖前試壓試驗

供水管道在安裝完畢后，必須進行水壓試驗驗收，因此在回拉鋪管前，應在地面進行管道預試壓驗收，檢查管道連接處是否存在漏水現象，確保接口安裝質量，具體操作步驟如下：在管道首尾部安裝球法蘭，連接好打壓裝置及壓力表，在管道充滿水后，根據驗收標準進行試壓驗收。

3.7 回拖鋪管

管道的回拖工作是通過管道與鉆孔相連接，將管道從一端回拖至另一端[5]。一般情況下在管道下溝前先放入一些水，目的是使得管道受到阻力大大減小，從而降低回拖力同時對管道的防腐層進行保護，因此在放入管道前，要派專業的人員對管道進行檢查，以此來保證管道是否合格。管道的回拖工作具體是在鉆桿上裝好擴孔器，擴孔器再與管道頭相連，以此來保證管道的回拖工作可正常進行。若水不能起到減小阻力的作用時，那么需要加入適當的潤滑劑來保證管道可順利穿過鉆孔。另外在回拖的過程中還會產生一部分的泥漿，這些泥漿也要進行專門的處理，以保證不會對周圍的環境造成破環。管道在出土時，為了保證回拖順利進行，避免出現管道在地下回拖時候出現拖不動的狀況，一定要控制好出土的角度以及方向。（圖5）

圖5 管道回拖施工

3.8 消毒沖洗

管道回拖完畢后，及時對管道進行消毒沖洗，清潔沖洗至出水口水樣濁度小于3NTU 為止。此項指標現場實時檢測，合格后停止沖洗，清潔沖洗合格后，施工單位按審批后的方案投加次氯酸鈉消毒液，浸泡24 小時后，隨即進行管道消毒沖洗，管道消毒沖洗的合格標準是濁度小于1NTU。

4 總結

球墨鑄鐵管繼承了灰口鑄鐵的耐腐蝕性性能，機械性能指標與碳鋼管管相當，另外還具備強度高、抗內外壓能力等特點。球墨鑄鐵管在水平定向鉆技術上使用，是供水管道施工的一種新的嘗試。在本工程施工過程中，不僅不會對周圍環境造成影響，而且具有良好的經濟效益，另球墨鑄鐵管具備耐腐蝕性，抗內外壓力強度高等特點，使用壽命周期長，施工又快捷，為大口徑供水管道水平定向鉆技術做出了成功示范?？偠灾?，球墨鑄鐵管水平定向鉆在供水工程中的應用既能節省施工成本，又能提高施工效率，在實際施工中具有很強的應用性。