非开挖顶管技术的应用

成晓君

在世界范围内,顶管施工技术发展至今有100余年的历史,在我国也有56年的发展历史了。在最近的30年中,顶管施工技术无论是在施工理论,还是在施工工艺方面,都有了突飞猛进的发展,在我国也不例外,其中有些方面还居于世界领先水平。

顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管线管道施工方法,它不需要开挖面层,并且能够穿越公路、铁路、河川、地面、建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。顶管施工分为非开挖顶管和开挖顶管。

非开挖顶管与开挖顶管相比较具有以下优点:

1)工程质量好,穿越管线能够做到完全满足设计曲线和埋深,不受地下水位变化影响,质量可靠。

2)有利于保护环境,不影响路面的正常通行,没有粉尘污染。3)施工人员相对较少,采用开挖方法进行穿越至少需要10人～20人,而采用管道定向钻穿越技术只需8人,甚至更少。

4)施工占地相对较少,工期相对要短。

5)应用范围比较广泛,不受水流、气候和环境的影响。陆地、海上、市区以及铁路、河流的穿越均可采用。

6)由于成孔孔径仅略大于管径,空隙率仅10%,且为泥浆充填,不会造成上部土层等结构下沉。因此该工艺特别适合于公路、铁路下铺设管线。

非开挖顶管施工方案及工艺措施:

定向钻机的施工工艺:现场勘查复合→钻机设备选取→穿越曲线设计→钻机进场就位→钻导向孔→扩孔→管线回拖→撤场。

1)现场勘查复合。

施工设备进场前,对现场地下管网布置,地质情况进行再复查,确保安全施工。

2)水平定向钻机的工作原理及钻机配套设备选取。

a.水平定向钻机的工作原理是:在施工时,按照设计的钻孔轨迹(一般为弧形),采用水平定向钻机钻一个满足曲率半径的导向孔,待导向钻头在出土端出土后,逐级换上扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的修孔器,然后进行反向扩孔,当孔扩到满足回拖要求时将待铺管线回拉入钻孔内,钻杆被全部拖回,铺管工作也就完成了。

b.钻机设备选取:钻机设备的选取与工程量,地质状况和施工场地大小三方面有关,依据本次红旗街穿越工程现场勘查,本次工程选用FDP-25中型钻机及配套的FJ-5泵站。FDP-25钻机具有优越的钻进性能及机动性,占用施工场地很小,但回拉能力极强,可达到25 t扭矩,达到 1.6万N·m足以满足本次施工需求,钻机施工配套的导向仪器采用美国MarkIV导向仪,控向精度高,抗干扰能力强,适合城市管网中复杂管网的控向任务。主要材料选用供排水集团公司提供的PE600管材。

3)穿越曲线设计。

导向孔的施工过程曲线设计较为重要,一般情况曲线分为以下阶段:入钻时的直线段;曲线段;水平过渡段;曲线段;出钻时的直线段,但直线与曲线的过渡必须是圆弧的切线,否则,穿越容易失败。

曲线设计的最小曲率半径为:Rmin=206×D×S/fp。

其中,Rmin为最小曲率半径,m;206为经验常数,N·m/mm2;D为钢管直径,mm;S为安全系数,1.3 N/mm2～2.1 N/mm2;fp为管材料的极限强度,N/mm2。

根据计算和经验,一般情况最小曲率半径采用Rmin=1 200D～1 500D均能满足材料的强度及施工工艺要求。

4)设备就位、安装、调试。

钻机依照设计轴线进行就位,根据设计要求的入土点、入土角度对钻机进行定位,连接动力系统和泥浆系统,安装完毕后,对设备进行调试,确保设备安全运行。

5)钻导向孔。

a.严格按照设计导向孔轨迹曲线进行操作。

b.钻导向孔的成功与否关键在于如何成功导向的问题,故此在钻导向孔时按照地质构造的不同详细制定出合理的泥浆配比方案,规定在不同的地质情况下选用不同的泥浆配比方案,充分提高泥浆的护壁能力,在造斜段使用的泥浆中增加某种添加剂的含量,降低泥皮的摩擦系数,从而可以防钻具粘卡。

c.为保证预扩孔及回拖工作的顺利进行,钻导向孔时要求每根钻杆的角度改变量不应超过1.5°,连续4根钻杆的累计角度改变量应控制在6°以内。

d.经过施工负责人对轴线及钻机就位情况进行校准,检查无误后方能开始钻进工作。探头装入探头盒,标定、校准后再把导向钻头连接到钻杆上,转动钻杆测试探头发射信号是否正常,回转钻进2 m后方可开始按照设计轨迹进行穿越。

e.导向孔完成后,经施工负责人检查合格后方可进行扩孔。

6)扩孔。

一般情况下,使用中型钻机,直径大于200 mm时,就要进行预扩孔,本工程为PE600管,孔径为 640 mm,根据技术规范,预扩孔为管道直径的1.37倍～1.5倍,才能确保管道顺利回拖。故本工程预扩孔将扩至φ 820 mm,采用FDP-25型导向钻机进行边扩孔边打入泥浆,视旋转压力及回拖压力逐级加大扩孔级别。扩孔前要做好泥浆循环系统的准备工作,保证施工需要。

7)拖管。

a.拖管采用专门的回拖器,同时采用边打泥浆边旋转回拖的方法。

b.扶正器与工作管的连接要牢固,并要求工作管与拉管器的连接要牢固、安全、密封,做到可靠。

c.在管道回拖前,扩孔后孔内有充足泥浆,适量增加润滑剂、护壁剂,以便回拖中起到护壁润滑作用,减少管线回拖中的阻力,降低回拖拉力。

d.经甲方监理确认PE管道焊接合格后,准备拖管。

8)施工完毕后,清理现场并撤出施工设备。

非开挖顶管技术的应用,解决了很多管线施工的难题,大量节约资金,促进了城市建设进程。非开挖顶管施工越来越受欢迎,它将会迅速地普及开来。

[1] 王 争.非开挖顶进施工技术探析[J].山西建筑,2008,34(11):179-180.