非开挖技术在水库坝下输水涵管重建中的应用

罗林峰 潘明杰 刘 莹

(1.浙江省水利科技推广与发展中心， 浙江 杭州 310012；2.浙江省钱塘江管理局勘测设计院， 浙江 杭州 310016)

非开挖技术在水库坝下输水涵管重建中的应用

罗林峰1潘明杰1刘 莹2

(1.浙江省水利科技推广与发展中心， 浙江 杭州 310012；2.浙江省钱塘江管理局勘测设计院， 浙江 杭州 310016)

非开挖水平定向钻进技术作为穿越地面及障碍物新技术，是利用水平定向钻机以可控钻进轨迹的方式，在不同地层和深度进行钻进并通过定位仪导向抵达设计位置而铺设地下管线的施工方法。该技术应用于水库除险加固项目输水涵管重建工程时，克服了采用布置虹吸管受工作水头影响较大和爆破开挖输水隧洞带来的安全与进度难题，具有施工进度快、施工安全有保障、不影响坝体安全、建后管理更方便等优势，目前在我省已经得到了逐步的应用。

非开挖技术；水库大坝；输水涵管；重建

1 前 言

浙江地处东南沿海，现有大中型水库143座，小型水库3410座，分布在丘陵、山区的10万m3以下的山塘小水库更是成千上万。从近几年水库大坝安全鉴定结果看，水库主要存在渗流安全、结构安全、溢洪道安全、输水建筑物安全、防洪安全、管理设施不完善及其他安全问题。其中输水建筑物存在问题主要包括：坝内涵管损坏漏水；建筑材料较差，坝中涵管多以砖石、浆砌石方涵以及陶瓦涵管为主。根据《浙江省山塘综合整治技术导则》的规定：“土石坝坝下涵管原则上废除，废除后根据实际情况可采取设置倒虹吸管、开挖隧洞或在坝头基岩中明挖设置埋入式的钢筋混凝土涵管方式”。目前水库除险加固项目输水涵管重建中，主要采用布置虹吸管或开挖输水隧洞的方式。虹吸管受工作水头影响，主要在坝高10m以下的水库山塘中应用；开挖输水隧洞的方式，受工程用炸药量的限制及施工安全等影响，该方法的使用者也越来越少。非开挖水平定向技术作为穿越地面及障碍物铺设管道新技术，受到了水利工作者关注，并逐步引入应用于水库坝下涵管重建中。

2 非开挖水平定向钻进技术简介

非开挖水平定向钻进技术，是利用水平定向钻机以可控钻进轨迹的方式，在不同地层和深度进行钻进并通过定位仪导向抵达设计位置而铺设地下管线的施工技术。目前在电讯、自来水、污水、燃气、电力和热力等管线铺设中都有广泛的应用。该技术系在地表(除两头工作坑之外)不开挖的情况下即可铺设多种地下管线的施工方法，社会经济效益显著，尤其在不具备开挖条件的地区铺设管线时，如：穿越道路、河流、铁路、建筑物等，定向钻进铺管技术更能显示出优越性和科学性。

非开挖水平定向钻进技术，应用于水库坝下涵管重建时，可以在不开挖坝体的情况下，钻头和钻杆通过导航仪的引导，穿越坝基岩层先形成一个导向孔，随后在钻杆柱端部换接大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待铺设管线，在回拉扩孔的同时，将待铺设的管道拉入钻孔，完成铺管作业，再在输水管与孔壁之间充填混凝土砂浆防渗，最后形成新的输水隧洞。非开挖水平定向钻进技术适合铺设直径1.0m以内的PE管、钢管，满足水库对不同输水量管径的要求。非开挖水平定向钻进技术与常见水库重建输水涵管技术优劣比较见表1。

表1 非开挖水平定向钻进技术与常见水库重建输水涵管技术比较

3 施工工艺

非开挖水平定向钻进管线施工时，首先用导向钻具钻进小口径的导向孔，然后用回扩钻头将钻孔扩大至所需的口径，最后将生产管拉入孔内，完成管线穿越工作。应用于水库坝下涵管重建时，结合水利工程特点，总结为以下8步施工工艺。

a.钻进线路设计。水库坝下涵管长度较短，一般在120m以下，依照地质勘查资料，初步拟定设计线路。采用全站仪测定进出口平面位置和高差，依据洞轴线长度和高差计算钻孔纵坡，确定钻孔偏角，根据纵坡和偏角调整钻杆入岩角度，便可完成较为精确的钻进线路设计。

b.作业平台开挖。施工平台开挖应考虑机械设备正常运行、方便交通、孔洞轴线方向及孔洞纵向坡降等因素。作业平台设置在距离洞口6～10m位置，宽度2.5～5m，长5～8m的操作平台，主要依据非开挖设备的尺寸设置，平台高程略低于孔洞进口约0.2～0.3m。

c.设备进场就位。完成施工进场道路修建及作业平台开挖后，履带式的非开挖钻机可自主驶入作业场地。根据穿越的地质情况，选择合适的钻头和泥浆马达，待钻头就位后，依据设计好的钻进线路，调整钻头位置，将钻头定位在设计钻进线路的入土点。

d.导向孔钻进。钻进施工过程在导向仪的指引下，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。定向钻的方向控制系指方向测定、造斜和纠偏，通过导向设备使钻头按特定的方向前进，形成一条曲线，并通过有线或无线的方式传到显示仪上，如果与设定的坐标不符，说明钻头偏离了设计方向，需进行纠偏，如与既定坐标一致说明钻头按设计方向前进，直到钻头在预定位置出土完成整个导向孔的钻孔作业。

e.扩孔。导向孔挖掘完成后，在出口将岩石扩孔器连接在钻杆上，分级扩孔，相邻两级扩孔器的尺寸级差控制在80～120mm，具体施工可根据洞径的大小或地层复杂情况分次回扩，直至达到设计要求。

f.回拖输水管线。钻孔回扩完成后将输水管道连接在钻杆上，利用钻机回拉。由于扩好的孔中充有泥浆，输水管线管壁四周与孔洞之间有泥浆润滑，减少了回拖阻力，最终成孔直径一般比管线直径大100mm，便于将管道拖入已扩钻孔内。为避免回拖过程中孔内落石、掉渣等情况，要求管线预先连接，避免边连边铺，确保连接质量和铺管的顺利完成。

g.灌浆防渗处理。铺管完成后，应对管壁与岩石接触的缝隙进行灌浆，浆液以水泥浆为主，首先对进出口两端进行封堵并预埋灌浆管，然后水泥浆在一定压力下经灌浆管，灌入输水管道与岩石孔直径的缝隙内，完成防渗处理。

h.进出口处理。防渗处理完成后，安装进出口设施，主要为进口闸阀、出口渠道等设施的修建。

4 注意事项

非开挖水平定向钻进技术应用于水库坝下输水涵管重建，区别于通常土层非开挖铺管的应用，有其特殊的注意事项。

a.设计线路岩石地层尽可能单一，若设计线路地层出现褶皱、断层、裂隙、层间角度不整合等地质构造，地层情况复杂多变，将给水平定向钻进造成许多困难，容易出现钻孔用膨润土漏失，降低钻进功效。

b.不同的岩石硬度选择不同的钻头，一般认为抗压强度达到60MPa以上的岩石属于坚硬岩石，施工过程中需使用硬质合金镶齿牙轮钻头；对于微风化且石英质含量较高的砂岩层，可以考虑使用金刚石钻头。

c.钻进泥浆要求，泥浆是水平定向钻进的“血液”，具有十分重要的地位。泥浆在岩石隧洞工程的功能是携带钻屑、冷却钻头、喷射钻进、回扩和拖管时润滑管道等。泥浆一般由水、膨润土及泥浆添加剂等配成，应具有适当的粘度和流动性，携带钻屑能力要强，使钻屑在孔底呈悬浮状态，通过泥浆的流动使钻屑能够顺利返出地面。

d.做好施工导流措施，水平定向钻进导向孔施工一般只需2～3天，但扩孔阶段往往占据工期的绝大部分时间。集雨面积大的水库因降雨导致库水位猛涨，影响扩孔，威胁钻孔机械安全，需做好充足的导流预案，利用水库原有防水设施，配备足够的排水设备。

5 实例应用

该技术自2013年开始应用于浙江省水库除险加固项目以来，已在数十座水库、山塘坝下输水涵管重建中得到了应用，特别是在浙江省江山市、磐安县等县(市、区)的大量应用，积累了许多应用经验，部分水库应用实例见表2。

表2 非开挖水平定向钻进技术应用

6 结 语

非开挖水平定向钻进技术在市政、电力、油气等领域的管线铺设中已经得到了广泛的应用，引入到水利工程水库坝下输水涵管重建中，提出了更高的技术要求；该技术应用于水库坝下输水涵管重建时，要求能够在短距离、正角度的条件下，开展岩体内定向钻进。该技术克服了采用布置虹吸管重建输水涵管受工作水头影响较大、爆破开挖输水隧洞带来的安全与进度难题，具有施工进度快、施工安全有保障、不影响坝体安全、建后管理更方便等优势。通过多座水库除险加固项目的实施，目前该技术在我省已经得到了逐步的应用，收到了广大水利工作者的欢迎。

[1] 范连志，张小会.小型水库放水涵管常见的病险问题及加固处理措施[J].水利建设与管理，2011(9):72-73.

[2] 朱雪坤,刘孔英.虹吸管在小型水库除险加固工程中的应用[J].水利建设与管理，2007(11):64-65.

[3] DBJ 13—102—2008水平定向钻进管线铺设工程技术规程[S].

Application of trenchless technology in water diversion pipeline and culvert reconstruction under reservoir dam

LUO Linfeng1,PAN Mingjie1,LIU Ying2

(1.ZhejiangWaterConservancyScienceandTechnologyPromotionandDevelopmentCenter,Hangzhou310012,China;2.ZhejiangQiantangjiangAdministrationSurveyandDesignInstitute,Hangzhou310016,China)

Trenchless horizontal directional drilling technology is regarded as a new technology of penetrating through the ground and obstacles.It utilizes horizontal directional drill to drill at the mode of controlling drilling trajectory at different strata and depths.Design position is reached through being guided by locator,thereby paving underground pipeline.When the technology is applied to reservoir risk removal reinforcement project water diversion pipeline and culvert reconstruction work,difficulties such as greater influence of working water head on the layout of siphon pipe as well as safety and progress difficulties due to blasting and excavation of water diversion tunnel are overcomed.It has the advantages of fast construction progress,secured construction safety,no influence on dam safety,more convenient management after construction,etc.The technology has been gradually applied in our province.

trenchless technology;reservoir dam;water diversion culvert and pipeline;reconstruction

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2015.09.003

TV67

B

1005-4774(2015)09-0008-03