PE管穿越高速公路的拉管施工

2017-08-07

东北水利水电 2017年7期

关键词：兰山区管件钻机

（临沂市兰山区水利勘测设计院，山东兰山276001）

PE管穿越高速公路的拉管施工

臧德宣

（临沂市兰山区水利勘测设计院，山东兰山276001）

临沂兰山区30万t供水工程的供水管网建设过程中，部分PE管道首次采用拉管的施工方法穿越高速公路，文中对施工过程中的工艺措施进行了详细介绍，经检验证明，施工穿越质量较好，取得了很好的社会、经济、生态效益。

PE管；拉管施工；穿越；高速公路

近年来，PE管由于具有接口稳定可靠、材料抗冲击、抗开裂、耐老化、耐腐蚀等优点被越来越多的用做供水管线，临沂兰山区30万t部分PE供水管网建设过程中首次采用拉管的施工方法穿越高速公路。

1 工程概况

兰山区隶属于山东省临沂市，地处淮河流域，为充分利用区内水资源，彻底解决部分乡镇饮水安全问题，兰山区自15年开始城乡供水管网一体化建设二期工程，此次供水管网建设中部分使用管径D600的PE管这种新型供水管线，在穿越枣临高速公路时采用拉管施工方法，为确保高速公路通行安全，管道穿越深度6m，经地质勘查资料得知，穿越层为淤泥质粉质粘土夹粉土，干强度及韧性低，需要在拉管完成后进行注浆加固处理。

2 拉管拉力计算

2.1 摩阻力

管件在拉进过程钻孔以及管件进洞时与入口处地面必然发生摩擦产生阻力，计算方法：

式中：Fm——摩擦阻力，kN；f——泥浆摩擦系数，一般取0.2～0.6；LS——穿越管材直线段长度，m；W——管道单位长度内受的压力，kN/m；D——穿越管材的管道外径，m；d——穿越管材的管道内径，m；δ——穿越管材的管道壁厚，m；γS——管道材料重度，聚乙烯管取9.41～9.71kN/m3，尼龙管取10kN/m3；γ1——泥浆重度，kN/m3。

2.2 泥浆粘滞力

为了便于拉管在管材和孔壁之间注入泥浆，由于流动的泥浆有一定的粘滞性，对拉管产生粘滞力，计算方法：

式中：Fn——泥浆粘滞力，kN；L——穿越管材总长度，m；K——粘滞系数，一般取0.01～0.1kN/m2。

2.3 弯曲阻力

由于管件的入土段和出土段是成曲度角，管件通过这两段区域时会额外增加拉管的阻力，称之为“弯曲阻力”。计算公式[2]：

式中：Fc——弯曲阻力，kN；Lθ——弯曲段弧长。

2.4 扩孔钻头迎面阻力

在采用非开挖工艺施工过程中孔钻头前面会产生一个迎面阻力，这个力的计算方法如下：

式中：Fy——扩孔钻头迎面阻力；Dk——扩孔钻头外径，一般为管道外径1.1～1.3倍；Ra——迎面土挤压力，在护孔泥浆中粘性土为50～60kN/m2，砂性土为80～100kN/m2。

分析得出的最大非开挖拉管阻力计算模型：

导向轨迹见图1，拖力计算示意图见图2。

图2 拖力计算示意图

3 设备确定

由于拉管水平长180m，总长226m，入土角和出土角均为18°，入土段和出土段长度均为23 m，管径D600，管厚22.3mm，泥浆漏斗粘度18s，失水量14ml。由计算模型（6）算出：D600的FP= 96.40～308.65kN。因此采用最大拉力为320kN的ZT40型钻机可满足施工要求。

图3 工艺流程图

4 工程施工

施工工艺流程图如图3所示。

4.1 放线定位

施工前用水准仪测量出高程，引出水准点并用水泥桩固定，同时用经纬仪等测量器具测量出拉管中心线，并用白灰标识[1]，在中心线上每隔4 m设置一个木桩。

4.2 工作坑开挖

用挖掘机进行工作坑的开挖，由拉管流水面的高程确定工作坑深度，为了便于扩孔作业和坑内干燥，在坑的侧面设泥浆沉淀池,并在池底设泥浆泵随时将多余泥浆抽出坑外。

4.3 钻机就位

将钻机就位位置平整夯实后，进行耐压力试验，结果显示地质较松软，无法承担钻机的工作重量，同时考虑拉管距离较长，拉力比较大，决定在钻机就位位置铺设一层C15厚20cm的混凝土基础，为防钻机作业时重力过大导致基础沉降而发生钻机倾斜事故，在混凝土基础内预留∮20钢筋做为地锚，并将其与钻机焊接牢固。

4.4 钻液的配置

根据地质勘探资料显示，拉管地层为淤泥粉质粘土。结合以往类似地层的施工经验，确定钻液配合比为：75%的水，20%的膨润土，1%的转液宝，考虑到烧碱能增加粘度和静切力，能够更好地改善泥浆性能，再加入2%膨润土重量的烧碱。这样配合比的泥浆具有良好的流动性和悬浮性，为回拖管件时提供较大的环状空间，大大减少回拖阻力；同时也能将钻屑更好地排出孔外，回扩成孔的效果更理想。

4.5 导向钻进

考虑到PE管件在孔内拉动时受重力作用，会发生下沉的施工现象，因此在钻机就位后，为抵消管道自重对拉管高程的影响，将钻机的导向杆调整到稍高于管件中心设计高程的位置，水平钻入土层内。同时在导向钻头内安装发射器，操作人员按照接收器显示的钻进参数进行钻孔轨迹控制，及时进行纠偏，确保按设计轨迹进行钻进。为便于观测钻向轨迹，可以在对管道中心线初步布点后加密布置控制点。

4.6 扩孔及泥浆护壁

扩孔分2次回扩，第一次扩孔到管径1.2倍,扩孔的最终直径宜采用管道外径的1.5倍，这样才能满足拉管需求。由于回拉扩孔铺管长度达226 m，为避免中途泥浆供应量不足导致塌孔的施工问题，而且淤泥粉质土层的泥浆漏失量比较大，钻孔中泥浆不足还会造成钻孔和拖管的摩阻力增大，增加钻孔和拖管的难度，因此在作业过程中使用1号和2号2个泥浆池通过钻机泵送系统进行泥浆的供应，根据返浆情况判断泥浆的供应是否充足，同时将钻孔中返出来的泥浆及时运走，保持坑内干燥和足够的空间进行作业。经实验人员取样检查泥浆的粘度18s，pH值在8～10之间，这样的粘度有利于维护孔壁的稳定，达到泥浆护壁的目的。

4.7 焊接

PE管使用电熔连接机进行焊接，焊接前连接面保持干净无异物，焊接时用支架将电熔连接部位进行固定，连接完成且完全冷却后才可移动管件。

4.8 拉管

管件焊缝完成经无损检查合格后就可进行拉管施工，拉管前用封套将PE管的管头进行密封严密，将回扩头安装在管头后端，利用分动器在管后进行接管。当管件回接到工作井后，将分动器、回扩头、剩余钻杆都取出，将堵头堵死，用拉管机将管道牵引到钻孔内，牵引过程要平稳缓慢，严禁生拉硬拽、用力过大破坏管件。

4.9 注浆加固

管道拉通后,采用孔内注浆的方式进行加固，防止地面发生沉降。拉管前将2根∮25的钢管与PE管连接在一起，拉通PE管的同时将2根钢管一并拉通，随后将钢管与PE管进行分离，将2根长6 m的∮25注浆花管分别连接到2根钢管前面。再将拉管机与钢管相连后，利用拉管机回拽钢管，每回拽6m，将钢管换下换成高压泵，用不低于0.4 MPa的压力注入水泥和粉煤灰比为1∶1的浆液，从而置换触变泥浆来填充钻孔内PE管件外的空隙。如此反复进行，直到2根∮25的钢管完全被回拽出钻孔内，注浆完成。同时，在注浆加固中，要注意如下问题：

1）每次注浆长度不应超过6m，注浆要连续不中断，且每次注浆量要大于泥浆量；

2）为避免花管拖入地面时浆液流出，应用堵头将花管前端堵死；

3）造斜段采用注浆充填密实时选用水玻璃与水泥的混合液，其中水玻璃的掺入量为水泥用量的4%，水泥采用强度等级为32.5的普通硅酸盐水泥，水灰比为0.5，使用0.3MPa注浆压力注入[2]，注入率不得低于15%。