农村饮水工程输水管道穿越高速公路施工设计

2018-06-27王燕东

东北水利水电 2018年6期

王燕东

（五家渠农六师勘测设计研究有限责任公司，新疆五家渠 831300）

近年来，新疆农村随着发展的转型期，群众生活水平的提高，对饮水工程提出了更高、更全面的需求。目前，新疆奇台部分供水管网多建于20世纪80—90年代，受当时资金、技术条件及工程建设管理水平等方面的限制，工程设计标准低，供水预测规模偏小，供水技术和工艺设备陈旧、落后，工程在运行多年后出现种种安全隐患，诸如供水管道材质差，供水设施不配套等，亟需实施农村饮水安全工程建设。

1 工程概况

奇台县位于新疆自治区东北部，全县总面积1.67万km2（其中南部山地面积占8.3%，中部平原面积25.6%，北部沙漠面积66.1%），其中中部平原区为耕地集中区，共有耕地约10.47万hm2。此次饮水工程设计计划解决饮水人口2.387 5万人，水源性质为地表水、泉水，项目水源地为奇台农场上游的一万泉及开垦河水源地。项目建设内容包括新建水厂2座，新建清水池1座，减压池9座，阀井1 223座，厂房360 m2，建供水管网52.269 km，配套输配水管道配件及附属建筑物，总投资估算8 278.98万元。其中，工程管网部分设计主要为一万泉水源、开垦河水源至水厂输水管，中途需要穿过大奇高速（G335），工期12个月。建成后，将成为昌吉市境内规模最大、距离最长的输水管道工程，输水工程设计采用单管方案，管材为球墨铸铁管。

2 输水管道穿越高速公路设计和施工分析

该输水管道工程末段DN1 000段全长约26 km，中途需穿过大奇高速（G335，大黄山至奇台），大奇高速设计标准为双向六车道，路基宽34.5 m。输水管道穿过公路的常见应对方案及优缺点见表1[1]。

表1 输水管道穿过公路的常见应对方案及优缺点

通过地质勘察，项目段路基土为均质粘土和沙土层，可以顺利应用顶管法或定向钻法。项目需要穿越长度约75 m，两种方法可靠性都较好：顶管法造价较低（约64万元），工期较长（13 d）；定向钻法造价高（约100万元），工期较短（5 d），且施工质量相对较好。经专家组讨论研究，最终确定定向钻作为穿越公路的施工方案。

3 定向钻设计和施工要点分析

定向钻施工工序主要包括：导向管钻进→扩孔施工→输水管回拖[2]，下面针对前两个重点工序进行详细说明。

3.1 导向管钻进

3.1.1 设计

1）覆土层和入（出）土角度设计

根据工程要求、地质条件及相关规范，定向钻技术上覆层厚度具体要求[3]：一般地层不小于10倍管径；河床不小于设计不冲刷线以下6 m；公路不小于路基受力层以下1.5 m。经地质勘探，设计该项目穿越公路上覆层厚度为10.5 m。

定向钻起终点可以是地面穿越式，也可以是坑内式，其中地面穿越式一般设计入土角度为8°～18 °，出土角为4 °～12 °[4]。采用坑内式的穿越管道直接水平（接近0°）就可敷设。考虑到此项目穿越管道长度、管段埋深等条件，确定采用地面穿越式定向钻法，设计入土角度为15°，出土角度为6°。

2）曲率半径的确定

定向钻管道一般采用弹性敷设形式，如果设计的曲率半径合适，会很好地保护防腐涂层，也会保证管道有足够强度安全余量。地面穿越式定向钻最小曲率半径R可按照公式（1）计算[5]，根据理论计算并结合其他工程经验，设计最小曲率半径不小于管道外径的1 500倍。

式中：D——管道外径，m；S——安全系数，取值1.5；K——管道屈服极限。

3）各段长度设计

地面穿越式定向钻由3段组成：第一弧段L1、中间直线段L2、第二弧段L3，见图1。各段长度直接影响着工程量、工期和成本，是施工设计重点。其中要求直线段长度L2≥10 m，结合项目实际情况，设计为35 m，两弧段长度计算公式[6]。

式中：h——管道铺设深度，m；R1——第一弧段曲率半径，m；R1——第二弧段曲率半径，m。

经计算，第一弧段长度28 m，第二弧段长度33 m。

3.1.2 导向管钻进施工要点分析

图1 穿越管道各段示意图

导向管钻进是定向钻施工的关键步骤，其施工原则为“软不加、硬要减、交界面要划眼”，即：遇到软地层不得加快速度或加大压力，遇到硬地层要减小钻头压力，遇到软硬地层交界面或井径变化面要做好记录[7]。其施工要点有如下几个：

1）排除附近电磁干扰，保证标定信号的稳定，可适当增加测定频率，当钻头在出土侧上抬时，可利用套筒作向导，有利于解决过渡抬头较难问题；

2）为防止钻孔出现“S”形，要求将钻杆角度改变控制在0.1°～0.2°，水平纠偏的变化范围不得超过0.3 m，若单根钻杆改变角度过大则需及时抽回并重新钻进；

3）导向孔钻进时要实时检查泥浆成分，当地质条件发生改变时，需及时对泥浆配比进行调整。

3.2 扩孔

1）扩孔器选择

定向钻扩孔器常用类型：飞旋式、板式、桶式。各类扩孔器的特点及适用条件如表2所示[8]。结合项目实际情况，设计采用飞旋式扩孔器施工。

表2 各类扩孔器特点及适用条件

2）施工参数设计

扩孔采用多次成型，具体扩孔次数无明确规定，要求逐级扩大，直至达到设计要求。对最小扩孔直径有如下要求：①当管道直径d≤220 mm，最小扩孔直径D=d+100 mm；②220＜d≤610 mm，D=1.5d；③当d＞610 mm，D=d+300 mm。项目管径d=1 000 mm，所以最小扩孔直径D=1 300 mm。

3）泥浆配比要点

泥浆参数直接决定了定向钻施工质量，项目要往泥浆中加入适量碱粉，要求pH在8～10之间，但不得用烧碱。为保证泥浆性能，建议采用灌装存储泥浆。当钻进中出现泥浆失水情况，可适当加入改性淀粉。为防止泥浆泄漏，可在施工中遵循“两高一适当”泥浆方案，即高粘度、高土含、适当浓度封堵材料，可阻止泥浆大量钻入土层裂隙中。