非开挖技术在水利工程中的应用

吴伙平

摘 要：金山区朱泾镇2017年都市现代农业示范项目农田水利配套工程有工期短、任务重，施工强度大的特点。为保证在倒虹吸施工过程中不影响现有河流的正常运行，且定向钻穿越河道时覆盖层薄，为保证该方案的可行性，在施工前进行了非开挖技术施工方案的技术研讨，为后续的实施保驾护航。

关键词：非开挖;定向钻;水利工程

一、工程概况

1、工程概况

金山区朱泾镇2017年都市现代农业示范项目农田水利配套工程主要位于上海市金山区朱泾镇五龙村内，东至石臼浦地带，西至惠高泾地带，北至新泾河地带。

本工程施工内容包括：新建灌溉泵站4座、灌溉管道15799米、衬砌明沟19101米、倒虹吸5座、阀门井84座、过路管27座、混凝土道路15749平方米，平整土地2391亩，以及配套给水栓、排水口等。

2、地质条件

根据地勘报告，工程地质为滨海平原地貌类型，滨海平原地貌区地层分布相对稳定。现场勘察深度（最大孔深为35.0m）范围内揭露的地基土为第四纪全新世和晚更新世Q43～Q32的沉积层，主要由回填土、粉质土、淤泥质粉土、粘性土等组成。根据地勘报告结果表明，场地判定为不液化场地，可不考虑地基土的液化影响。

工程环境为Ⅲ类环境，场地内地下水及地表水对混凝土基础具有轻微腐蚀性，在长期浸泡环境条件下，地下水及地表水对钢筋混凝土中的钢筋有微腐蚀性。在干湿交替环境条件下，地下水和地表水对钢筋混凝土中的钢筋有微腐蚀性;地下水及地表水对钢结构有弱腐蚀性。地基土对混凝土有微腐蚀性。

二、倒虹吸施工属性

根据设计要求，本次施工倒虹吸5座，管道为PE材质管道，管道直径φ750，施工长度为：21.1+河底宽（详见下表）。其施工主要工程量如下：

定向钻施工典型断面图

三、施工方法

1、施工设备

DX730型水平定向钻机、配套钻杆、200kw型发电机、35KW型泥浆泵、水罐车、硼润土。

2、穿越施工流程

测量放样→确定钻机位置→现场钻机调试→导向孔施工→扩孔施工→洗孔施工→管线回拖作业→场地清理。

3、测量放样

按照交桩成果报告，项目部测量员进行交桩成果的复核，在满足测量规范后上报复核测量成果。根据施工图纸管线特征控制坐标输入设备中，保证钻机入土点和出土点的中心线一致。

4、定向钻施工

（1）钻机及配套设备就位

入土点确定后，钻孔钻机安放在需穿越的中心线位置，进行钻机的调试工作。在调试结束后进行体统的连接和钻机的试运转。确保准确无误后进行钻进工作。

（2）测量控向参数

根据施工管线的特性和钻机的操作规程，进行轴线位置坐标的核对，检查轴线是否一致。同时在轴线特征点位置加密测点，每个特征点不少于4个控制坐标，在直线段可不进行加密控制测点。施工过程中及时做好施工记录，将实测坐标与控制坐标作有效对比，取两者有效的平均值作控制值，入土时钻进角度为12度。能满足成型的轴线符合设计要求。

在正式施工前，结合地勘报告做好地下物的探摸工作，确保在穿越轴线位置无地下障碍物，如轴线位置存在障碍物且不能完成清障工作，将及时与设计单位沟通商讨变更方案。

（3）泥浆添加剂用量计算

估算公式：V=（π/4）×D2×L×系数;

T= t×V

符号说明：

V：需用泥浆体积也相当于全部穿越工程中需用的水量，单位：m3;

D：扩孔直径，单位：m;

L：从入土点到出土点的穿越长度（米），系数：1～5（根据土质、管径、长度、回扩次数等选用）

T：添加剂总用量，单位：kg;

T：每立方米水中加入的泥浆添加剂参考用量，单位：kg;

1）扩孔用水量：V1=0.4252×π/4×23.3×3=23.33m3

2）清孔用水量：V2= V1×0.5=11.67m3

3）膨润土：40×（V1+V2）=1400Kg;每立方水添加40 Kg膨润土

4）化学泥浆：2×（V1+V2）=70 Kg;每立方水添加2 Kg高分子聚合物

（4）泥浆配制

由于穿越经过地层主要是河床底部。施工过程中对泥浆的配比要求非常高，为避免钻进过程中因泥浆的配比不能满足施工要求而造成的施工质量事故。为此在施工过程中将采取如下施工措施：

1）施工过程中所需的用水量全部采用就近的市政管网中的自来水，施工现场设置储水池，制浆过程中的用水从储水池中直接取用，在施工前委托检测单位对水质进行检测，达到标准后进行使用，保证施工用水的安全。

2）泥浆的配置按照试验时确定的配比进行制浆，在施工现场安装泥浆配合比单告示牌。根据不同的地质状况，调整膨润土和添加剂的参量，保证配置的泥浆适合现场的不同地质的要求。

3）为避免因膨润土水化时间不足导致泥浆的性能不能满足实验室配合比的要求，为此在施工现场增加膨润土水化装置。在泥浆配置完成后泥浆输入泥浆的储存箱，用于后续的施工中。

4）为保证泥浆不外流，不污染周边的环境，在钻进的施工现场和管线的拼接组装现场各设置若干个泥浆回收箱。废弃的泥浆全部输送至泥浆回收箱，根据现场的实际情况经过泥浆回收系统进行再次的利用，施工完成后泥浆按照处置要求进行集中的处置排放。

（5）鉆机试钻

钻机开钻前，做好设备的安装和调试工作，保证在施工过程中正常运转。第一根钻杆和钻头安装结束后，按照施工图纸和有关的施工验收规范进行验收，验收合格后进行第一次的试钻工作。在试钻过程中检查设备是否正常运转，检查无误后即可正常的钻进工作。

（6）钻导向孔

在钻进过程中实时关注设备的运行情况，如发生异常及时进行分析，选择适宜的钻头和导向板或者地下泥浆马达。开启泥浆泵，在钻头的带动下进行钻头的润滑，不断的切削地层，从而不断的钻进前行。在钻杆完成一个工作行程后，及时测量钻头位置防止出现偏差过大，如偏差超过施工规范采取必要的纠偏措施。如此重复工作，直至钻头出现在预定的出土位置，完成整个导向孔的施工作业。

导向孔施工完成后，更换钻头进行扩孔和管道的回拖工作。钻机控向设备引用英国公司生产的MGS定向系统。在施工过程中未防止导向孔与设计轴线发生偏移，在必要的时候可采用人工磁场，保证轴线精度满足设计要求。

（7）预扩孔

本工程管线直径750mm，在回拖管线进行预扩孔施工，预扩孔直径为950mm。

在管線回拖时，将扩孔器、回拖活节和PE管线连接牢固。在开始回拖工作时，钻机转盘带动钻杆旋转后退，边扩孔边回拖。管线在活结的连接下，不随钻杆旋转。管线四周的泥浆的包裹下处于悬浮状态。泥浆在旋转过程中起到润滑、扇热和减小回拖阻力，同时又能有效保护管线的防腐层

回拖管线时，先将扩孔工具和管线连接好，然后，开始回拖作业，并由钻机转盘带动钻杆旋转后退，进行扩孔回拖，产品管线在回拖过程中是不旋转的，由于扩好的孔中充满泥浆，所以产品管线在扩好的孔中是处于悬浮状态，管壁四周与孔洞之间由泥浆润滑，同时又很好地保护了管线的保护层。

（8）回拖管线。

进入回拖阶段后，一次连接好回拖设备和管线。启动回拖作业后因连续进行，避免因停工造成的回拖阻力过大。在施工过程中为防止保护管线的防腐层受到破坏，将采取必要的以下措施：

1）管线回拖，在施工现场开挖沟底宽1.5m，深度1.5m，注水深度1.0米的发送沟。在开挖过程中计算好坡度，确保管线平缓进入。

2）回拖过程中采用润滑性较好的泥浆，既能起到泥土与管线的润滑作用，减小回拖阻力，同时将钻头摩擦产生的热量通过泥浆散发。保护了管线保护层的同时又增加了钻头工作的稳定性。

四、非开挖施工成果

经过一系列的精心组织施工，合理安排施工机械和人员，我标段按照合同节点提前2天完成倒虹吸施工任务。用目前已非常成熟的施工工艺，避免了常规明挖施工需断流施工和土方处置的缺点，同时现场文明施工对周边的影响降至最低。快速高效完成5座倒虹吸施工，在最短的时间内改善周边农业生产用水，得到了上级单位和群众的一致好评。

五、结语

非开挖施工技术在水利工程中应用实例偏少，但在市政工程中该施工技术已非常成熟。在施工工况改变的情况下，施工前认真进行技术研讨分析，本工程倒虹吸的顺利实施，为水利工程穿越土层薄、含水率大的非开挖技术的提供了一个成功的参考案例。