非开挖拉管在污水管道工程中的应用
2020-11-21陆帅君
陆帅君
福建省水利水电工程局有限公司(362000)
1 工程概况
科院路辅道和慢行系统(非机动和人行道铺装)市政化改造项目位于石井镇中心区域,为南北向主干道。道路起点位于现状科院南路(省道S201南侧约 800 m),向北依次与省道 S201、贤林大道、城市联盟高速及横一路相交,终点与现状院小路衔接(桩号 K3+654.54)路线全长约 3.65 km。
工程主要建设内容包括道路范围内的道路工程、交通工程、桥梁工程、照明工程、管线综合以及绿化工程。辅道铺装面积为 63 557 m2,桥梁面积为2 800 m2,非机动车道面积为17 250 m2,人行道面积为17 520 m2,侧分带面积为 36 519 m2;开挖土石方量为161 024.7 m3,弃运土方量为 104 751 m3。
场地原始地貌以跨越冲洪积阶地为主,部分位于残坡积台地。沿线地形起伏变化较大,地势整体呈由南侧台地向北侧冲洪积阶地微倾的趋势。本工程沿线地势较缓,主要为村庄和山地,其中村庄范围地势比较平坦,标高在20~30 m之间。沿线分布有较多的石材堆场,局部尚有少量厂房分布;局部跨越零星池塘或原沟渠,主要为灌溉用池塘或沟渠,个别为石材加工厂开挖形成的石粉沉淀池。
2 地质情况
依据《公路工程抗震设计规范》(JTJ 004—89),结合地区工程实践经验,综合评价拟建场地的场地土总体属于Ⅲ类土。场地路基土在地面下20 m深度范围内的等效剪切波速 Vse取各土层平均波速经验值。根据估算结果,拟建道路工程场地土在残坡积台地路段属中硬场地土;在冲洪积阶地路段属中软场地土。依据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》,拟建道路建筑场地类别属Ⅱ类,场地特征周期为0.45 s。特殊性土对基坑的稳定性存在不利影响,滑、塌现象不存在,主要影响基坑坑壁防护。
3 气候、气象条件
项目区地处南亚热带海洋性季风气候区,气候暧热湿润,夏无酷暑,冬短无严寒,季风明显,台风活动频繁。根据南安气象站统计资料分析,南安市多年平均气温为 21.0℃,极端最高气温为38.5℃(1989年7月13日),极端最低气温为-1.0℃(1999年12月23日);年平均日照时数为1 830 h;全年基本无霜,有雾天数为8.5 d,其中以 3月份最多;多年平均风速为1.6 m/s,全年主导风向为 ENE,其次为 E、SSW、NNE,最大风速为 22.3 m/s,大风天数为47 d,其中 4-11月常受强风袭击,最大风力达 12级,登陆台风往往带来狂风暴潮,破坏力极大。南安市南部多年平均降雨量为1 100~1 600 mm,降雨量平均为1 584 mm,年降雨天数在138.9 d左右。降雨量在时空分布上不均,由西北部山区(平均降雨量为1 600 mm)向东南部沿海(平均降雨量为1 100 mm)递减;从年内变化上看,降水主要集中在每年的3-9月,占全年降雨量的 84.5%;从年际变化上看,最大年份降雨量是最小年份降雨量的3.20倍左右,两者相差极大。年平均气温在20多度,温差较大,降雨量较多,空气湿度较高。易造成洪涝灾害及滑坡、泥石流等地质灾害。
4 施工特点
该项目管道主要有:10 KV、110 KV电力管道,污水、给水、通信管道,雨水管道。管道需跨越省道路口及贤林大道路口,且部分管道需横向穿越原有道路,而现状道路车辆来往频繁且交通复杂、拥挤,交叉作业困难。特别是污水管道,其大部分为重力式管道,埋深普遍超过4 m,直接开挖埋管为深度超过一定规模的深基坑作业,土方开挖量大,围挡支护难度高,成本大。非开挖拉管的应用有效地解决了上述的大部分难题。
非开挖拉管是将钻探技术与控向技术巧妙结合的现代非开挖施工新技术,无需挖掘工作井,可快速铺设地下管线,在非开挖施工作业中应用较多。沿预先放样好的的拉拖管线路,由钻机驱动装有锲形钻头的钻杆从作业端一侧的地面开始钻入,由预定的位置钻进地下障碍下方,绕过障碍后抵达目的地。在扩孔的同时注入化学泥浆,以避免钻孔坍塌。
5 施工部署
在对项目所在地区的气候、地形、地质等条件进行调查分析的基础上,详细复核有关的红线点,设置水准点及沉降观测点。
5.1 污水管道的布置
设计起点在贤林大道段:污水管道单侧敷设,敷设在非机动车道下,管径为DN300~DN400,排水方向自北向南,最终排往南部污水处理厂;贤林大道至后井工业污水厂段:污水管道压力管单侧敷设,敷设在非机动车道下,管径为DN600,排水方向自北向南,于桩号 K2+000消能转为重力管,排往贤林大道规划DN1000污水管,最终排往南部污水处理厂;鸿渐路至设计终点段:污水管道单侧敷设,敷设在非机动车道下,管径为DN600,排水方向自北向南,最终排往鸿渐路规划DN600污水管。
图1 污水工程平面图
图2 污水拉管断面图
5.2 管道材料
进场PE管材的公称压力、强度及环刚度必须满足设计要求,管材进场时,需将管材供应厂家的资质、管材的出厂合格证及检测报告向项目监理部报审,经项目监理部审批同意后才能用于本工程。
表1 管道材料的技术参数
5.3 施工工艺
5.3.1 工艺流程
图3 工艺流程图
5.3.2 平面及高程控制
按照现在的边线,根据勘测单位关于工程的控制及定位地点,对施工场区的控制桩进行保护,确保施工各控制点、坐标等信息的准确性。将控制点引测到场外并进行保护,然后才能进行放线,并进行校对。
高程控制主要是按照勘测单位提供的信息,对施工现场进行引测,确定高程控制点。再结合施工现场情况,选择合适的地点做临时水准点,并采取防护措施。高程控制需用专门仪器进行前后视等测距,确保测量精度。要用经纬仪来引测控制线的传递施工,以确保方向、位置等的准确性。
5.3.3 地下管线及钻进轨迹的设计
通过地下层的探测来掌握地下层相关土质、含水性、透水性及岩石质等方面的情况,从而有助于选取合适的钻进设备及方法。在地下管线施工中,导向孔轨迹设计对施工具有重要作用。钻孔轨迹设计的影响因素主要有工程目标、地质地形、管线质量、主钻杆的入出土角度及曲率半径、钻头变向能力等。在开展钻进施工前,要按照施工设计的标准,首先计算出钻杆必须达到的深度,从而为钻孔轨迹定向提供参考。
在钻进施工中,造斜段水平距离一般取管道埋深的8~10倍。入土点位置要按照施工现场的环境条件进行确定,入土角度一般在15°以内。出土地点主要是管道进出的地方,角度一般要比入土角度大,才能在拖拉时减少阻力,让管道进出更加顺畅。
5.3.4 钻机就位
根据管道设计坡度、方向和现场实际情况,在工作坑中安置钻机。钻机底脚一般安装在20 cm厚的混凝土地基上,地基里面要预留钢筋并与钻机严密焊接,防止地基沉降对钻机稳定性造成不良影响。
5.3.5 钻液配置
钻液的质量对拉管施工有重大影响。钻液的作用主要是冷却钻头、润滑钻具等,而且还能实现悬浮并带有钻屑,有利于混合后的钻屑往孔外排,这样既能留出更大的空间给管线,又可以减少管线的重量及阻力。钻液主要由水、膨润土及聚合物组成。好品质的钻液与钻屑混合使用,就能提高泥浆的流动性及悬浮性,回扩成孔的效果也更好。为提高泥浆性能,一般要添加一定量的化学处理剂。
5.3.6 导向钻进
导向钻进主要是将钻机导向杆在合适的高程位置平行钻入土内。在导向钻头工作中,安装的发射器通过地面接收装置测出钻头深度等数据,再与钻孔的行进轨迹进行比较,便于及时调整。地面接收装置可以将接收到的信息传送到钻机并显示,操作人员根据传送的信息操纵钻机进行钻进。导向钻孔施工中,根据探测器传回的信息来判断导向头位置与钻进路线的偏差,并及时调整方向。
5.3.7 扩孔
扩孔施工通常使用刮刀式扩孔器。扩孔器的大小一般是铺设管道的一倍多,这样有利于促进泥浆的流动,并确保管线的安全。拖拉管泥浆具有重要作用,如果孔中没有足够的泥浆,会发生倒塌等安全事故,会造成导向钻进效果不佳,给下次钻进埋下隐患。某些地质环境下泥浆容易流失,造成孔里泥浆减少,会增大钻杆及管线与孔壁间的摩擦力,加大拉力,所以在钻进全过程中要进行“返浆”,并随着地质条件的变化,调整钻液配置。
扩孔过程中,如果土质比较松软,要及时进行回扩;土质较硬时,要采取匀速缓慢的方式进行扩孔。回扩钻孔工艺如图4所示。
图4 先导孔钻进示意图
5.3.8 管道焊接(电熔焊接)
管道焊接质量关系到拉管施工的成败。在焊接过程中,要按规定连接电熔机具与电熔管件,并进行通电加热。在焊接冷却时不能在焊接口施加外力。连接管材的切割要均匀、表面要干净,连接时要保持平行对接。连接管道下面要用支架支护,并保持稳定。焊接完成后,要进行检查,观察孔内物料及焊接处是否出现顶起等现象。
图5 管道焊接拉管施工
5.3.9 拉管
对管道及焊缝进行检查后,再进行拉管施工。拉管施工时,要用管套将管头密封,再在管头上接回扩头,管后接上分动器进行接管。把管道拉到坑内并将管子回接到工作井后,要把回扩头和分动器卸下,把钻杆拿出来,把封堵头封住。施工过程中,拉管施工人员要按照设备显示的数据平稳牵引管道,切不可生拉硬拽。
图6 拉管施工图
5.3.10 注浆加固
PE管道拉通后,要对内部进行注浆加固,防止发生地面沉降。在注浆过程中,要根据现场地质情况,按照3~6 m的距离进行一次注浆,注浆时要保证注浆过程不间断。用堵头堵死拖入地面的花管,防止浆液从花管前端流出。把铺设的管线拉到预定高程后,要进行两端的砌筑,并对工作面进行回填。
6 管道施工质量控制要点
6.1 工程重难点
6.1.1 管道上浮问题
按照工艺规定,在管道拖拉施工中,管道本身重量轻,而泥浆重量大,会造成管道浮在孔道上的现象,从而加大了管道拖拉力,或者使高程偏差超过规范要求。
6.1.2 路面沉降问题
由于项目施工所在地的地下水量大、土质属粉质黏土,容易导致孔道坍塌或路面塌陷等事故。
6.2 应对措施
6.2.1 管道上浮应对措施
要结合现场地质环境调配出适合的泥浆。施工中对定向钻扩孔要严格控制。扩孔完成后,尽快开展管道拖拉工作,控制好拖拉的力度和速度。在管道焊接施工中,要留好长度,让管尾伸出地面。拖拉管道时,要向管道内注入大量清水,加大管道重量,以解决管道上浮问题。
6.2.2 路面沉降应对措施
PE管道拉通后,为防止路面沉降,可以用压密注浆加固法进行加固施工。压密注浆分为单液注浆和双液注浆两种方式。浆液的选择要根据土质环境分析而定。浆液主要有以下两种:
A 液:水/水泥=0.75~1.5∶1
B 液:水玻璃:35~40Be′
外加剂:缓凝剂/水泥:2~3%;
单液注浆采用A液,双液注浆采用A液和B液的混合浆液,其配合比为A液∶B液=3∶1。
7 结语
管道施工是一项复杂的工作,如何提高管道施工的效率是施工管理人员的工作难点。因此,要积极利用最新的管道施工技术,创新施工方法,特别是在城市环境中进行地下管道施工,要选用非开挖拉管等新技术,有利于节约施工成本、提高施工效率。