市政排水管道修复工程中水平定向钻技术应用研究

（上海锦兴市政设计咨询有限公司，上海 200215）

市政排水管道修复是城市建设工程中的一个重要内容，在修复过程中需要利用合理的方法，保证排水管道的过流能力。目前用于市政排水管道修复的方法有顶管法、挤土法及内衬法，在管道修复过程中需要进行开挖施工，具有施工成本高、施工后管道过流能力较差等缺点，已经无法满足市政排水管道修复需求，为此提出市政排水管道修复工程中水平定向钻技术的应用研究。水平定向钻技术是一种用于管道修复的现代非开挖施工技术，该技术起源于国外20世纪50年代初，在石油勘探工程中的平行定向钻取施工技术，从水平定向钻技术的发展历史来看，主要分为起步、改进、发展、多样化四个阶段。目前在国外已经有2 000～2 500台水平定向钻机正在同时施工[1]。我国水平定向钻技术是在20世纪70年代引进的，在国内主要经历了技术引进、研发、发展三个阶段，20世纪70年代国内管道建筑业逐渐发展，因此，管道修复成为产业发展道路上亟须解决的问题。为了妥善解决该问题，吸收国外先进的管道修复施工技术，包括水平定向钻技术，在此基础上开发了一定数量和规格的小型水平定向钻机[2]。在20世纪90年代中期，我国已经在水平定向钻机自主研发方面取得了一定的突破性进展，但其自动化、智能化程度较低，且施工设备工作效率较低，管道修复时间较长，为了提高水平定向钻技术水平，建立了专业的水平定向钻机研发基地和装备设计，目前国内水平定向钻机已经实现了国产化，水平定向钻技术具有适应性强、铺管精度高、环境影响小等优点，被广泛应用在各种管道修复工程中，此次将该技术应用到市政排水管道修复工程中，形成一种新的修复方法，提高市政排水管道的过流能力。

1 基于水平定向钻技术的市政排水管道修复方法

1.1 市政排水管道导水

为了市政排水管道修复施工顺利进行，减少对其他管道的影响，首先需要对市政排水管道进行导水，管道导水是市政排水管道修复的基础施工部分，由于市政排水管道修复工程情况复杂，具有较多的未预见因素，此次根据修复经验针对不同的管道形状提出以下两种市政排水管道导水方案。

直线形市政排水管道导水：当市政排水管线是直线形时，首先根据实际情况将管道分成若干段，利用皮塞将每段两端的管口封堵严实[3]。在每段管道所属检查井内安装一个或两个水泵及10～15 m长的水带。最后通过水泵和水带向下游的市政排水管道内导水。直线型市政排水管道导水示意图如图1所示。

图1 直线型市政排水管道导水示意图

平行型市政排水管道导水：当需要修复的排水管道附近有一条并行的污水管道或排水管道，且并行的污水管道和排水管道具有独立的下游时，运用直线形市政排水管道导水方案进行导水，但在导水前需要将并行的污水管道口和排水管道口用皮塞塞住，派专人对其进行看护，防止在导水过程中出现污水跑冒情况[4]。导水时间应控制在5～7 min内，少量多次进行，且在导水过程中需要时刻注意排水管道上游、下游的水位情况，对无法正常流通或水流量和流速不正常的管道进行标记，将不能流通水的管道和水流较小的管道进行分类标记，对两种管道进行不同的施工修复。

1.2 市政排水管道清淤

管道内的污水无法正常流通，说明该部分管道内部存积了大量的淤泥，因此，在完成市政排水管道导水施工后，对水流量较小的管道进行清淤修复[5]。此次采用水力清淤法对市政排水管道进行清淤，该方法主要使用带有水罐、机械卷管设备的高压喷射车，将高压水泵安装在水罐中，且在高压水泵的顶头安装射水喷头，利用高压喷射车的引擎驱动高压水泵，将射水喷头导入需要清淤的管道口对其管壁的淤泥进行清洗，利用水的反作用力将淤泥冲刷到下游的检查井内，最后由吸泥车统一清理，并对淤泥进行处理。

1.3 基于水平定向钻技术换管

对于水无法流通的管道应及时进行换管，此次在换管施工中采用水平定向钻技术。运用水平定向钻技术进行换管，排水管道在回拖过程中，由于岩土与管壁的摩擦及管壁的弹力，会产生一个回拖力，该回拖力会影响水平定向钻机的选型。因此，在施工之前需要对排水管道回拖力进行计算：

式中：T——换管的最大回拖力（kN）；P——单位长度换管段所承受的岩土压力（kN/m）；K——主动土压力系数，通常取0.03；Q——单位长度换管重量（kN/m）；L——需要换管的长度（m）；F——排水管道管壁与孔壁之间的摩擦系数，通常取0.02～0.04。

利用上述公式对换管的最大回拖力进行计算，根据最大回拖力计算值的2.5倍对水平定向钻机进行选型[6]。

在换管之前需要对钻机的主要性能参数进行合理设计，考虑到市政排水管道换管修复需求，水平定向钻机的行走速度设定为4.5 km/h；最大扭矩设定为56 000 N⋅m；总功率设定为250 kW；最大限速设定为3 000 r/min；钻机钻杆长度设定为10.5 m；钻杆外径设定为212 mm；液压油箱油量设定为550 L[7]。设定钻机施工参数后，开始钻进施工，首先采用KUGF-400型牙轮钻头向需要换管的部位进行钻进，在钻进过程中司钻手和定向手应严格按照《水平定向钻技术规范》进行操作，且司钻手和定向手需要密切关注各个仪表数值变化，准确判断钻进过程中的地质情况，保证钻导向孔能够一次性成功。再利用岩石回扩器将导向钻孔孔径扩大到原管道管径的1.5～2.5倍，由于钻孔过程中穿越了地下岩层，扩孔工作施工难度较大，为了保证市政排水管道修复质量，前后进行至少5次扩孔。扩孔完成后将坏掉的管道取出，再将新的管道运用管道铺设技术通过钻孔安装到原有管道位置，在换管衔接处加注泥浆，保证市政排水管道的稳定性和牢固性，以此完成基于水平定向钻技术换管，完成基于水平定向钻技术的市政排水管道修复。

2 试验设计及结果

2.1 试验设计

此次试验以某市政排水管道为试验对象，该管道长度为3 500 m，经检测该管道在管径混凝土管内径500～1 400 mm，PE管内径555～1 455 mm，存在严重的淤堵问题，其中5处管段需要进行清淤施工，8处管段需要换管。

运用此次设计方法与传统方法对该管道进行修复，利用式（1）计算得出最大回拖力为123.64 kN，决定采用IIGFGT型号水平定向钻机。试验中对两种方法修复后管道流速和水流量与修复前进行对比，得到两种方法的管道过流恢复能力。

2.2 试验结果分析

试验以设计方法与传统方法的管道过流恢复能力作为试验结果，对两种方法进行对比。

试验结果如表1所示。

表1 两种修复方法PE管道过流恢复能力对比

由表1可知，应用此次设计方法管道的流量和流速均有较大幅度提高，提升数值高于传统方法，证明此次设计方法管道过流恢复能力优于传统方法，设计方法的修复效果优于传统方法，可以满足市政排水管道修复需求。

3 结语

此次将水平定向钻技术应用到市政排水管道修复工程中，形成一种新的修复方法，有利于提高市政排水管道的过流能力，可促进水平定向钻技术在管道修复工程中的应用，为市政排水管道修复工程施工提供了理论依据。