市政管线非开挖水平定向钻导向轨迹设计探讨

2021-09-13陈洪涛王绍华郭嘉镕黄祥云

天津建设科技 2021年4期

陈洪涛，王绍华，郭嘉镕，黄祥云

（1.天津市政工程设计研究总院有限公司，天津 300392；2.天津滨海新区基础设施养管有限公司，天津 300450）

随着我国城市化的发展，城市范围越来越大，为完善市政设施配套，建成区域内增设各种专业管线的案例越来越多。考虑到穿越重要路段或河道时明挖施工对环境及交通等方面的较大影响，非开挖技术的应用得到推广。作为穿越工程常用的非开挖技术，水平定向钻工艺无需全线明开槽，一般不涉及深基坑，工程安全性高；对周边环境及现状管线的影响较小；道路和绿化的破除恢复面积得到控制，节省人力和设备成本，施工周期短，工程经济性较好；自20世纪80年代引入中国，在给水、排水、燃气、电力、通信、石油等诸多领域得到广泛应用。

1 水平定向钻工艺

水平定向钻（又称为拖拉管施工）的实施可分3步：

1）导向孔钻进，利用钻机、导向钻头及导向仪等机具，按穿越轨迹和操作规程实施导向孔，过程中利用探测器根据地下情况随时调整钻头；

2）扩孔护壁，钻孔到达出土端时卸下导向钻头，换上较大直径的扩孔钻头，多次扩孔至所需孔径；

3）管道回拖，将管道自出土端反向回拖，完成穿越施工。

注浆贯穿整个过程，泥浆从钻头前端喷出，主要作用是固孔护管、减少钻具与土层摩擦、对钻具降温及清除钻进过程中产生土屑等。

水平定向钻技术有两种常规导向方式，即地面造斜导向和坑内导向（又称为二程式拖拉法）。见表1。

表1 水平定向钻技术导向方式对比

郭坤[1]和龙秋亮[2]提出单边造斜导向方式并应用到实际工程，为场地受限条件下的水平定向钻施工提供了新的导向方式。

2 水平定向钻技术参数选择

导向轨迹是工艺设计的核心，关系到施工成功与否。地面造斜导向的轨迹计算依据为CECS 382：2014《水平定向钻法管道穿越工程技术规程》。见图1。

图1导向轨迹

图1 中，α和β分别为入/出土角，（°）；R为曲率半径，m；h1和h2分别为入/出土端地面与底部直线段的高度，m；L0为底部直线段长度，m。

h1、h2和L0为自变量，其他参数为因变量。L0、h1和h2由障碍物客观实际首先被确定，导向轨迹设计的主控参数为R、α和β，数理分析见表2。

表2 主控参数影响分析

入/出土角应根据场地空间、地质概况和管径等条件综合选取。因角度过大不利于施工，实际项目中入/出土角取值大多未达到CECS 382：2014中5.3.5允许的上限值[3～5]。

在曲率半径不变的前提下，增大入土角可减小入土端总长度；但地面空间受限时，为减小穿越长度盲目增大入土角是不可行的。当管道水平钻进高度h1被确定，入土角α增大到一定程度时，入土端直线段长度a1和入土端直线段高度b1计算值可能为负。分析原因：b1可理解为以地面为零点，沿竖直向下方向距离直线段与曲线段分界点的竖直长度，b1为负即分界点位于地面以上，钻杆在空中就开始逐步偏转，显然不符合实际；a1是b1的因变量，b1为负时计算a1也为负。针对这个问题，可考虑采取两种措施：一是调整为坑内导向，但工作井会增加投资；二是根据工程实际，人为增大h1同时适当增大α和减小R，将分界点控制在地面以下，但会增大管道埋深，对运行后养管工作不利。见图2。

图2 入土角调整前后对比

影响曲线段长度的主要因素是曲率半径，其取值量级计算出的曲线段长度一般情况下有数十米，因此地面造斜导向的穿越场地需有一定地面空间。CECS 382：2014强调曲线段曲率半径取决于管道特性、岩土层造斜能力、机具设备造斜能力等综合因素。在各方面条件允许的情况下曲率半径越大越好。

工程设计中如曲率半径取值过小，会影响轨迹的平滑性和稳定性，回拖力猛增；设计与实际轨迹偏差较大，可能发生回拖过程中管道变形，因路径偏差与现状管线碰撞等事故。因此工程设计在规范要求基础上，根据现场条件合理调整曲率半径取值。见表3。

表3 曲率半径取值对比

3 水平定向钻管材选择分析

水平定向钻技术采用的管材主要有钢管和聚乙烯管（以下简称为PE管），近年来球墨铸铁管也开始得到应用。因特性不同，管材用于水平定向钻技术的特点差异显著。

1）钢管：管材屈服强度大，抗扭和抗外力破坏能力强；管节长度大，管道柔性较低，管道回拖场地所需空间大。

2）PE管：管材耐腐蚀、防渗性好，抗刮磨；接口热熔连接，密封可靠；高柔性，管道回拖场地所需空间较小；管材抗拉强度低，管道无法承受很大的回拖力，穿越长度受限制；为控制管道变形，建议管材级别采用PE100，标准尺寸比采用SDR11[7～8]。

3）球墨铸铁管。依靠接口偏转实现管道弯曲；耐腐蚀；管节长度较大，管道柔性较低，管道回拖场地所需空间较大；采用自锚式接口，抗拉能力强，可实现长距离穿越；接口安装速度较快；.因接口尺寸，扩孔直径略大于同管径钢管和PE管；综合造价较高，尚未推广应用。

根据CECS 382：2014并结合工程经验，3种管材理论的曲率半径下限值见表4。

表4 不同管材曲率半径理论下限值

整体性连接的钢管和PE管均依靠自身柔性实现管道弯曲，曲率半径计算原则一致。因钢管柔性明显低于PE管，两者曲率半径相差明显，钢管适合长距离穿越。球墨铸铁管为非整体性连接，依靠接口偏转实现管道弯曲，曲率半径根据管节长度和接口允许最大偏转角计算，管道规格被划分成若干区间，所以球墨铸铁管理论最小曲率半径并非逐级增大。