非开挖水平定向钻在给水管道工程中的应用

王刚

（山西太水市政工程有限公司，山西 太原 030027）

0 引言

社会的发展使得城市的建设水平正在不断地进步，在此过程中为提升人们的生活质量开展市政基础设施工程建设与改造具有重要意义。完善城市生产生活的社会配套设施给水管道工程是市政基础设施重要组成部分，其质量直接关系到人们生活水平和质量。为保障供水安全和质量，城市给水管道的建设及更新改造势在必行，但开槽施工不仅会造成城市污染，还影响人们日常出行以及生活。为此，在市政管道建设过程中非开挖技术正在得到广泛运用，而水平定向钻施工技术从施工方式上可以有效地提升市政施工的效能。

1 工程概况

山西省特色食品产业园集聚区是山西省首批12个试点特色产业集聚区之一，为保障园区供水需要，山西太水市政工程有限公司进行了市政给水管线引入工程的施工。

该工程全长7km，西起滨河西路，沿241 县道铺设至食品产业园区。汾河穿越段是工程的关键节点，集聚区地处汾河东岸，主供水管线位于汾河西岸，汾河横亘在中间，由于汾河管理相关规定、自然环境等因素，确定给水管线穿越汾河需采用水平定向钻穿越施工。汾河段施工安装长度为828m，管材为φ820×14mm 螺旋焊缝钢管，采用3PE 加强级防腐，沿线穿越滨河西路、鱼塘、汾河等设施（图1）；设计曲线段曲率半径为1230m，入土角为10°，出土角为6°，穿越深度在汾河河床以下15m。

图1 穿越位置

2 工程地质条件

根据地勘资料，该管道沿线工程地基土主要由人工填土（Q4ml）、粉土（Q4al+pl）、粉质黏土（Q4al+pl）、粉砂（Q4al+pl）冲洪积层构成。河床下0~4.5m 为粉砂，4.5~6.5m 为粉土，6.5~12.6m 为粉砂，12.6~20m 为粉土、粉质黏土。

钻探所揭露的地下水类型为孔隙潜水，实测地下水位埋深1.4~3.8m，地下水补给主要靠大气降水入渗及汾河侧向径流补给。

管道沿线地基土存在液化，液化等级轻微。

3 工程难点及技术措施

3.1 施工气候条件恶劣

施工期为2021 年1 月9—20 日，正是三九、四九天，太原市最低温度达到－24℃，给施工带来极大不便。

技术措施：施工时采取24h 不停机施工，水管、泥浆管做保温措施。管道焊接在流动保温棚内进行，棚内设有电暖气。管材焊接时焊口预热，对焊条进行烘干，使用时取出放在保温筒内，随用随取，在负温下外露超过2h，重新烘干。

3.2 双曲线钻导向孔

为后期桥梁改扩建让出安全距离，桥区段需画弧至现状桥北侧30m 外，导致穿越汾河水平定向钻穿越施工段给水管线，不仅纵向为曲线，同时平面也需要规划成曲线偏离设计轴线，形成双曲线。

技术措施：管道在粉砂层内回拖，成孔效果差，材料消耗大（膨润土、添加剂等），施工风险较高；管道在粉土层内回拖，成孔效果好，泥浆消耗量小，安全系数高。根据《油气输送管道工程水平定向钻设计规范》（SYT 6968—2013），定向钻穿越管顶埋深应大于设计冲刷线以下6m。本工程100 年一遇的河槽最大冲刷深度为1.8m。水平段在4.5~6.5m 粉土层中回拖，管道埋深浅，不满足规范要求。

经初设、验算、再设计、核算等反复论证，结合地勘资料，最终确定定向钻穿越水平段管线管顶埋深为15m，自粉土层中穿越，纵向曲率半径为1500D，穿越深度15m；平面需向北偏离轴线19m 画弧；入钻侧造斜段203m、水平段400m、出钻侧造斜段225m。钻导向孔过程中严格按照设计规划的路由采用GPS 放样，间隔30m 布点，导向运用猎鹰F5 无线导向仪示踪，密切关注钻头行踪，随时调整纠偏，导向孔按设计规划的路由行进；严谨的设计规划、严格的规范操作、认真的工作态度保证了双曲线钻导向孔的实现。穿越汾河施工现场如图2 所示。

图2 穿越汾河现场施工

3.3 泥浆漏失、渗出

地勘资料显示穿越段地下水位高，地层较松软，扩孔作业膨润土泥浆有渗出的可能，对滨河西路城市快速路、汾河流域、鱼塘造成污染。

技术措施：扩孔时，对泥浆配比反复进行试验，确定泥浆浓度、黏度，增加泥浆的护壁、悬浮、排泄能力，使钻孔中形成完整通道。泥浆主要由水、膨润土、羧甲基纤维素（CMC）、火碱组成。根据管道穿越地层情况，确定穿越粘土层泥浆粘度为45~50S，粉砂层泥浆粘度为50~55S，利用马氏漏斗计每2h 测量一次泥浆粘度，同时现场观察泥浆返浆情况，及时调整配比[1]。

3.4 管道预制“三接一”

由于布管场地的长度仅有360m，路边有多栋民房，管线摆放需呈弧形，管道预制采用“三接一”方式，如图3 所示。

图3 管道预制“三接一”布置

技术措施：穿越管道分成360m、288m 和180m 三段，按照设计要求分别进行组焊、无损检测、防腐。钻机完成导向孔的钻进和逐级预扩孔达到回拖条件后，先回拖第一段管道到连接处（即回拖完成288m，留在地面的长度约72m），然后钻机停止回拖，进行第一二段管道的焊接工作，如图4 所示。管口组对完成后，选派技术熟练的电焊工进行连头口的焊接，确保焊接一次合格。同时将组焊时间控制在4h 之内。第二段回拖到位后用同样的方法连接第三段管道[2]。

图4 水平定钻机钻进施工

管线弧形布设后，在拖管及对接时挠度变化不均匀管道易发生弹性形变，现场采用10 台吊车吊运钢管，间隔30m 均匀分布，并配备3 台挖掘机在弧度最大处纠偏、固定，防止意外发生。在回拖的同时，所有吊车统一转向，减少过程中产生的其他作用力，每台吊车配备专门的安全员，统一回拖9.5m 转向再进行第二次吊运。

3.5 “三接一”导致抱钻、抱管等现象

回拖过程中需停顿两次焊接管道，停顿时间过长存在管道抱死的风险。停顿时间较长，每次启动钻机时，可能会造成孔壁岩土受力不均而产生塌孔，管道抱死无法拖动[3]。

技术措施：由于管道回拖要尽可能连续进行，因此尽量缩短“三接一”的时间，在焊接完成待焊口自然冷却后，先进行超声波探伤，若发现缺陷及时处理，然后进行焊口的X 射线探伤。项目部调集专业技能熟练，经验丰富的技术人员，在管道连接过程中可以快速对口，焊接质量合格。同时划分作业面，每名焊工负责相应的区域，同时作业，减少钻机停顿时间，降低施工风险，如图5 所示。

图5 管道组对焊接

为保障回拖顺利进行，回拖过程中出现拉力增大等现象，现场配备2500t 夯管锤配合回拖作业[4]。

4 项目总结及意义

4.1 施工总结

本工程穿越长度为828m，穿越管径为DN800。单就水平定向钻施工而言，穿越距离较短，管径较小；单从穿越距离及管径来讲，施工难度并不大；但结合现场的场地条件、地质条件、气候条件等，本工程又是具有一定难度的。

本工程在完成前期场地清理工作后，于2021 年1月10 日开始导向孔作业，2021 年 1 月 20 日完成扩孔、清孔工作，完成管道分段预制工作，当天下午5 点开始管道回拖工作，历时 13h，于 2021 年 1 月21 日凌晨6 点钟完成所有管道回拖工作。穿越汾河段定向钻施工作业原定计划15d 完成，经过施工人员团结协作，整个工程历时11d 提前完成。

4.2 项目意义

山西省特色食品产业园集聚区引入管线工程是自来水供应保障项目，该工程向山西省特色食品产业园集聚区各食品厂区输送自来水，对整个区域的自来水供应起着至关重要的保证作用。

（1）作为山西省特色食品产业园集聚区引入管线工程的起始段，汾河穿越工程是整个项目的关键性节点工程，如果汾河穿越不能正常实施，则整个项目就无法通水运行[5]。

（2）选用水平定向钻作为汾河穿越工程的施工工艺，这相对顶管穿越或者大开挖铺设管道的方法，大大降低了整体工程的造价、缩短了工期。

（3）汾河是黄河第二大支流，在山西省的政治、历史、文化、经济地位举足重轻。汾河是山西最大的河流，被山西人称为母亲河，对山西省的历史文化有深远的影响，流域范围内自然资源丰富，自然保护区较多，其环保意义较大。因此汾河本身便具有很高的社会价值和环保价值。而选用水平定向钻工艺进行汾河的穿越，对汾河的保护显得意义非凡。

5 结语

总而言之，在给水管道的建设过程中运用非开挖技术能有效地解决城市因大型土木工程造成的道路堵塞以及环境等问题，同时非开挖水平定向钻技术还可以大大缩短施工工期。在运用水平定向钻的过程中一定要对施工的难点问题给予高度关注，并且对于工程建设地质复杂性进行全面观测，有效解决问题，进而提升整体施工对社会发展的推动效果。