球墨铸铁管水平定向钻施工技术工程应用

任 盛

(新兴铸管股份有限公司上海销售分公司，上海 200437)

1 水平定向钻施工技术

水平定向钻施工技术是在不具备开挖沟槽条件下，采用管道形成弧线实现地下穿越，用以铺设流体输送的管道的施工方式。随着我国城市化进程的快速发展，公用设施挤占城市空间日益严重，交通道路日趋拥挤，传统的沟槽开挖作业对城市正常运行影响也越来越大，非开挖施工技术在我国城市的应用也就越来越普遍。水平定向钻施工技术作为一种非开挖施工技术，也是管线穿越的优选方案之一。

用于供水管线水平定向钻施工的可选管材主要有球墨铸铁管、焊接钢管和HDPE管。考虑到非开挖施工，未来管线维修也尽可能减少，因此，管材的承压性能、抗沉降性能、使用寿命、施工的安全性和未来维修的快捷性等都应当作综合考量。与其他管材相比，球墨铸铁管综合优势比较突出，也就成为水平定向钻施工的主选管材。

2 球墨铸铁管性能特点

用以水平定向钻施工的球墨铸铁管应当采用内自锚接口，其特点如下。

1)利用承口挡环与插口焊环相互作用产生可靠的自锚效果来传递轴向拖拉力，由于球墨铸铁的强度很高，允许的回推力也很大。

2)利用承插接口的偏转角来适应钻孔弯曲段，未来管线运行中，接口偏转也可以用来抵消地基沉降所带来的弯矩应力。

3)内自锚接口比外内自锚接口直径要小，对孔径的要求也会小。

本工程所使用的新兴铸管生产的球墨铸铁管，DN300，接口型式为SIA Wb型，见图1，性能参数见表1。

图1 球墨铸铁管接口示意图

表1 球墨铸铁管参数

3 工程概况

本工程为上海临港区渔港路消火栓补建工程。工程地点位于：东大公路(两港大道—泐马河)、三三公路(泐马河—万红桥)、渔港路(两港大道—绿荫路)道路旁。为了避让管线，穿越管道中心线埋深为4～8 m，两端工作坑深度为1.5 m。本标段穿越长度暂定为170 m，穿越入土角为8°，出土角为8°，终孔直径控制在500～600 mm。

本工程管线穿越位于地质处于(4)层，主要由粉质黏土和淤泥质土组成，具体的地质勘察报告见表2。

表2 拟建场地地质分布表

根据地质条件和现场管线和构筑物情况，专家研究讨论会决定：穿越方式采用水平定向钻施工工艺，管材选用DN300、SIA Wb型内自锚接口球墨铸铁管。

4 水平定向钻施工

球墨铸铁管的水平定向钻施工工艺流程为：轨迹设计→先导孔钻进→回拉扩孔→管道安装→预试压→接口防护→回拖铺管→打压验收。

4.1 轨迹设计

计算方法采用美国ASTM材料协会标准《Standard Guid for Use of Maxi-Horizontal Directional Drilling for Placement of Polyethylene Pipe or Conduit Under Obstacles，Including River Crossing》(AXTM F 1962—2020)中的计算模型，该算法的优点是考虑全面，所建模型与球墨铸铁拖拉管实际受力较为符合。

图2 轨迹设计示意图

各节点回拖力计算分别见式(1)～(4)：

TA=efgβfgwp(L1+L2+L3)

(1)

TB=efhβ(TA+fhwfL1+wfH+KπD1L1-efgβfgwpL1)

(2)

TC=TB+fhwfL2+KπDL2-efhβ(efgβfgwpL2)

(3)

TD=efhα(TC+fhwfL3+KπD1L3-wfH-efhβ(efgβfgwpL3))

(4)

式中，TA为A点处管道所受回拖力，kN；TB为B点处管道所受回拖力，kN；TC为C点处管道所受回拖力，kN；TD为D点处管道所受回拖力，kN；L1为管道入土端曲线段所对应的水平长度，m;L2为管道最大埋深处水平延伸距离，m;L3为管道出土端曲线段所对应的水平长度，m;H为管道埋深，m;Fg为球墨铸铁管与地面之间的摩擦系数；Fh为球墨铸铁管与钻孔孔壁之间的摩擦系数；Wp为单位长度管道重力，kN/m；Wf为单位长度管道所受的净浮力，kN/m；ɑ为入土角，(°)；β为出土角，(°)；K为泥浆的黏滞系数，kN/m2。

计算条件见表3，计算结果见表4。

表3 轨迹计算条件表

表4 轨迹计算结果表

4.2 先导孔钻进

采用导向仪器和导向钻头，按照设计的钻孔轨迹进行钻进的施工过程。本工程的设计钻进轨迹是结合管道的设计埋度、现场障碍物、地下管线、球墨铸铁管的弯曲半径来进行最终定位。

4.3 回拉扩孔

利用扩孔钻头由出土端至入土端进行回拉扩孔的施工过程。本工程所选用的管道为DN300的球墨铸铁管，管道直径较小，故回拖扩孔分成2次进行。第一次回拖扩孔采用DN200的钻头进行回拖，可以有效保护孔壁，不至于扩孔过大导致塌孔；第二次采用DN400的钻头进行回拖，在确保孔壁稳定的同时，对导向孔进一步扩大，为管道敷设提供有利条件。

4.4 管道安装

水平定向钻机与球墨铸铁管之间的安装通过钻机分动器、弓形卸扣、拖拉头按照规定操作手册进行连接。球墨铸铁管接口之间的安装按照新兴铸管厂家提供的施工安装手册进行操作。安装过程应经过监理单位检测确认无误后，进入下一步工序。

4.5 回拖前预试压

回拖施工前，应在地面进行预试压，确保接口安装质量，试压合格后方可进行施工；回拖施工后，应进行正式试压工作，确保回拖施工质量。在管道尾部连接SIA Wb盘插管件及打压盲板，连接好打压装置及压力表，注满水后即可打压。

4.6 接口防护

预试压合格后，应对管道接头进行防护。本工程防护方式采用HDD热收缩套包裹，再采用钢制薄套筒包裹。

4.7 回拖铺管

通过水平定向钻机利用钻杆和回扩头由出土端至入土端进行回拉铺设管道的施工过程。具体操作如下。

1)回拖施工时，入土角控制在10°～18°，出土角控制在4°～12°。

2)DN300拖拉管单个接口的最大允许偏转角为3°，对应最小曲率半径为113 m，钻孔曲率半径取值不低于2倍管道最小曲率半径。

3)DN300拖拉管的终孔直径控制在500～600 mm。

4)DN300 SIA Wb接口球墨铸铁管的最大允许拖拉力为400 kN，回拖施工时，钻机施加的最大回拖力不得超过管道最大允许拖拉力。

5)根据现场工况条件，采用开挖发送沟或V型支架等减阻措施。

4.8 打压验收

施工完毕后，根据《给排水管道工程施工及验收规范》(GB 50268—2008)标准进行打压验收。本次试验的恒定试验压力为1.2 MPa,试验允许渗水量为0.003 L/(min·m)，本次试验压力一直保持稳定，未检测出渗漏，故本次球墨铸铁管水平定向钻施工试验合格。

5 总 结

施工前，施工单位与设计单位和管道厂家召开了多次讨论会，制定了详细水平定向钻施工的专项方案和多项应急预案，确保了工程的顺利实施。

本工程地质勘察报告详尽准确，钻孔及扩孔过程成型较好，回拖过程顺利，证明了本工程水平定向钻施工的工艺选择是正确合理的。

本工程选用了新兴铸管生产的球墨铸铁管，具有强度高、密封效果好、耐腐蚀性强、施工快捷等特点，为工程成功实施奠定基础。DN300的SIA Wb型内自锚接口的偏转角为3°，轨迹设计满足工程要求。管道的最大允许回拖力为400 kN，本工程拖拉长度为167 m，最大回拖阻力为287 kN，施工安全性较高。

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