非开挖定向钻技术在大管径PE给水管道工程中的应用

廖 祯 虎， 马 栋 梁， 熊 小 龙

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610037)

1 概 述

随着城市化建设的不断加快，20世纪70年代发展起来的水平定向钻施工技术正以其对周边建筑物影响小、对道路交通干挠小、施工效率高、综合成本低、适用范围广等优点广泛应用于给排水、电力、燃气等领域不宜采用开挖施工的管道敷设。

白龙路供水管道建设工程是海南省海口市应急供水工程，主要解决新埠岛及海甸岛居民供水问题，合同工期为90 d，工期紧、任务重。该供水管道沿白龙路两侧非机动车道布置，穿越横沟河直至新埠岛，全长4 413 m,管材采用DN800PE100给水管，其中供水管道穿越横沟河段时需穿越横沟河与跨河新埠大桥及其两侧通行栈桥桩基，该栈桥桩基为Φ800 mm,L=18 m，间距5 m×2.9 m(长×宽)，沿宽度方向四排平行布置。横沟河河面宽度约为200 m，河道中心深度约为5 m，管段地质条件复杂、跨度长，施工难度较大。

2 管道穿越方案的设计

2.1 水平定向钻工艺具有的优点

(1)施工工艺简单，可操作性强，进、出场速度快，施工场地可灵活调整，占地少，容易组织实施，综合施工成本低。

(2)不破坏地貌和环境，不影响交通，解决了传统施工工艺对居民生活的干挠，对周边环境影响较小。

(3)施工人员、设备均位于地面，避免了深基坑等不良作业条件，不损伤道路及河堤结构，安全性高。

(4)施工精度高，容易调整管道敷设方向和埋深，可有效避让地下管线、构筑物等障碍物，施工难度小。

2.2 高密度聚乙烯管材的性能

高密度聚乙烯管材(PE管)是我国近年来新兴的给水管材，其优点为管材密闭性能好、使用寿命长、耐腐蚀、重量轻，聚乙烯管材断裂延长率较高，具有极为优异的柔韧性、良好的抗不均匀沉降和抗震性能，适用范围极为广泛。其缺点为管道承压能力略小，PE100系列SDR11，DN800管道的承压能力不大于1.6 MPa(注：SDR11为管材径壁比；DN800为管道直径)。高密度聚乙烯管材性能见表1。

表1 高密度聚乙烯管材性能表

2.3 穿越方案的设计

(1)现场复勘。管道穿越施工前，对河流地质情况、栈桥桩基分布情况等进行了全面、细致的复查，查缺补漏，防止发生遗漏等情况，有助于对沿线情况进行全面了解，以便设计定向钻钻进的最佳线路，降低施工难度。

(2)钻进轨迹设计。根据《水平定向钻法管道穿越工程技术规程》(CECS382—2014)中表5.3.5要求，PE管直径≥800 mm时，水平定向钻先导孔钻进轨迹曲率半径不应小于300D(D为管道直径),入土角度为8°～30°，出土角度为4°～20°[1]。该工程钻进入土角取10°，出土角取8°，曲率半径取400 m。因管道穿越需避让栈桥基础灌注桩，故将穿越平直段的深度取25 m，经计算得出本段管道穿越长度L=550.3 m，管道穿越轨迹设计情况见图1。

图1 管道穿越轨迹设计示意图

(3)估算管道回拖力。根据《给水排水管道工程施工及验收技术规范》(GB50268-2008)中的式6.6.2-1进行计算[2]，其回拖力F=1 110 kN。

(4) 钻机的选择。根据《水平定向钻法管道穿越工程技术规程》(CECS382—2014)中第6.3.1要求，该工程选用徐工XZ2860水平定向钻机用于穿河段管道的施工，其设备额定最大推拉力F额=2 860 kN>1.5×F拖=1.5×1 110 kN=

1 665 kN，满足施工要求。

(5)管材承受的最大回拖力。根据《水平定向钻法管道穿越工程技术规程》(CECS382—2014)中的式5.2.5进行计算得知：F=1 137 kN。

管材所能承受的最大回拖力1 137 kN>回拖力估算值1 110 kN，故管材满足施工要求。

3 定向钻施工方法

3.1 施工流程

施工准备→钻机就位调试→泥浆配置→导向孔钻进→预扩孔→管道焊接→管道回拖→土体加固→管道试压。

3.2 施工准备

(1) 测量定位。测量人员根据施工图放出供水管道中心桩位及出、入土点位，采用木桩标定并记录木桩顶高程。中心桩每3 m左右打一标志桩，对于管道穿越栈桥桩基范围应加密轴线控制点位，放样点按0.5 m左右一个标定。

(2) 场地布置。钻机就位前，分别在管道出、入土点中心位置开挖工作坑，工作坑尺寸为9 m×3 m×2 m(长×宽×深)，工作坑四周打入4 m长的SP-IV型拉森钢板桩进行支护，防止基坑坍塌。

3.3 钻机就位调试

钻机设备固定前，测量人员应对钻杆位置进行校核，直至方位调整与设计穿越轴线延伸线重合后将钻机固定在地面。钻机就位后进行试钻，确保设备控制系统、接收器、远程同步监控系统运行正常。

3.4 泥浆配置

供水管道主要穿越河底中砂层，对泥浆的性能要求较高，要求泥浆应具有良好的流变性、较强的携带钻屑能力、较低的摩擦系数、良好的润滑性以及优异的固壁能力。泥浆由膨润土、泥浆添加剂加水搅拌制成，将浆液黏度控制在60～80 s，水碱性值控制在8～10，钻进过程中每2 h观测一次马氏漏斗黏度，根据现场情况变化及时调整浆液配比。

3.5 导向孔钻进

控向系统采用Eclipse有线和无线控测仪结合的双控向方式对钻进轨迹进行实时监控。将所设计的穿越轨迹主要参数在施工前输入钻机控向系统，由控向系统自动计算穿越轨迹的有关数据。

首根钻杆入土钻进时先轻压慢钻，稳定入土点位置，待其符合设计钻进轨迹后正常钻进，钻进时泥浆泵喷嘴压力不大于1 MPa，压力过大易出现冒浆。

斜段测量频率为每0.5 m一次，平直段为每3～5 m一次，同一量测点沿钻头不同角度读取的读数不少于3次并取其平均值做为最终数据，以减少控向数据采集误差。钻进过程中，应与设计钻进轨迹进行对比，出现偏差时及时调整。

导向孔钻进过程中，应注意井眼返浆情况并做好记录，以准确判断钻进过程中的地质情况，为预扩孔提供可靠的数据[3]。

3.6 预扩孔

扩孔采用反拉旋转多级扩孔。首次扩孔直径为350 mm，扩孔直径逐级增大，按照每级100 mm逐级增加，终孔直径取1 150 mm。

导向孔钻进完成后，卸下起始杆和导向钻头，先更换为直径350 mm的回扩钻头进行回扩，完成扩孔后再更换下一级回扩钻头进行扩孔。最后一次回扩钻头需采用相应的挤扩式钻头，若回拖力和回扩扭矩过大，则需多回扩一次，以利孔壁的成型和稳定[4]。

扩孔过程采用“中钻速、中钻压、大泵量”的方法控制，回扩时将泥浆密度控制在1.1～1.2 g/cm3，黏度控制为45～70 s,PH值控制在8～9。回扩期间，保持工作坑浆液高于地下水位，并根据扭矩、回拖力和进尺等情况及时调整浆液性能指标。

3.7 管道的连接

沿河堤将PE管按顺序摆放以便于管道组对焊接。该工程采用SHBD800热熔焊机进行焊接施工，将焊接温度控制在210 ℃～220 ℃，热熔时间控制在5～10 min，冷却时间不低于30 min，管材冷却时间不得移动或在连接处施加外力。

3.8 管道的回拖

鉴于PE管材抗拉屈服强度较低，为避免回拖力超过管材拉伸极限发生断裂而影响到管道的安装质量，在管道中设Φ140 mm×9.6 m通长钻杆，钻杆穿过拉管头后固定在拉管头外侧，管道四周均匀固定三根Φ50 mm PE花管。

清孔完成后，将扩孔器与万向节、U型环与拉管头连接牢固，在确保全部准备工作完成后开始管道回拖，管道回拖采用机械辅助发送，设专人统一指挥吊车根据回拖速度向前吊送。

管道回拖宜连续进行，中途不能中断并保持泥浆回流，回拖速度按平均0.8～1 m/min匀速、平稳拉进管道。在回拖管材施工过程中，应尽量避免发生卡管、铺管受挤压变形、泥浆渗出等事故，若发生则应分析原因、采取相应措施予以解决[5]。回拖完成后，封闭管口并等待3～5 d，使管道回拖所产生的轴向应变恢复后方可切断管头。

3.9 土体加固

为防止地面沉降，在管道回拖完成后，通过预留花管对管道四周的土体进行加固，采用1∶1.5的水泥浆液对管道孔壁间进行填充置换。

4 注意事项

(1)PE管材进场后，必须组织验收并取样检测，合格后方可使用，以确保材料性能满足要求。

(2)司钻在操作过程中，设备启动、运转、停止平稳过渡，采用低速钻孔及扩孔；出现扭矩过大情况时应及时降低速度，待处理完成后再继续钻进。

(3)钻进时，泥浆泵开泵不宜过快，压力不能过大，避免浆液压力骤增对孔壁造成猛烈冲击而导致塌孔，

(4)钻进过程中，一定要注意观察浆液状态，保持浆液均匀、性能稳定，防止浆液性能出现大幅度变化，若发现泥浆因失水、携带钻屑而变稠时，应及时过滤钻屑并稀释浆液。

(5)在钻进与扩孔阶段，钻进和扩孔速度不能过快，以保证孔洞内有充足的泥浆能快速带出土屑，防止堵塞孔道；管道回拖阶段应匀速、平稳回拖，防止速度过快导致孔洞内的泥浆无法快速流动释放而造成瞬间高压破坏。

(6)扩孔时，严格按照相关要求逐级进行扩孔，禁止为追求进度越级扩孔。

5 结 语

近年来，水平定向钻施工技术在我国得到了迅猛发展，PE管材也愈来愈多地应用于管道工程建设，无论在管道敷设、置换、修复中都发挥着重要的作用，取得了较好的社会效益和经济效益。

目前国内长距离、大管径管道敷设应用水平定向钻技术施工的项目其管材主要采用钢管；长距离、大管径PE管道敷设主要为尝试应用，可供借鉴的施工经验不多，因此，总结非开挖水平定向钻大管径PE管道敷设技术的应用经验极为必要。通过白龙路供水管道工程大管径PE管敷设应用非开挖水平定向钻施工技术，其管道施工质量满足设计和规范要求，施工安全、高效，综合成本低，所取得的施工经验对类似工程管道施工具有一定的借鉴意义。