非开挖水平定向拖拉法在公路隧道工程中的应用

2023-06-10邱成虎

运输经理世界 2023年4期

关键词：拖拉曲率管材

邱成虎

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州 730030）

0 引言

非开挖水平定向拖拉管法采用导向钻进、分级回扩和管道回拖等施工技术，随着施工精度上的改善和施工水平的提高，在油气、市政、电力、水利和通讯行业广泛应用[1-2]。但截至目前，非开挖水平定向拖拉管法在公路隧道中应用的案例鲜有。

1 非定向拖拉管法应用

1.1 设计参数

1.1.1 排水管采用双管嵌套，采用电热熔焊接，外管管径为DN350mm，管材为PE 管，壁厚28.6mm，上半断面打孔，孔径为12mm，孔间距为100mm，梅花形布置，管孔眼处采用棕丝进行封堵，防止垃圾、泥浆溢流到管道内，保证其过滤性和透水性。内套管管径为DN200mm，管材为HDPE 管，壁厚15mm，上半断面打孔，孔径为12mm，孔间距为100mm，梅花形布置，包裹双层20kN/m 无纺布，防止DN350mm 管壁泥沙、泥水渗入DN200mm 套管内流失，见图1。

图1 管材断面图

管节长度6～9m，每隔3m 设一处限位支架，管材拼接采用热熔接。回拖管与仰拱底净距为0.10m，纵坡与隧道相同，见图2。

图2 隧道断面图

1.1.2 隧道工作井尺寸为4m（纵）×1.5m（横）×2.5m（深），工作井边缘打设φ108×6mm 微膨胀混凝土钢管桩支护，钢管桩间距0.5m/根，桩长5m，采用水泵抽排降水，抽排的地下水集中排出洞外。

1.2 轨迹设计

定向钻孔轨迹的设计主要考虑管道顶部结构层厚度、成品管材的类型、入（出）土角和管线的曲率半径等，见图3。

图3 水平定向钻进曲线图

其一，造斜段曲率半径R。

式（1）～式（2）中：E为管材弹性模量,MPa；D为管材外径,cm；δ为管材弯曲强度,MPa。

根据工程实践经验，一般情况下钻杆的曲率半径R 钻为钻杆外径的1200倍[3]。

造斜段曲率半径R=max{RPE，RHDPE，R 钻}。

其二，造斜段水平距离L1和入（出）土角α。

式（3）～式（4）中：H0为入土高程（埋深），m，H0=结构层厚度+0.1；R为造斜段曲率半径，m。

其三，高程（埋深）。

式（5）中：H0为入土高程（埋深），m，H0=结构厚+0.1；Hi为任意点高程（埋深），m；i为隧道纵坡；Li为任意点至入土点的水平距离，m。

1.3 施工工序

非开挖定向拖拉法的施工工序如图4 所示。

图4 施工工序图

2 施工技术

2.1 施工要点

2.1.1 定位放线

（1）放样钻机安装位置线、管道两端的具体轴线位置及标高，在入（出）土点间轴线上每隔5～10m 做好标记。

（2）控制放样误差，入（出）土点位置左右误差小于2cm，沿管线轴方向误差小于4cm，钻机布置位置必须同管道轴线方向一致，左右误差小于3cm。

2.1.2 泥浆配制

（1）配置一级膨润土泥浆，配置时使膨润土有足够的水化时间确保泥浆的性能，并通过泥浆循环池使用，妥善处理剩余泥浆。

（2）导向钻进、扩孔及回拖时，及时向孔内注入泥浆，监测泥浆的压力和流量。

2.1.3 导向钻进

（1）钻机安装后进行试运转，确定各部分运转正常后方可钻进。

（2）钻进时，严格控制钻进给进力和钻进方向，同时控制钻进速度确保匀速钻进。

（3）在施工过程中，详细记录钻进过程中的扭矩、推力、泥浆流量、泥浆压力和方向改变量等关键参数。

2.1.4 分级反扩成孔、清孔

（1）合理选择扩孔方式，分次扩孔时每次回扩的级差宜控制在100～150mm，终孔孔径宜控制在回拖管节外径的1.2～1.5 倍。

（2）从出土点向入土点回扩，扩孔器与钻杆连接应牢固，以防止回扩过程中发生脱扣；扩孔后及时进行回拖管道施工。

（3）根据不同地层地质情况以及现场出浆状况，确定回扩过程中回扩速度和泥浆压力，确保成孔质量。

（4）扩孔作业施工完成后，进行清孔作业，使孔壁光滑，防止拖管期间孔洞塌方。

2.1.5 管道回拖

（1）回拖前，确保扩孔后孔内有充足泥浆起到护壁润滑作用，减少管材与孔壁的摩擦阻力。检查钻机是否正常，喷泥浆头是否顺畅，管道连接是否牢固、安全、密封。

（2）严格控制转速、回拉力、泥浆压力和流量等参数，确保成孔稳定、线形顺直，无坍孔、缩孔等现象，回拖保持平稳匀速。

（3）采用高黏度泥浆，合理添加外加剂，减少回转时的阻力，减少钻机工作负载。

（4）配备发送装置，避免管段与地面直接接触，减小摩擦力。

2.1.6 质量控制要点

质量控制项目主要有：管材质量、接口、泥浆、钻进、扩孔和回拖等项目。检查项目及检查方法，如表1所示。

表1 检查项目及检查方法

2.2 问题分析

2.2.1 塌孔

产生原因：在导向钻进及分级扩挖的过程中，由于地层结构本身稳定性较差、泥浆压力不足、导向孔曲率半径较小、扩孔速度过快等因素导致塌孔现象。

解决措施：一是增强泥浆压力，使其与地层压力保持平衡状态，确保泥浆压力不小于岩土孔隙压力；二是增大泥浆的密度，减少泥浆中水分渗入岩土层或孔壁四周的水渗入稀释泥浆；三是合理调整开关泵的工作频率，控制钻进速度，确保钻杆保持在恒定张力下作业；四是合理控制泥浆密度与流变性能，确保泥浆呈平板流型状态。

2.2.2 导向偏位

产生原因：在导向过程中遇到障碍物、信号干扰。

解决措施：一是分析确定障碍物位置，清除障碍；二是分析原因，避开干扰；三是保持钻头正确姿态，发生偏差及时采用小角度逐步纠偏。

2.2.3 泥浆泄露

产生原因：在地下水丰富地层，泥浆易随地下水流失；在湿陷性黄土、粉土、砂土中，颗粒间孔隙较大，当触变泥浆黏度较低，稠度较小时，泥浆易扩散流失；钻进过程中注浆压力过大、钻进过快造成泥浆扩散流失。

解决措施：一是结合施工阶段合理调整泥浆黏度，合理控制注浆压力；二是遇特殊地质，如地下水丰富、粉（砂）土等，采用预注浆固结；三是加强泥浆黏度监测。

3 公路隧道非开挖水平定向拖拉法造价分析

由于目前部颁公路工程概预算定额无非开挖管线回拖定额子目。为方便非水平定向拖拉法在公路工程中的应用，此次对比分析结合各省发布的市政工程定额进行研究。为消除干扰因素，取费统一执行公路工程编制办法，人工、材料及机械单价计算规则保持一致；人、材、机消耗除考虑洞内工程项目采用其他章节定额时人工、机械台班及小型机具消耗在原定额消耗基础上乘以1.26 的系数外，其余维持原定额消耗系数，详见表2。

表2 采用部分省市政定额对比分析

表3 中各省份定额均为小型定向钻、短距离穿越定额，穿越长度选取定额中间值200m 进行对比分析，集中趋势趋于1835 元/m。根据中国地质学会非开挖技术委员会发布的《水平定向钻进施工定额》中设备运输安装调试及拆卸、导向管钻进、短距离扩孔钻进、管线回拖单价，考虑地层难度取费系数后与此次单价分析结果基本一致。因各地非开挖水平定向拖拉法普及程度不同，实际工程中因地域不同价格存在差异，在使用时可根据项目特征按当地市场价格调整。