水平定向钻进技术铺设污水管道的技术

刘波波

（山西建筑工程集团有限公司，山西 晋城 048200）

0 引言

在不影响交通、不干扰周边居民工作、生活的前提下，进行水平定向钻进的施工，该技术可有效地解决传统深基坑工程所带来的环境污染、交通及工程结构损坏等问题。通过施工单位认真组织各项施工工艺，实现了排污管道的顺利施工，为道路横向定向井的成孔工艺探索出了一条成熟的路线。随着水平定向钻进技术的不断发展、日趋成熟，其应用前景也将更加广阔。

1 项目概况

A 镇生活污水治理工程涉及4 个乡镇，包括污水主干网80km，分支网20km，提升泵站3 座，污水处理厂1 座，污水检查井为钢筋混凝土结构，共计1140 口，A 镇污水管网设计总长度为10426.8m，其中2.3km 采用水平定向钻施工。据地勘报告显示，A 镇的地质结构以粉质黏土为主，土壤呈软塑、流塑状态，稳定性差，地下水位较高，多数管道施工面较窄，距离居民住宅较近，施工难度较大，安全风险较高。

2 施工方法

2.1 导向

在水平定向钻进施工过程中，为了保证施工后的管道达到设计的标高要求，在施工中导向时的标高精确控制起着决定性的作用。例如，在这次水平定向钻进施工中，穿越液化气站段拖拉管起点坐标分别是预制场（87739.9176，51307.5404）、甲路（87842.7213，51263.9331）。由于污水处理厂的进水检查井（87821.846，51272.88）的管道标高最低，其导向线路是不标准的V 字形。其中，污水处理厂进水检查井附近的管道底部标高是24.2m，预制场附近的管内底标高是24.768m，甲路AX2 井附近的管内底标高是24.223m。预制场8 点距钻机入土点水平间距20m，出土点距46 点水平间距25m。为了获得精确的导引控制点资料，将其与地形图做比较，以获得精确的导引控制点坐标。根据对照图制作精确的导向路线表格，本次施工中DN710mm PE100 管每米重655（外径-壁厚）×55（壁厚）×3.142×1×0.958÷1000=108.44kg，每米拖拉管排水重量0.355×0.355×3.14×1×1000=395.72kg，而且泥浆的密度大于水的密度。为了确保管道的标高与设计一致，导向标高为（管内底标高+内径+壁厚-0.45）m。

以控制点坐标为依据，利用GPS 仪器对其进行沿管线线路测量放点，在行车路面上使用红色喷漆标记控制点，在非行车路面上设置一木桩（有障碍物的除外）标记控制点，木桩与木桩之间撒白灰连接起来，对两相连邻的观测点进行编号，两个控制点之间相隔3m。因为在这次的施工工程中，管道的导向、扩孔和拖管都将穿越液化气站，所以在施工之前，需要对管线沿途的建筑物进行监测，并将原始的数据记录下来，以便与后期的监测数据进行比对，以确保施工的安全[1]。

本次施工使用的是手提步履式导向仪。导向仪的量测应定期验证，经校验合格的手提步履式导向仪可使用。利用地勘资料对施工现场地质情况进行分析，选择不同的钻头。检查钻机起动后是否运行正常；第一根钻杆在进入土层时，以设计角度缓慢而平稳地进入土层；在导向孔钻进时，要根据设计轨迹来钻，且要做好记录：导向仪反馈和记录的数据要与相关要求一致，并且要根据记录画出钻孔轨迹剖面图。在斜区段钻进时，要根据现场实际情况适当地调整推进力，以免造成钻杆不可逆变形；钻进时，每次前进的长度应该控制在1m 以内，并采取分段施钻的方式。与此同时，还要对钻杆的弯曲度进行观察，弯曲度不能超过钻杆的极限弯曲度，而且弯曲度应该均匀变化；导向时，相邻两个观测点间的轨道偏差应不超过扩孔最大直径，偏差过大时，应收回此段，重新钻孔。同时，定向钻穿越的覆盖层深度，必须满足专业技术规范的要求[2]。

2.2 扩孔

终孔孔径的选择如表1 所示。开孔时，最后开孔直径应为管道直径的1.2~1.5 倍，开孔时的最大开孔直径可根据表1 选择。

表1 终孔孔径的选择

在扩孔时，扩头一定要有连续的泥浆喷出，扩孔钻头的类型选择及其适用地层如表2 所示。

表2 扩孔钻头适用的地层

钻杆在扩孔过程中，由于钻杆的拉力或扭力过大而进行扩孔“洗孔”。不同地质条件下，定向钻泥浆的性能指标应符合以下要求。泥浆黏度如表3 所示。

表3 泥浆黏度

泥浆pH 应控制在8~10。与一定数量的润滑剂混合而成的泥浆适用于沙土、卵石等地质环境。在定向钻施工时，必须连续注浆。泥浆必须事先配制好，从钻孔中返出来的泥浆必须达到以下处理要求：①经过净化处理后，可回收再用。②废泥要妥善处理[3]。

2.3 管道焊接并拖管

为了保证施工的顺利进行，在钻机进洞的同时进行管道焊接，这样扩孔一结束，就可以立即拉管，防止扩孔塌方。

2.3.1 HDPE 管的检查

检查管内管外管是否平直，看管内管有无裂口和缺陷。管道的端口面应垂直于管道中轴线，管道中心线不得有明显的弯曲，管道内外径尺寸及圆度应符合要求。管口形状参差不齐者，需先修平。盂管的各项性能指标必须达到设计要求[4]。

2.3.2 HDPE 管的焊接及回拖

管道焊接时，所选择的场地要平整，能够将焊接好的管道安放好，管道焊接时管道要笔直。焊接时，首先要用切割器把管道口子削平，使管口能密封对接。焊接时，要把焊片预热到210℃，这样就可以把管道端部挤压到焊片上，在两个管道端部周围形成环形凸起。加热时，焊片温度应控制在预设范围内，以免熔融端面因PE材料失活而无法连接。加热结束后，快速移出焊条，然后把管端推进到结合处，形成左右翻边、内外翻边的环形凸起，使熔焊头自然冷却至少30min。回拖时，要注意钻杆的扭矩和钻杆的转速，并及时调整。在拖管的过程中，要对管道沿线的构筑物进行监控，发现超过警告值时，及时采取相应的措施。在回拖管线前，应先检查回拖管线的末端是否堵塞，以保证管线进洞后不会有泥浆灌入。

2.4 注浆加固

回拖管线时，应将两根D25 钢管连同管线一同回拖，回拖前应堵住钢管的出浆口。回拖结束后，将制备好的水泥浆注入钢管中，待钢管口出浆后，将钢管回拖，回拖1m 进行一次灌浆。由于终孔直径比管道直径大，管道铺设后留下的空洞对相邻结构的影响很大。非开挖工后注浆是用水泥泵向孔隙中注入浆液，形成固结体，起到加固土层的作用，同时降低上部地层的沉降量。在注浆初期，水泥浆液具有良好的流动性，充填了大量的孔隙，并与周围土体形成了牢固的整体，固化后的固结体对管线起到了一定的保护作用。为了改善水泥浆的性能，可向水泥浆中加入外加剂。表4 为常用水泥外加剂的种类和作用。

表4 常用水泥外加剂

2.5 造斜段的处理

管道水平定向钻回拖时，用一根细钢丝绑在管道末端。钢丝长度为L1，当全部钢丝入坑后，停止回拉，则钢管在挖掘端的位置刚好处于设计位置。在挖出部分空隙中填满沙子，以确保地面不塌陷[5]。

在钻机处的造斜段有3 种情况：①管材长度为6m，管材刚好位于井位，在并位处将管材从钻杆中分离出来，将管材口堵住，造斜段孔洞用砂填满。②管材长度为L2+L3，井位在找平处，在井位处将管材割断，将多余的管材拉出，将造斜段处空洞用砂填满。③管道的长度为L2+L3，且位于斜面上，可将斜面挖出。当周围无构筑物，且管道埋深浅，符合挖出条件时，可将管道平放；当管道较深的时候，需要对其进行支护，并对支护和周边构筑物展开沉降位移监测，在支护完成之后，开挖将管道放平，随后回填恢复。

2.6 注意事项

（1）水平定向钻进施工时，由于扩孔造成的孔洞会引起管道上的结构物沉降、开裂等问题，为了保证施工安全，必须加强对管道周围结构的监测。

（2）在水平定向钻进施工中，对导向标高的控制和泥浆配置起着关键性的作用，可适当增加泥浆的观测频次，应先对泥浆进行测试，确定泥浆的配比和添加剂的添加量。

3 管理措施

3.1 建设施工现场管理制度

在施工现场管理中，要建立完善的现场管理制度，并落实到具体施工流程中，确保施工过程中的安全问题能够得到有效控制。在施工现场管理制度中要明确施工人员的工作内容以及责任，加强对施工人员的监督，确保施工人员能够按照相关制度进行工作。另外，在建设现场管理制度时，要严格把控施工材料的质量问题，控制好水平定向钻进技术的质量问题，并严格按照相关规定进行操作。

3.2 强化BIM 管理软件的使用

在城市地下市政排水管道建设过程中，BIM 管理软件的使用能够提高污水管道铺设的质量，所以在施工过程中要强化BIM 管理软件的使用。在施工前，相关工作人员要对污水管道进行详细勘察，然后结合实际情况制定出科学合理的施工方案，在方案制定完成之后，还要通过BIM 管理软件对管道施工进行模拟分析，了解管道实际情况与设计方案的差异性，找出问题所在，并及时与相关部门沟通，确保污水管道建设符合规范要求。同时，相关工作人员要在施工过程中加强监督管理力度，确保水平定向钻进技术能够在市政排水管道建设中得到有效应用。

3.3 加强施工人员技术培训

在城市地下市政排水管道建设中，需要有效应用水平定向钻进技术，但是由于该技术较为复杂，所以在进行施工前要对施工人员进行专业技术培训，确保施工人员具备一定的水平定向钻进技术操作能力，而且要保证施工人员对相关规范和标准有足够的认识。同时，在培训过程中，要采用先进的教学方法，有效提高培训效率，通过实践操作来提高施工人员的实际操作能力。在培训结束后，要对施工人员进行考核和评价，确保水平定向钻进技术得到有效应用。

4 结语

综上所述，随着现代城市生活废水排放量的上升，很多地区都设置了大量的生活污水管网。在城市生活污水管线建设中，在不影响管线正常运行的前提下，可以使用水平定向钻进工艺，其具有十分显著的优势。在实际的施工过程中，要与污水管道的施工设计要求相结合，并根据施工现场的具体情况，对各个环节进行严格控制，对施工工艺进行优化，从而持续地提升污水管道施工的质量。