大口径PE管非开挖牵引施工技术的要点及经验.docx

施工与监理大口径管非开挖牵引施工技术的要点及经验pe徐 海 峰 ， 卢方 ， 戴 维 生( 绍兴市排水管理有限公司 ， 浙 江 绍 兴312000 )摘 要: 根 据 施 工 沿 线 的 地 质 、地 形 、地貌及景观需要 ，绍 兴 市 排 污 第 三 通 道 工 程 中 对 5 条 过河 管 道 采 用 dn1 200 聚 乙 烯 管 ( pe 管 ) 非 开 挖 施 工 方 法 ，该工 程顺利 实施并通过验收 ，填 补 了 多 项 管 道 铺 设 技 术 的 空 白 。结 合 绍 兴 市 排 污 第 三 通 道 管 道 铺 设 工 程 实 例 ，总 结 了 大 口 径 pe 管 非 开 挖 牵 引 设 计 、施 工 的 要 点 及 经 验 ，以 供 参 考 。关键词: 大 口 径 pe 管 ;牵 引 施 工 ;管 道 铺 设中图分类号:文献标识码:文章编号:1000 4602 (2010 )08 0108 05tu992cmain points and experience of trenchless construction technologyof large-diameter pe pipexu hai-feng， lu fang， dai wei-sheng( shaoxing drainage management co ltd，shaoxing 312000 ，china)abstract:according to the geology，topography，geomorphology and landscape needs along the construction route，for five pipelines crossing river，the trenchless construction method of dn1 200 pe pipe was used in the third sewage channel project in shaoxing city the project was successfully imple- mented and passed the acceptance a number of gaps in pipeline installation technology were filled combined with the pipeline installation case in the third sewage channel project in shaoxing city，the main points in trenchless design and construction of large-diameter pe pipe are summarized for referencekey words:large-diameter pe pipe;traction construction;pipeline installation为提高绍兴市区污水排放能力，保障排水系统的安全运行，2008 年底绍兴市排水管理有限公司实 施了绍兴市排污第三 通 道 工 程。 该 工 程 被 列 入2009 年度绍兴市重点工程，同时也是国家发改委确 定的 2009 年度新增城镇污水处理设施项目，工程总 投资为 8 142 万元，设计规模为 15 104 m3 / d，管道 铺设长度约 10 495 m。根据排污第三通道工程沿线 地质、地形、地貌及景观需要，对沿线 5 处过河管道 的铺设采用了非开挖牵引施工技术，牵引材料采用 pe100 级 sdr21 系列 dn1 200 给水管材( 承压能力 为 0 8 mpa ) 。 经 过 8 个 月 的 建 设，该 工 程 于 2009 年 8 月完工并顺利通过验收。绍兴市排污第三通道工程的顺利实施，填补了多项全国管道铺设技术的空白，其中大口 径 pe 管 非 开 挖 牵 引 技 术 的 成 功 应 用受到业界的高度关注。施工工艺及管材的确定 根据规划意见及现场实际情况，绍兴市排污第 三通道工程的管道铺设主要位于袍江工业区越东路 中央 6 m 宽的绿化带上，考虑到城市景观及绍兴市 袍江工业区后续开发的需要，对其中的 5 处过河管 采用地下穿越施工方法。根据地质报告，该 5 处河道地下土质主要为粉 质粘土和淤泥质粉质粘土，土质条件较差。 由于管 位位于道路中间绿化带且周边为快车道，采用地下1檲檲殘檲檲www watergasheat com徐 海 峰 ，等 :大 口 径 pe 管非开挖牵引施工技术的要点及经 验第 26 卷 第 8 期穿越的施工空间狭小、施工难度大。为此，工程建设单位组织设计人员和相关专家对该 5 处河道的过河 管施工工艺进行了研究讨论。目前常用的过河施工 工艺主要有顶管、围堰倒虹、沉管施工、非开挖牵引 等，从施工难度、对交通环境的影响、施工周期及综 合成本等多方面考虑，设计人员和专家一致推荐采 用非开挖牵引施工工艺。 在施工工艺确定后，又对 牵引所用的管材进行了选择。 目前，市政行业非开 挖牵引施 工 常 用管 材主 要有钢管和聚乙烯管 ( pe 管) ，由于工程现场地理环境对牵引长度的限制，再 加上 pe 管相对钢管在水力条件、耐腐蚀、抗应力开 裂性、抗快速裂纹传递能力及其他物理性能等方面 具有的优势，设 计 人 员 和 专 家 推 荐 使 用 pe 管 作 为 本工程非开挖牵引管材。鉴于目前国内同行业中采用大口径 pe 管牵引 施工成功的案例不多，本工程在正式确定该 5 处河 道过河管采用 pe 管 非 开 挖 牵 引 设 计 前，对 其 中 的8 # 桥实施了 pe 管 非 开 挖 牵 引 试 验 段 施 工 ( 总 长 为168 m) ，管材采用 sdr21 系列、内压为 0 8 mpa 的 dn1 200 pe 管，工程取得圆满成功。由此，工程建设 单位及设计单位正式确定对该 5 处河道过河管采用 pe 管非开挖牵引的方案。为保障起见，本工程在施 工招标中明确了管材由业主提供，施工单位需对管 材进行确认和对 pe 管非开挖牵引施工进行二次设 计。图 1 牵引轨迹fig 1 schematic diagram of traction path入土端斜直线段距离 l1 和出土端 斜 直 线 段 距 离 l4 宜为 10 20 m( 与钻杆长度有关，一般应是钻 杆长度的 3 倍以上) ;中间水平段穿越距离 l 则为河 床宽度;入土端和出土端的造斜距离按式(1 ) (4 ) 计算。l2 = 槡(2 r1 h1 ) h1(1 )(2 ) (3 ) (4 )h1 = h l1 tg1l = 槡(2 r h ) h3222h = h l tg242式中 r 入土造斜段曲率半径1r 出土造斜段曲率半径2总穿越平面距离 s = l + l + l + l+ l 。12342. 2牵引拉力的确定牵引过程中所需拉力主要由管道在洞内自重产生的摩擦阻力( f 自 ) 和管道在洞中的粘滞综合摩擦阻力( f 摩 ) 两部分组成。 最大牵引拉力的计算公式 如下:施工设计参数的确定 根据招标书及合同要求，施工单位对剩余 4 条 河道的地理环境进行了现场踏勘取样，根据实际情 况对 pe 管非 开 挖 牵 引 施 工 进 行 了 二 次 设 计，确 定 了实际牵引轨迹、牵引管道所需拉力及泥浆配比等 参数。(5 )2f m ax = fp0 l + dlp0 管道的重力，n / m式中f管道和孔壁之间的摩擦系数，取 0 2 0 6l管道长度，mdpe 管外径，mm泥浆的切应力，取 19 5 pa固相含量系数，取 10 40根据计算所需的最大牵引拉力，合理选取牵引 机械。该工程 中 分 别 选 用 威 猛 d100 120 水 平 导 向钻机、黄海 fdp 钻机及 zt 25 钻机等，钻机牵引 力为 180 250 kn。2. 3 钻进泥浆配比的确定钻进液通常称钻进泥浆，是一种由清水、优质粘 土( 膨润土) 、处理液 ( 若需要) 、少量的 聚 合 物 及 处 理剂( 若需 要) 组 合 而 成 的 混 合 物。 钻 进 泥 浆 是 非 开挖牵引成败的决定因素之一，如果泥浆配制不合2. 1牵引轨迹的确定牵引轨迹曲线设计是否合理，是整个工程取得成功的关键因素之一。牵引轨迹设计参数主要考虑以下几个方面: 管顶与规划河床断面最低处的距离5 m; 入、出土角度为 6 20 ; 聚乙烯管的韧性和可弯曲性较好，施工中 曲率 半 径 取 210 d ( 根据管材的要求，曲 率 半 径 200 d，d 为管道外径) 。牵引轨迹由入土端直线段、入土端造斜段、中间 水平段、出土端造斜段、出土端直线段组成，见图 1 。109中 国 给 水 排 水第 26 卷 第 8 期www watergasheat com理极易造成牵引失败。根据第三通道工程地质取样、地勘报告及其他 实际情况，结合以往绍兴地区施工经验及相关知识 确定了工程施工钻进泥浆配比，具体见表 1 。表 1 泥浆配比tab 1 drilling mud ratio3. 2 污水用 pe 管的管材无国家标准目前，国内尚无企业生产专业污水用 pe 管，污 水用 pe 管采用的都是给水用 pe 管。 市场现有 pe 管生产都是按照给水用聚乙烯 ( pe ) 管材( gb / t13663 2000 ) 国家标准执行。 在 实 际 使 用 中，由 于 污水用非开挖牵引施工 pe 管相对普通给水管在埋 深、受力等方面的巨大差异，造成给水用 pe 管不能 满足污水 用 非 开 挖 牵 引 施 工 pe 管的部分功能需 求，特别是 环 刚 度 和 管 道 允 许 轴 向 拉 力 两 项 指 标。 由于污水用非开挖牵引施工 pe 管 大 都 用 于 穿 路、 过河之处，埋深可达 10 m 及以上，需承受很大的土 压力，势必造成对环刚度的更高要求。同时，在非开 挖牵引施工过程中，牵引机械对管道的轴向拉力一 旦过大势必造成管材损伤。 因此，这两项指标对污 水用非开挖牵引施工的管材选择极为重要。而 gb /t 13663 2000 规定 的技术 要求中仅包括颜色、外 观、尺寸、静液压强度、物理性能、卫生性能等指标， 未对环刚度和管道允许轴向拉力两项指标进行强制 规定，造成管道出厂时产品合格证中未标明该两项 指标，产品进行复试时也不对该两项指标进行检验， 由此造成极易出现工程事故。 因此在管道设计时， 设计单位应明确环刚度要求;建设单位应要求管道 供应商提供产品的环刚度指标，并进行抽样复试，复 试合格后方可使用;同时，管道出厂产品合格证中应 明确允许轴向拉力的数值;施工单位在实施牵引作 业时应严格控制拖拉力，防止管材受损。3. 3 大口径pe 管非开挖牵引施工技术不完全成熟目前，pe 管非开 挖 牵 引 施 工 已 广 泛 用 于 给 水、 煤气、电力等行业，最大长度可达数百米，但管径一 般都在 dn800 以 下。 中 国 非 开挖技术协会编辑的 水平定向 钻 进管线铺设工 程 技 术规范中 对 非 开 挖水平定向钻进技术的描述也很明确:该技术常用 于直径1 m 的管线铺设，直径1 2 m 的管线铺设 受到限制。绍兴市排污第三通道工程完工后，对牵引管道进行了验收，除正常的水压试验(0 8 mpa) 外，还委 托专业管线检测单位对管道内部进行了 cctv 检测 评估，检测评估 报 告 表 明 已 牵 引 的 5 条 pe 管 内 壁 光滑，管道接口等都符合相关标准。3 设 计 、施工中遇到的问题及解决思路 由于大口径 pe 管用于非开挖牵引施工经验的 欠缺，绍兴市排污第三通道工程在实施过程中遇到 了很多问题，但最终都得到了有效解决。3. 1 设计、施工和验收规范无国家标准目前，pe 管特别是大口径管道用于非开挖牵引 技术还未完全 成 熟，国 内 尚 无 pe 管用于非开挖牵 引的设计、施工和验收的国家标准，各地沿用的大都 是行业规范或 地 方 标 准，这 种 现 状 给 pe 管 特 别 是 大口径 pe 管 用 于 非 开 挖 牵 引 的 设 计、施 工 和 验 收 带来了困难。绍兴市排污第三通道工程建设过程中采用的是 中国非开挖技术协会编辑的水平定向钻进管线铺 设工程技术 规 范和 福 建 省 建 设 厅 批 准 的水 平 定 向钻进管线铺 设工程技术规程 ，这些规程虽较为 详尽，但和实 际 设 计、施工和验收需求还有一 定 差 距，需结合其他规范和建设需要同步考虑。 工程建 设单位在 pe 管 非 开 挖 牵 引 的 设 计、施 工 管 理 和 验 收过程中，在参考行业和地方规范的基础上，并结合埋地聚乙 烯 给 水 管 道 工 程 技 术 规 程 ( cjj 101 2004 ) 及其他的相关规范，取得了很好效果。在技术上应注意的环节3. 3. 1 选择正确的管材目前，国内 尚 无 污 水 用 pe 管 非 开 挖 牵 引 施 工 管材的相关技 术 规 范，因 此 在 pe 管 非 开 挖 牵 引 施 工管材的选择上，设计单位要慎重考虑。 在管材的 确定方面，不仅要考虑常规的内压指标，还要考虑污 水用 pe 管非开挖牵引施工管材所需的特性和将来 的间歇运行需要，特别是环刚度和允许轴向拉力两110地层状况选用产品推荐用量*马氏漏斗 粘度 / s一般土 ( 粘土)hydraul ez( 易钻) / insta vis plus( 万用王)12 18 kg /1 25 2 5 l35 40淤泥质粉 质粘土hydraul ez( 易钻) / insta vis plus( 万用王)12 18 kg /2 3 l40 45粘质粉土hydraul ez( 易钻) / insta vis plus( 万用王)12 18 kg /3 3 5 l45 50注: * 指在 378 5 l 泥浆总量中易钻和万用王产品的 推荐用量;为改善 清 水 水 质，需 加 入 纯 碱 调 ph 至8 10 ，纯碱用量为 0 3 0 6 kg。www watergasheat com徐 海 峰 ，等 :大 口 径 pe 管非开挖牵引施工技术的要点及经 验第 26 卷 第 8 期项指标。 确定合理的导向孔轨迹和回扩直径导向孔轨迹主要决定于入土角、出土角、管道埋 深和管材曲率半径，并考虑牵引管道管径和地理环 境的影响。入土角、出土角一般为 6 20 ，管道埋 深需大于相关规范规定的覆土深度或钻孔的最终回 扩直径的 6 倍;在穿越河床时，管顶与规划河床断面 最低处的距离5 m。 曲率半径则根据管材的要求 确定。其次，应根据不同地质情况确定回扩 直 径。 根 据行业规范，回扩直径一般取 1 2 1 5 倍的牵引管 道直径。遇土层复杂时，回扩直径宜取大值。 在达 到设计回扩孔径清孔时，若成孔质量正常则清孔次 数一般不超过 2 次。 选用合适的牵引机械和拉管头在牵引施工前，施工单位根据计算所需最大回 拉力选用牵引机械。如果选用牵引机械的回拉能力 等于或仅略大于所需最大回拉力，一旦出现意外情 况，往往会发生因牵引机械回拉力不足而导致牵引 失败。如果选用牵引机械的回拉力过大，也容易造 成施工中的浪费。 所以在选择牵引机械时，一般宜 选用回拉能力相当于计算所需最大回拉力 2 倍的牵 引机械。此外，目前很多牵引施工企业选用钢索代替拉 管头进行牵引作业，容易造成受力不均或摩擦而致 钢索断裂引起牵引失败。为保障牵引施工的顺利进 行，应选用专用拉管头，并在拉管头和扩管头之间设 置单动接头和安全接头。 科学配制钻进液钻进泥浆有很多功能，最基本的功能是维持孔 壁的稳定性。 另外，泥浆还有携带钻屑、冷却钻头、 喷射钻进等功能。所以，在钻进过程中，监控和维持 泥浆粘 度、密 度、固 相 含 量、ph 等 技 术 参 数 极 为 重 要。尤其是大口径 pe 管的牵引，由于孔径大、成孔 和护孔困难，泥浆的配比尤为重要。 工程建设单位 应要求牵引施工单位根据地勘及现场取样进行泥浆 配比试验，配制合理的钻进液，必要时可要求施工单 位选用进口膨润土配制泥浆。 在实际配制时，应保 证泥浆的膨化时间，在钻进过程中，一旦孔内情况有 所改变，则应根据需要及时调整泥浆的技术参数，确 保泥浆的使用效果。 准备足够的回拖装置由于大口径 pe 管非开挖牵引的施工技术尚未完全成熟，风险很大，为此施工单位在正式牵引前应 准备足够的应急回拖装置。一旦出现异常情况导致 无法顺利牵引，应及时利用回拖装置进行回拖。 及 时回拖一方面可以降低施工损失，另一方面也为下 次牵引创造条件。 处理好与其他管材的连接绍兴市排污第三通道工程 除 过河牵引管 采用 pe 管道外，其余管段采用的是钢管和球墨铸铁管。 其中，pe 管通过钢管与地埋管连接，pe 管与钢管采 用钢塑法兰( pe 管 侧) 与 钢 制 法 兰 ( 钢 管 侧) 连 接。 根据管材的国家标准，钢管管件采用的是公称直径( dn) 标注，而绍兴市给水用 pe 管配套管件采用的 是公称外径 ( dn ) 标 注。 绍 兴 市 排 污 第 三 通 道 工 程 采用的 pe 管 公 称 外 径 为 1 200 mm，壁 厚 为 57 2 mm，内径 为 1 058 6 mm; 钢管公称直径为 1 200 mm，壁厚为 14 mm 和 16 mm，外径为 1 220 mm;由 于两侧法兰内径不等，法兰连接处垫片接触面积偏 小，密封效果不好，给今后的运行带来隐患。针对该 问题，工程建设单位委托专业厂家对法兰垫片进行 了重新加工，有效解决了该问题。pe 管在与其他管 道连接时，也应注意该问题。3. 3. 2 在管理上应注意的环节 施工前对施工组织的审查完善的施工组织是整个施工过程顺利进行的关 键，建设单位和监理单位应在施工前对施工单位编 制的施工组织设计进行认真审查，确定施工设计科 学合理，并且要在考虑了所有的工程细节后方可审 批通过。 施工过程中的实时监测和管理导向、扩孔、清孔、回拖施工过程中，牵引机械反 映的每一项力学指标的变化都会直接影响牵引施工 的进程。因此，建设单位或监理单位在施工过程中 应进行实时监测和管理，应按每根钻杆记录牵引机 械的拉力、扭矩、钻速等参数。 若拉力、扭矩等参数 的变化出现异常时应停止拖管，分析原因并及时采 取处理措施，排除异常后方可继续施工。此外，在导向钻进过程中，也应对每一个导向点 进行高程和平面坐标的跟踪测量，记录好每一根钻 杆的角度、深度。 施工完成后的竣工验收非开挖牵引施工的验收可分为回拖前验收和竣111中 国 给 水 排 水第 26 卷 第 8 期www watergasheat com工验收两阶段。 回拖前验收的内容 主 要 包 括 对 pe管材料的验收、对 pe 管焊接质量的验收、对焊接完 成的整条 pe 管 进 行 水 压 试 验、对钻进轨迹进行验 收等;竣工验收是在工程竣工后组织的验收，主要包 括对牵引后的管道进行水压试验、委托专门管线检 测单位对牵引的 pe 管进行管内 cctv 检测、竣工资 料的验收及按规范和合同约定的其他要求。 其他管理细节a 既有地下管线的探测。牵引施工作业前必须 对施工作业 区 范 围 内 的 既 有 地 下 管 线 进 行 详 细 勘 察，防止出现意外事故。b 泥浆的处理。大量的泥浆通常在工程结束后 才进行处理，建设单位应在不污染环境的前提下提 前考虑或要求施工单位考虑泥浆的处理问题，防止 工程结束后遗留该问题。结 论绍兴市排污第三通道工程对大口径 pe 管非开 挖牵引施工的应用，为行业内对该技术的推广使用 积累了经验。只要科学设计、严格管理，随着大口径 pe 管非开挖牵引施工的不断推广应用、相关国家规 范的不断完善出台，该项技术将日益成熟。4参考文献:1 陈宏伟 给水 pe 管用于污水管道的工程实践及相关 问题探讨j 给水排水，2008 ，34 (6 ) :90 91 刘 伟 pe 管材在给排水系统实际应用情况的探讨 j 黑龙江科技信息，2008 ，(31 ) :26 26 ，86 2 电话:(0575 )88027091e mail:328514650 qq com收稿日期:2009 11 21櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵