定向钻孔铺设HDPE管技术在市政管道工程中的应用

1 定向钻孔铺设定向钻孔铺设 HDPE 管技术在市政管道工程中的应用管技术在市政管道工程中的应用 周志杨 广州建筑工程监理有限公司 广州 510030 摘 要 定向钻孔铺设 HDPE 管技术具有安全 免开挖 工期短 对环 境影响小等优势 在不允许开挖地区市政管道建设中将得到更广泛的应用 关键词 定向钻孔 HDPE 管 回拖 市政管道 TheThe ApplicationApplication ofof DirectionalDirectional DrillingDrilling andand InstallingInstalling HDPEHDPE PipelinePipeline inin MunicipalMunicipal PipelinePipeline EngineeringEngineering Zhou Zhi yang Guangzhou Construction Engineering Supervision Co Ltd Guangzhou 510030 China Abstract With the advantages of safety non excavation short construction period and little impact on the environment the application of directional drilling and installing HDPE pipeline will be more widely applied in the constuction of municipal pipeline where excavation is not allowed Keywords directional drilling HDPE pipeline pull back municipal pipeline 1 前言 定向钻铺管技术最早出现在上世纪70年代 是传统的公路打孔和油田定向 钻井技术的结合 可用于输送石油 天然气 石化产品 水 污水等物质和电 力 光缆各类管道的施工 近年来 随着人们环保意识的不断增强和城市建设 标准的不断提高 我国城镇对雨 污水管网进行了大量的改造和建设 由于市 政管网普遍需要埋入城市各级道路下 采用传统的开槽埋管方法施工导致的社 会问题 交通问题和环境污染问题已越来越受人们的关注 特别是在人口密集 道路狭窄的城区 根本不具备开槽埋管的施工条件 极大的影响了市政配套设 2 施建设的进程 定向钻铺管技术具有安全 免开挖 工期短 对环境影响小等 特点 在市政管道工程上显出了其独特的优势 2 应用实例 2 1 工程概况 广州市九佛污水处理系统 棠埔路污水收集管道工程 W27 W59 管段长 960 米 采用 DN400 HDPE 中空壁缠绕管 管道埋设于车行道下 埋深 4 6m 原 设计采用明挖施工 棠埔路车行道宽 7m 是当地村民出行的唯一道路 村内有一座混凝土搅拌 站 大量重型运输车辆必须经过该施工段 根据地质报告 该段地下水丰富 管道埋设深度刚好位于砂性土层 如果采用明挖施工 极易产生管涌和流砂现 象 即使采用钢板桩支护 仍难避免附近地面下沉 加上大量重车通行 存在 极大的安全隐患 如果采用顶管施工 由于顶管工作井要求的尺寸较大 工作 井外剩余车道无法满足重型车辆的通行要求 经过多方论证 决定变更为采用 定向钻孔铺设 HDPE 管施工 2 2 施工工艺流程 定向钻孔铺设 HDPE 管施工工艺流程 施工准备 钻导向孔 多级扩孔 回 拖敷设管道 管道外壁注浆及造斜段灌砂填充 检查井砌筑 验收 2 3 施工准备 2 3 1 管材准备 1 管材 管件内壁平整 管身无气泡 杂质和裂缝 管口无破损或变形 2 管材 管件内径 壁厚满足要求 3 管材环钢度 抗拉强度等物理力学性能满足设计要求 施工前按规范 要求对材料取样送检 检验合格 3 管道回拖前预水压试验合格 2 3 2 确定最大回拖长度 根据本工程的地形 地质条件及以往的施工经验 取 4 个井段为一个施工 段 最大回拖长度 140m 2 3 3 计算最大回拖力并选定施工机械 3 定向钻最大回拖力应满足管材力学性能和设备能力要求 总回拖阻力按下 式计算 1 PPP F 4 RD a 2 k F P 101 LfDP 式中 总回拖阻力 kN P 扩孔钻头迎面阻力 kN F P 管外壁周围摩擦阻力 kN 1 P 扩孔钻头外径 m 取 0 55m k D 管节外径 m DN400 管取 0 42m 0 D 迎面土挤压力 kN m2 因回拖前已完成扩孔 且采用护壁泥浆润滑 a R 迎面仅承受泥浆压力 取 60kN m2 回拖管段总长度 m 取 140m L 管节外壁单位面积的平均摩擦阻力 kN m2 采用护壁泥浆润滑 取 1 f 3kN m2 代入相关数据计算 求的总回拖阻力为 568kN 定向钻机根据最大回拖力的 1 5 倍选择 即选择额定拉力为 850 kN 的钻 机 2 3 4 定向钻孔轨迹设计 定向钻孔轨迹包括两个部分 造斜段 图 1 中 AB CD 段 和铺设段 图 1 中 BC 段 因为该段管为重力流截污管 必须按设计流水标高埋设 以下是本工程 W27 W31 管段的定向钻孔轨迹设计 其一次牵引总长为 140m 其中 W27 管中埋深 5m W31 管中埋深 5 5m 流水坡度 0 1 1 造斜段距离 L 2 1 hRhL 4 式中 修正后的管中埋深 W27 处取 5 055m W31 处取 5 555m 由h 于 DN400 的扩孔直径为 D550 考虑管道上浮 取修正值为 55mm 造斜段曲率半径 根据钻杆最小曲率半径和所敷设管的曲率半 1 R 径取较大值 本工程取 1200d d 为钻杆直径 取 50mm 代入数据求得 W27 端 L 24 1 米 W31 端 L 25 2 米 2 钻杆入射角 a 2 arctan2a 1 hR h 式中各字母意义同上式 代入数据求得 W27 端 a 23 7o W31 端 a 24 8o 3 根据上述数据画出 W27 W31 定向钻孔轨迹设计图 图 1 图 1 W27 W31 定向钻孔轨迹设计图 2 3 5 开挖工作坑 每段牵引需要挖掘 1 个入口工作坑和 1 个出口工作坑 均采用机械挖掘 采用密扣钢板桩支护 入口工作坑是为了监测钻杆的钻进角度和旋转扭动等工作状态而设的工作 坑 在钻机前面 6 10 米处挖掘 尺寸为 1 5 6 米 挖深比造斜段钻孔轨迹深 约 0 5m 出口工作坑是为回拖时管道入洞而设的工作坑 其尺寸和施工方法与入口 工作坑相同 5 为保证扩孔及管道进出洞口过程中的土体稳定 工作坑进出洞口周边采用 注浆加固 2 3 6 施工控制井 为控制导向钻杆的敷设标高 在设计的检查井位置设置控制井 控制井采 用人工挖孔护壁作业法施工 开挖到检查井底标高并按检查井基础要求封底 为防止扩孔及管道进出洞口过程中漏水漏泥 控制井洞口设置能满足不同 口径要求的密封止水胶圈 2 4 钻导向孔 钻机根据设计的倾角固定后 控制钻杆的入射角度和钻头斜面的方向钻进 由于在钻头位置安装有带信号发射功能的探测仪器 地面接收仪器通过接收探 测仪器发出的信号 获得钻头深度 方位角 顶角及导向孔施工状态等参数 再根据所接收的数据调整钻头的角度 使钻头按照预先设计的轨迹前进 在钻 头通过控制井时 人工复核钻头的平面位置及高程 如有差异及时调整 钻头 到达出口工作坑 完成钻孔工序 2 5 多级扩孔 完成导向孔穿越以后 通过更换多级回扩钻头进行回拖 完成多级扩孔 第一次扩孔为 200mm 第二次扩孔为 400mm 如此类推 扩孔到 550mm 在扩孔 过程中 及时连续地注入护壁泥浆 其作用是减小切土扭矩 护孔成型 携带 钻屑和冷却钻头 2 6 回拖敷设管道 扩孔完成后 用电热熔法将 HDPE 管连接成所需长度 将管道两端封闭 一 端与扩孔器相连 将管道一次性拖入已形成的孔道内 为了避免在回拖过程中出现拉断管的情况 管道在回拖前应作如下处理 1 两端管头采用电热熔接头加固 并安装固定螺杆在管头增强部位 2 顺管外沿用 4 根 6mm 的钢筋紧抱管两端 管中央用 1 根 8mm 的 钢筋拉住管两端 在管外围每隔 10m 采用 6mm 的钢筋环形抱住外沿的 4 根钢 筋 钢筋纵向与管头固定螺杆焊接 用钢筋承受拖管的拉力 防止断管 2 7 管道外壁注浆及造斜段灌砂填充 管道外壁空隙采用水泥砂浆注浆填充 造斜段抽出泥浆后 用中粗砂灌水 6 填充密实 2 8 检查井砌筑 管道拖拉就位后 清理控制井 在控制井内按施工图要求砌筑检查井和批 荡 管道与检查井接头处采用中介层法连接 检查井壁与控制井护壁之间的缝 隙用石屑或中粗砂填充 用水冲实 2 9 验收 管道完成后 进行管道内窥摄像 CCTV 检测和闭水试验 均满足设计及 验收规范要求 3 总结 定向钻孔铺设 HDPE 管技术在不允许开挖地区市政管道施工中具有明显的优 势 逐渐成为解决城区市政管道建设难题的最佳方案之一 将得到更广泛的应 用 参考文献 1 中华人民共和国国家标准 GB 50268 2008 给水排水管道工程施工及验 收规范 S 中国建筑工业出版社 2 中国工程建设标准化协会标准 CECS 164 2004 埋地聚乙烯排水管管道