水平定向鉆在工程管線(xiàn)鋪設(shè)上的應(yīng)用

1、<p>　　水平定向鉆在工程管線(xiàn)鋪設(shè)上的應(yīng)用</p><p>　　摘要：近幾年,隨著水平定向鉆穿越控制精度的提高, 其在市政管網(wǎng)改擴(kuò)建項(xiàng)目及其他管道工程項(xiàng)目上, 顯出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。文中就水平定向鉆在工程管線(xiàn)鋪設(shè)上的應(yīng)用進(jìn)行了說(shuō)明。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：水平定向鉆工程管線(xiàn) 鋪設(shè) </p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：TU198 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A </

2、p><p><b>　　前言 </b></p><p>　　隨著城市化進(jìn)程的加快, 每年均需要敷設(shè)、擴(kuò)容、修復(fù)和更換大量的公用管線(xiàn)，如通信光纜、天然氣管道、供水管道、路燈管線(xiàn)、雨污管道等。這些管線(xiàn)往往沿著城市道路敷設(shè), 部分還穿越建筑物下地層及道路, 如采用傳統(tǒng)的開(kāi)挖道路法敷設(shè)管道, 將會(huì)嚴(yán)重影響人們的日常生活和生產(chǎn)。非開(kāi)挖敷設(shè)地下管線(xiàn)具有敷管位置精確、不破壞環(huán)境、不影響

3、交通、施工周期短等優(yōu)點(diǎn), 能取得良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。 </p><p><b>　　一、施工方法 </b></p><p>　　在城市地下管線(xiàn)的建設(shè)中, 中小口徑給排水管道占有相當(dāng)大的比重。隨著城市建設(shè)的要求越來(lái)越高, 定向鉆拖拉法成為中小口徑地下管線(xiàn)施工的首選。定向鉆拖拉法包括水平定向鉆拖拉法與二程式拖拉法, 其各自的特點(diǎn)如下: </p><p&

4、gt;　　1水平定向鉆拖拉法適用于被拖拉管道兩端有足夠的造斜段距離, 該方法不需要挖掘工作井, 拖拉距離最長(zhǎng)可達(dá)2000~ 3000 m左右(由管材及管徑?jīng)Q定) , 拖拉管的最大管徑DN 可達(dá)1500mm左右。 </p><p>　　2二程式拖拉法管道兩端無(wú)造斜段, 需要挖掘工作井, 管道長(zhǎng)度通常< 80m, 拖拉管的最大管徑DN 達(dá)到2000 mm左右, 更適用于對(duì)沉降和標(biāo)高要求高的場(chǎng)所。 </p&

5、gt;<p>　　與水平定向鉆拖拉法相比, 二程式拖拉法的施工難度大, 對(duì)施工設(shè)備要求高, 而且造價(jià)較高, 拖拉距離較短。因此, 中小口徑管道的非開(kāi)挖技術(shù)以應(yīng)用水平定向鉆拖拉法為主。 </p><p>　　二、水平定向鉆拖拉法的設(shè)計(jì)應(yīng)用 </p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備 </b></p><p>　　水平定向鉆拖拉管

6、的布置方案受多種因素的影響, 其中最主要的是現(xiàn)場(chǎng)的地上和地下條件。設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作的關(guān)鍵, 是做好穿越段的勘察測(cè)量和地上、地下障礙物(尤其是地下隱蔽障礙物)的調(diào)研工作?，F(xiàn)場(chǎng)的地上條件包括地形、地貌以及周?chē)ㄖ?、道路、河流? 地下條件包括工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、現(xiàn)有地下管道、地下水和地下隱蔽工程等。因此, 在水平定向鉆設(shè)計(jì)前必須取得第一手的地質(zhì)資料, 為編制設(shè)計(jì)方案和計(jì)算工程造價(jià)提供依據(jù)。這些資料一般包括: 現(xiàn)狀與規(guī)劃公用設(shè)施管線(xiàn)性質(zhì)、材

7、質(zhì)、位置、直徑和埋深; 現(xiàn)狀地面及地下樁基; 水(河、溝渠)、道路、橋涵或其他地面障礙物的資料;穿越地層的土質(zhì)類(lèi)型和結(jié)構(gòu), 土質(zhì)的主要物理力學(xué)特性(特別是土的抗剪強(qiáng)度和土層的內(nèi)摩擦角)、含水量、透水性、巖石硬度、含卵石或礫石的比例等。 </p><p><b>　　2 管材的選擇 </b></p><p>　　設(shè)計(jì)方案及參數(shù)的確定主要包括管材的選擇與穿越曲線(xiàn)的設(shè)計(jì)。水

8、平定向鉆拖拉法的常用管材為鋼管和PE 管, 這兩種管材采用水平定向鉆拖拉法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表1。 </p><p>　　根據(jù)鋼管與PE 管在水平定向鉆拖拉法應(yīng)用中各自的特點(diǎn), 一般情況下, 兩種管材的主要適用場(chǎng)合如下: 鋼管一般用于施工場(chǎng)地開(kāi)闊、拖拉距離長(zhǎng)的場(chǎng)合; PE管適用于施工場(chǎng)地相對(duì)受限、拖拉過(guò)程中要求更加靈活的場(chǎng)合。相比較而言, PE 管在水平定向鉆拖拉法中更為常用。 </p><p&

9、gt;　　3 穿越曲線(xiàn)的設(shè)計(jì) </p><p>　　穿越曲線(xiàn)設(shè)計(jì)即尋找最理想的鉆進(jìn)路徑, 它是水平定向鉆拖拉法設(shè)計(jì)的核心。拖拉管的穿越曲線(xiàn)由造斜段與水平段組成, 圖1為水平定向鉆拖拉管穿越曲線(xiàn)示意圖。 </p><p>　　水平定向鉆拖拉法穿越曲線(xiàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程如下: </p><p>　　( 1)對(duì)管道進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較與論證, 對(duì)工程特點(diǎn)進(jìn)行分析, 選擇最適宜的管材。

10、 </p><p>　　( 2)根據(jù)流量及試驗(yàn)壓力, 確定管道的壁厚和管道外徑D。 </p><p>　　( 3) 確定拖拉管水平段的埋深h 及長(zhǎng)度L3。L3一般是穿越障礙物的實(shí)際需要長(zhǎng)度。拖拉管的最小覆土需滿(mǎn)足以下要求: </p><p>　　a穿越公路、鐵路、河流時(shí), 其覆土厚度滿(mǎn)足有關(guān)專(zhuān)業(yè)規(guī)范的要求, 當(dāng)無(wú)特別規(guī)定時(shí), 應(yīng)符合表2 的要求; </p>

11、;<p>　　b敷設(shè)在建筑物基礎(chǔ)一側(cè)時(shí), 管道與建筑物基礎(chǔ)的水平凈距必須在持力層擴(kuò)散角范圍以外, 且應(yīng)考慮土層擾動(dòng)后的變化, 擴(kuò)散角須≮45o; </p><p>　　c 敷設(shè)在建筑物基礎(chǔ)以下時(shí), 必須經(jīng)過(guò)驗(yàn)算對(duì)建筑物基礎(chǔ)不會(huì)產(chǎn)生影響后, 方可確定埋深; </p><p>　　d與現(xiàn)有地下管線(xiàn)平行敷設(shè)時(shí),擴(kuò)孔與地下管線(xiàn)的水平凈距須≮0. 6m; </p><

12、;p>　　e與現(xiàn)有地下管線(xiàn)交叉敷設(shè)時(shí), 擴(kuò)孔與地下管線(xiàn)垂直凈距在黏性土中須≮0. 5m, 在砂性土中須≮ 1. 0m; </p><p>　　f遇可燃性管道、特種管線(xiàn)時(shí), 應(yīng)考慮加大水平凈距和垂直凈距。當(dāng)達(dá)不到上述距離要求時(shí), 應(yīng)增設(shè)技術(shù)與安全防護(hù)措施。 </p><p>　　( 4)確定拖拉管的曲率半徑。拖拉管的曲率半徑包括第l造斜段(鉆桿進(jìn)入敷管位置的過(guò)渡段)曲率半徑R1 及第2

13、造斜段(鉆桿鉆出地表的過(guò)渡段)曲率半徑R2。拖拉管的曲率半徑R 通常是由鉆桿的曲率半徑與管材的曲率半徑共同確定的。鉆桿的曲率半徑Rz 由鉆桿的彎曲強(qiáng)度所決定,但因鉆桿制造廠家的不同也有差異, 通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取R z≥1200Dz (Dz 為鉆桿外徑), 這是保證鉆桿不至于過(guò)載的最小轉(zhuǎn)彎限值。拖拉PE管的最小曲率半徑Rmin按( 1)式計(jì)算: </p><p>　　Rmin = 1000ED /( 2δp )( 1)

14、 </p><p><b>　　式中: </b></p><p>　　E→管道彈性模量, MPa; </p><p>　　D →管徑, m; </p><p>　　Rp →管道彎曲應(yīng)力, MPa。 </p><p>　　通常拖拉PE 管的曲率半徑大于管材外徑的40倍即可, 故其曲率半徑通常是由鉆桿

15、確定; 而鋼管的彈性模量較大, 拖拉鋼管的曲率半徑通常是由鋼管本身確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn), 拖拉PE 管的曲率半徑通常取R = 800D ~ 1200D, 拖拉鋼管的曲率半徑通常取R = 1200D ~ 1500D。 </p><p>　　( 5)造斜段水平長(zhǎng)度L1與L2 的確定。造斜段水平長(zhǎng)度是由水平段管道埋深h 與R 確定的。若造斜段水平長(zhǎng)度值太大, 則導(dǎo)致拖拉管總長(zhǎng)度增加, 致使總投資增加; 若造斜段水平長(zhǎng)度值太小

16、, 則難以達(dá)到要求的施工精度, 而且施工難度、風(fēng)險(xiǎn)增加。根據(jù)國(guó)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn), 造斜段水平長(zhǎng)度值一般為h 的8~ 10倍,而國(guó)外則高達(dá)11倍以上。 </p><p>　　( 6)入土角α與出土角β的確定。一般入土角α宜≯15O;出土角β由導(dǎo)向鉆桿及拖拉管材允許的曲率半徑較大者確定, 一般β宜≯ 20O。 </p><p>　　( 7)確定入土點(diǎn)α與出土點(diǎn)β。根據(jù)水平段埋深h、曲率半徑R 及入土角

17、α與出土角β等參數(shù), 可確定距障礙物最近的可能的入土點(diǎn)與出土點(diǎn), 得到拖拉管總水平長(zhǎng)度L, 從而可得到拖拉管穿越曲線(xiàn)的實(shí)際長(zhǎng)度Lˊ。Lˊ可以根據(jù)穿越曲線(xiàn)來(lái)計(jì)算, 也可以采用經(jīng)驗(yàn)值 </p><p>　　L ˊ= ( 1. 02~ 1. 04)L。 </p><p>　　( 8)拖拉管段回拉力P t 的計(jì)算。根據(jù)拖拉管的回拉力, 復(fù)核管道壁厚是否滿(mǎn)足拖拉的要求。拖拉管段的回拉力P t 為:

18、</p><p>　　Pt= Py + P f( 2) </p><p>　　Py =πDk2Ra /4 ( 3) </p><p>　　Pf = PDLˊf ( 4) </p><p>　　式中: P t →拖拉管段的回拉力, kN; </p><p>　　Py →擴(kuò)孔鉆頭的迎面阻力, kN; </p>

19、<p>　　Dk →擴(kuò)孔鉆頭的外徑, m; 一般為管道外徑的1. 1~ 1. 4倍; </p><p>　　Ra →迎面土積壓力, kPa; </p><p>　　Pf →管周摩阻力, kN; </p><p>　　f →管周與土的單位側(cè)壁摩擦力, kPa。 </p><p>　　迎面土積壓力Ra和管周與土的單位側(cè)壁摩擦力f 根據(jù)

20、各地的土質(zhì)狀況取值, 如東部沿海地區(qū)在護(hù)孔泥漿中黏性土取Ra = 50~ 60 kPa, f = 0. 3~ 0. 4; 砂性土取R a = 80~ 100 kPa, f= 0. 5~ 0. 7。拖拉管應(yīng)進(jìn)行必要的壓力試驗(yàn), 通常包括拖拉管材連接完成后的壓力試驗(yàn)以及拖拉管施工完畢的壓力試驗(yàn), 這是確保拖拉管施工質(zhì)量的重要手段。 </p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ) </b></p>

21、;<p>　　在城市地下管網(wǎng)建設(shè)包括供水、天然氣、電信、電力、排污等管線(xiàn)鋪設(shè)中，過(guò)去沿用的傳統(tǒng)施工方法是開(kāi)挖式埋管線(xiàn)，但該法速度慢，且影響交通和污染環(huán)境，遇到障礙物時(shí)更是無(wú)法穿越。隨著近年人們對(duì)生活質(zhì)量要求的提高和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，地下管網(wǎng)的建設(shè)速度和密度也迅速增大，在地下管線(xiàn)工程中使用先進(jìn)的非開(kāi)挖技術(shù)已是勢(shì)在必行。水平定向鉆進(jìn)作為非開(kāi)挖技術(shù)中最具活力的一項(xiàng)施工技術(shù)，具有導(dǎo)向準(zhǔn)確，在一定曲率半徑范圍內(nèi)繞避開(kāi)障礙物，避免破壞管

22、線(xiàn)經(jīng)過(guò)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，施工周期短等優(yōu)點(diǎn)。在管道工程施工中，該技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)得到充分體現(xiàn)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 孫曉寶,姜偉,解玉鑫.水平定向鉆設(shè)計(jì)考慮因素[J]. 國(guó)外油田工程. 2009(05) </p><p>　　[2] 張耀文.水平定向鉆技術(shù)在市政給排水工程中的應(yīng)用[J]. 建材