水平定向鉆在工程管線鋪設上的應用

1、<p>　　水平定向鉆在工程管線鋪設上的應用</p><p>　　摘要：近幾年,隨著水平定向鉆穿越控制精度的提高, 其在市政管網改擴建項目及其他管道工程項目上, 顯出獨特的優(yōu)勢。文中就水平定向鉆在工程管線鋪設上的應用進行了說明。 </p><p>　　關鍵詞：水平定向鉆工程管線 鋪設 </p><p>　　中圖分類號：TU198 文獻標識碼：A </

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

3、交通、施工周期短等優(yōu)點, 能取得良好的社會經濟效益。 </p><p><b>　　一、施工方法 </b></p><p>　　在城市地下管線的建設中, 中小口徑給排水管道占有相當大的比重。隨著城市建設的要求越來越高, 定向鉆拖拉法成為中小口徑地下管線施工的首選。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, 拖拉距離最長可達2000~ 3000 m左右(由管材及管徑決定) , 拖拉管的最大管徑DN 可達1500mm左右。 </p><p>　　2二程式拖拉法管道兩端無造斜段, 需要挖掘工作井, 管道長度通常< 80m, 拖拉管的最大管徑DN 達到2000 mm左右, 更適用于對沉降和標高要求高的場所。 </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, 對施工設備要求高, 而且造價較高, 拖拉距離較短。因此, 中小口徑管道的非開挖技術以應用水平定向鉆拖拉法為主。 </p><p>　　二、水平定向鉆拖拉法的設計應用 </p><p><b>　　1 設計前的準備 </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)場的地上和地下條件。設計前的準備工作的關鍵, 是做好穿越段的勘察測量和地上、地下障礙物(尤其是地下隱蔽障礙物)的調研工作。現(xiàn)場的地上條件包括地形、地貌以及周圍建筑物、道路、河流等; 地下條件包括工程地質、水文地質、現(xiàn)有地下管道、地下水和地下隱蔽工程等。因此, 在水平定向鉆設計前必須取得第一手的地質資料, 為編制設計方案和計算工程造價提供依據。這些資料一般包括: 現(xiàn)狀與規(guī)劃公用設施管線性質、材

7、質、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;穿越地層的土質類型和結構, 土質的主要物理力學特性(特別是土的抗剪強度和土層的內摩擦角)、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>　　設計方案及參數的確定主要包括管材的選擇與穿越曲線的設計。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經濟比較見表1。 </p><p>　　根據鋼管與PE 管在水平定向鉆拖拉法應用中各自的特點, 一般情況下, 兩種管材的主要適用場合如下: 鋼管一般用于施工場地開闊、拖拉距離長的場合; PE管適用于施工場地相對受限、拖拉過程中要求更加靈活的場合。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 穿越曲線的設計 </p><p>　　穿越曲線設計即尋找最理想的鉆進路徑, 它是水平定向鉆拖拉法設計的核心。拖拉管的穿越曲線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示意圖。 </p><p>　　水平定向鉆拖拉法穿越曲線的設計過程如下: </p><p>　　( 1)對管道進行技術經濟比較與論證, 對工程特點進行分析, 選擇最適宜的管材。

10、 </p><p>　　( 2)根據流量及試驗壓力, 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 及長度L3。L3一般是穿越障礙物的實際需要長度。拖拉管的最小覆土需滿足以下要求: </p><p>　　a穿越公路、鐵路、河流時, 其覆土厚度滿足有關專業(yè)規(guī)范的要求, 當無特別規(guī)定時, 應符合表2 的要求; </p>

11、;<p>　　b敷設在建筑物基礎一側時, 管道與建筑物基礎的水平凈距必須在持力層擴散角范圍以外, 且應考慮土層擾動后的變化, 擴散角須≮45o; </p><p>　　c 敷設在建筑物基礎以下時, 必須經過驗算對建筑物基礎不會產生影響后, 方可確定埋深; </p><p>　　d與現(xiàn)有地下管線平行敷設時,擴孔與地下管線的水平凈距須≮0. 6m; </p><

12、;p>　　e與現(xiàn)有地下管線交叉敷設時, 擴孔與地下管線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、特種管線時, 應考慮加大水平凈距和垂直凈距。當達不到上述距離要求時, 應增設技術與安全防護措施。 </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(鉆桿進入敷管位置的過渡段)曲率半徑R1 及第2

13、造斜段(鉆桿鉆出地表的過渡段)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 由鉆桿的彎曲強度所決定,但因鉆桿制造廠家的不同也有差異, 通常根據經驗取R z≥1200Dz (Dz 為鉆桿外徑), 這是保證鉆桿不至于過載的最小轉彎限值。拖拉PE管的最小曲率半徑Rmin按( 1)式計算: </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。根據經驗, 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)造斜段水平長度L1與L2 的確定。造斜段水平長度是由水平段管道埋深h 與R 確定的。若造斜段水平長度值太大, 則導致拖拉管總長度增加, 致使總投資增加; 若造斜段水平長度值太小

16、, 則難以達到要求的施工精度, 而且施工難度、風險增加。根據國內的經驗, 造斜段水平長度值一般為h 的8~ 10倍,而國外則高達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α與出土點β。根據水平段埋深h、曲率半徑R 及入土角

17、α與出土角β等參數, 可確定距障礙物最近的可能的入土點與出土點, 得到拖拉管總水平長度L, 從而可得到拖拉管穿越曲線的實際長度Lˊ。Lˊ可以根據穿越曲線來計算, 也可以采用經驗值 </p><p>　　L ˊ= ( 1. 02~ 1. 04)L。 </p><p>　　( 8)拖拉管段回拉力P t 的計算。根據拖拉管的回拉力, 復核管道壁厚是否滿足拖拉的要求。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 →擴孔鉆頭的迎面阻力, kN; </p>

19、<p>　　Dk →擴孔鉆頭的外徑, 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 →管周與土的單位側壁摩擦力, kPa。 </p><p>　　迎面土積壓力Ra和管周與土的單位側壁摩擦力f 根據

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

21、;<p>　　在城市地下管網建設包括供水、天然氣、電信、電力、排污等管線鋪設中，過去沿用的傳統(tǒng)施工方法是開挖式埋管線，但該法速度慢，且影響交通和污染環(huán)境，遇到障礙物時更是無法穿越。隨著近年人們對生活質量要求的提高和環(huán)保意識的增強，地下管網的建設速度和密度也迅速增大，在地下管線工程中使用先進的非開挖技術已是勢在必行。水平定向鉆進作為非開挖技術中最具活力的一項施工技術，具有導向準確，在一定曲率半徑范圍內繞避開障礙物，避免破壞管

22、線經過地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，施工周期短等優(yōu)點。在管道工程施工中，該技術的應用優(yōu)勢得到充分體現(xiàn)。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] 孫曉寶,姜偉,解玉鑫.水平定向鉆設計考慮因素[J]. 國外油田工程. 2009(05) </p><p>　　[2] 張耀文.水平定向鉆技術在市政給排水工程中的應用[J]. 建材