牵引管法在城市污水管网施工中的应用

【摘要】“十一五”期间单位GDP能耗降低20%，主要污染物排放总量减少10%，这是贯彻落实科学发展观，构建社会主义和谐社会的重要举措，是推进经济结构调整，转变增长方式的必由之路。在国家政令的大背景下，近几年各地为了完成节能减排指标，采取了多种方式，建设城市污水处理厂就是其中一种。本工程就是在这个背景下为已建的污水处理厂建设配套设施-----城市污水管网，在管网施工过程中，采用了直埋式、顶管法和牵引管法施工工艺，本文主要介绍牵引管法施工的技术特点及施工过程中的一些成功经验。

【关键词】 牵引管法管网BT（建设-移交）

[ Abstract ] " eleven five" period the unit GDP energy consumption decreased 20%, the total discharge of major pollutants reduced by 10%, which is implementing the scientific outlook on development, building a socialist harmonious society and an important measure, is promoting the economic structure adjustment, change the mode of growth of the route one must take. In the national government under the big background, in last few years each district to complete the energy-saving emission reduction targets, adopted a variety of means, construction of city sewage treatment plant is one of a kind. The project is in this context have been built for the sewage treatment plant construction facilities - the city sewage pipe network, the network construction process, using the type, pipe jacking method and drawing pipe construction technology, this paper mainly introduces the traction tube method construction technology and construction process of some successful experience.

[ Key words ] traction tube method Guan Wang BT ( build - transfer)

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

工程概况

某市城市污水管网、泵站及城市防汛应急治理工程采用BT（建设-移交）模式融资投资建设，工程内容包括约75km的污水管网铺设、两座污水提升泵站及城市防汛应急工程等，工程总投资1.3亿元，其中建安投资约7500万元。本项目主要是污水管网铺设，采用的工艺包括直埋式、顶管法和牵引管法施工，基本综合了市政管网施工常见的施工方法，本文主要介绍牵引管法施工的技术特点及施工过程中一些经验总结。

本工程中牵引管采用PE管接头熔接形式，管径D400～600，总长度1835m。

二、牵引管施工原理

牵引管法也称水平导向钻进法，它的主要特点是，可根据预先设计好的牵引线路驱动装有楔形钻头的钻杆从地面钻入，地面仪器接收安装在钻头内的传感器发出的信息，控制钻头按照预定的方向绕过地下障碍物直达目的地，然后卸下钻头换上适当尺寸和特殊类型的回程扩大器，使之能够在拉回钻杆的同时将钻孔扩大至所需直径，并将需要铺装的管线同时返程牵回钻孔入口处。在整个工作中，特别的混合机组提供的钻孔混合液不断地从钻头的钻口嘴喷出，用以钻头、钻杆和加固孔壁，以提高整个施工过程的工作效率。

三、施工方案

1、施工工艺流程图

准备工作

前期调查：这是准备工作中非常重要的一个环节，施工前一定要摸清施工范围内地下有无障碍物，如电缆、光缆、自来水管道、煤气管道、热力管道等市政管线，减少安全事故的发生，确保施工顺利进行。

方位定位：根据施工图纸，进行测量放样。并根据施工范围的地质情况、埋深、管径确定管材和一次牵引管道长度，并计算牵引法施工中的两个重要钻杆轨迹参数---造斜段（曲线段）距离和钻杆入射角。

根据地下管线布置图设计钻杆的钻进轨迹。轨迹包括两个部分，造斜段和铺设段。因为该段管为重力流截污管，必须按设计流水标高埋设，埋深按照设计提供的流水标高确定。

①造斜段（曲线段）距离L：

L＝[h×(2R1-h)]×0.5

式中：h ——埋深

R1——造斜段曲率半径，取1200d。

②钻杆入射角a：

a＝0.5tg-1{[h×(2R1-h)]×0.5/h}

式中各字母意义同上式，求出a值。

2.3导向孔

导向孔采用碎岩钻头钻进，钻压从钻杆尾部施加，并辅以配制好的泥浆（膨润土、烧碱和水根据地层地质情况配制，泥浆具有护壁、等作用）施工成孔。钻头通常都带有一个斜面，所以钻头连续回转时则钻出一个直孔，而保持钻头朝某个方向不回转加压时，则使钻孔发生偏斜。探测器或探头可以安装在钻头内，也可安装在紧靠钻头的地方，探头发出信号，被地面接收器接收或跟踪，从而可以监测钻孔的方位、深度和其它参数。

2.4扩孔、成孔

在孔洞形成后，将导向钻头卸下，装上比孔洞大1.2~1.5倍扩孔钻头，然后将钻头往回拖拉至初始位置，卸下该钻头，换上更大的钻头，来回数次，直到符合回拖管道要求。

2.5牵引管道

钻孔完成后，将管材连接成需要长度，将管材两端封闭，一端与钻头相连，将其一次性拖入已形成的孔洞中，即完成整个埋管工序。

2.6闭水试验：管道施工完毕后按照规范要求进行闭水密闭性试验。

3、施工设备

本工程采用国产DDW-350牵引钻机，马克Ⅲ导向仪。另配功率为45KW的不停钻射流循环泥浆搅拌系统，可快速制备钻进所需泥浆；操作台全功能数字仪表显示，独立的液压锚桩系统，钻机整体性能优越。

定向钻进技术要依靠准确的钻孔定位和导向系统。随着电子技术的进步，导向仪器的性能已有明显改善，能获得相当高的精度。导向系统有几种类型，最常用的如“手持式(walk-over)”系统。

其它重要的附助设备包括：聚乙烯管焊接机、管道支护滚轴和电缆牵引器。

四、施工过程中常见问题及处理方法

1、钻孔轨迹设计问题

进行水平定向钻进，科学合理的钻孔轨迹设计是非常重要的。良好的轨迹设计不但可以确保施工安全，还可大大提高工程效益。水平定向钻孔的轨迹型式是由直线段和造斜段（曲线段）组成，作为铺设管线的孔洞，大多数管线希望以直线并且最好是水平直线铺管，如果地下空间位置许可，应当将水平定向钻孔的水平直线段设计为铺管段，而将斜直线段和造斜段作为钻孔施工工艺段。钻孔入、出土的斜直线段由设备位置、管沟位置、孔壁支撑力、钻杆工况和设备能力等因素所确定，实践中如果为了缩短钻进距离，可以将入、出土段设计为曲线段；而曲线段多是为了连接斜直线段与水平直线段的工艺需要，以及为了绕过地下障碍物所需要的。

钻孔轨迹设计中，应当说曲线段设计才是真正的难题。曲线段作为钻孔的一部分，既要保证钢质钻杆在其中受到复杂应力时的工作安全，又要保证管道回拖通过时的受力安全，如果曲线段是铺管段，还必须满足管道工作安全的规范要求。

2、回拖铺管拉力超限问题

回拖铺管过程中，拉力超限经常遇到，造成此种情况的原因除了管道在孔中的摩擦力外，阻力还来自另外两种情况：①来自淤积在管头前部泥渣产生的阻力，而且这种阻力随着回拖管线的长度的增大而不断增加，如果地质是坚硬的岩石或岩块，可能在管头前部形成坚硬的楔状垫层，使管道上抬挤紧孔壁，增大了回拖阻力，如果处理不当，最后可能导致拖管无法完成甚至钻杆折断事故；②铺设的管道多为PE软管，在回拖过程中尤其在弯曲孔段管道很容易产生弹性变形，这样对孔壁又产生了一个附加的阻力，也增大了回拖拉力。针对这样的问题，在本工程施工过程中也进行了一些尝试，取得比较理想的效果，如：①采用开口托管工艺：在实际施工过程中钻孔完全清洁是非常困难的，开口拖管可以将管头的泥皮、岩屑等物质纳入管道内部，降低回拖阻力，铺设完毕再用水射流清洗管道；②在回拖前用一个与铺设管道同径的排渣管将孔内的沉渣排捞一遍，可以大大降低回拖阻力；③因牵引管多为柔软的PE管，柔性大，易变形，可以在铺设的管道内内衬一个刚度较大的其他管道，可很好的解决柔性管变形问题。

3、钻杆折断、钻齿脱落问题

施工过程中，钻杆折断是施工过程中最常见的孔内事故之一。孔内钻杆承受着压、拉、弯、扭等多种荷载的作用，是处在复杂的应力状态下进行工作的，并经常和孔壁岩石、砂砾石摩擦损耗使其强度降低，而且孔内地质情况复杂，回转阻力大等多种原因，极易造成钻具从其薄弱部位发生折断。

通常出现以下现象可断定钻杆发生断裂①扭力或回拖力骤然降低；②泵压明显下降；③探测仪器接收信号无明显变化；④钻杆旋转、钻机前后雷达接收钻头信号不精确。

造成断杆事故的主要原因有：①钻杆在超径孔段断裂：一般是由于泥浆护壁达不到要求，失水量大，泥浆中的自由水在压差作用下大量渗入孔壁，造成孔壁垮塌，孔壁严重超径。钻孔自由空间增大，在轴向压力作用下，钻杆弯曲变形也大，钻杆在旋转和扭力的共同作用下很容易折断。②变径接头：丝扣连接处丝扣不到位，不能完全咬合，造成在钻进及扩孔施工过程中丝扣受力不均匀引起断杆。③钻孔轨迹曲率半径过小造成钻杆断裂：钻进（回扩）作业时，扩孔器往往突然受到较大的阻力而被卡住，此时钻进还在不停的施加扭力和回拖力，在这一短暂的时间里，钻杆将承受巨大的扭力和拉力。

断杆事故的预防措施：①复杂地层钻进、扩孔时预防坍塌、掉块和钻孔超径，保持孔内清洁，以减少钻进时钻杆的磨损。②每次下钻加杆或扩孔加接钻杆前，应检查钻具磨损弯曲情况。③施工时要掌握操作要领，钻进及扩孔时给进或回拖力要保持适中，进入裂隙发育、砂砾石、坚硬岩石等地层，压力要适当减少，转速要相应提高。如出现卡钻现象要迅速减少给力或回拖力，避免钻杆受到较大强度的扭力。④扩孔器和其后部的钻杆通常由分动器连接，此连接方式不宜采用通常的柔性连接方式，而应采用刚性连接方式，以便在扩孔器损坏后能顺利退出孔外并更换。⑤应根据钻头的质量优劣及岩石的硬度，研磨性、破碎程度等因素估计钻头的寿命，及时更换钻头，否则会因钻头损坏发生滚刀脱落孔内的事故。

4、导向钻进或扩孔时卡钻

导向钻进或扩孔时卡钻是施工中比较常见的孔内事故，其危害较大，处理也是十分艰难。因此，要充分分析卡钻（卡管）的原因，以便进行有效地预防和处理。

在卡钻的各种类型中，粘附卡钻的发生最为频繁，造成的损失也最大。粘附卡钻时钻具在孔内静止一定时间就可能发生。粘附卡钻发生后，钻具既不能转动，也不能上提下放或活动范围很小，泵压变化也不显著。发生的原因是钻进过程中方位角发生变化，在定向钻孔中，钻具因重力作用躺在孔壁上，钻具与孔壁在很长的孔段上保持很大接触面积。若这个孔段上有渗透性地层，钻具就被钻孔中的液体压力与地层压力所形成的压差紧紧地压在孔壁上。

影响粘附卡钻的因素有：①泥皮摩擦系数越大，则粘附力越大，越易引起卡钻。②钻具与孔壁的接触面积越大，则粘附力越大，也易引起卡钻。接触面积又和钻具与孔壁接触的长度有关。接触长度越长，钻具被泥皮包围的角度越大，则越易引起泥皮粘附卡钻。③泥浆的密度越高，泥浆液柱压力越大，压差就大，粘附力也越大，越易引起粘附卡钻。上述各因素中第一种因素是关键，因为泥浆密度的高低是根据地质情况所决定的，只能适当控制和调整。由上可见，泥浆密度和接触面积是一个相对稳定的因素，那么要防止粘附卡钻，主要应降低泥皮的摩擦系数，提高泥皮质量来解决。因此，保持良好泥浆性能，使泥皮薄而光滑是防止此类卡钻的主要手段。

预防此类卡钻的主要措施有①保持泥浆性能良好、均匀、稳定、泥浆失水量小，泥皮要薄而坚韧致密。②控制泥浆的固相含量，清除有害固相，泥浆含沙量宜控制在0.5%以为。③加入物质或剂，提高泥浆和泥皮的性，减少或降低泥皮的摩擦系数。

五、结束语

本文是本人根据该工程施工过程中取得的施工经验完成的，因项目工期紧，时间仓促，没有对具体地层适合何种配比的泥浆比重对施工质量和施工安全比较有利、何种地层该用何种钻压、何种转速对钻进或回拖比较有利等进行详细的分析研究，略显不足，需在以后工作中不断的完善，以期待其能充分发挥该技术在城市管网建设中应用的优越性。