小型非开挖钻机大弧度弯曲铺管施工技术

[摘要]根据现场的地形、地貌及地质情况,结合原有的建筑物,在Ø73mm钻杆连续极限弯曲的前提下使用非开挖铺管施工技术。本次所使用的Ø73mm非开挖钻杆,是优质合金钢调质(淬火―回火)处理的钢材,钢级为R780。新钻杆的屈服强度为65m,具有强度高、弹性好等优点,具备良好的坚韧性、柔韧性。现场施工中,钻杆受下列多种因素的影响:一是采用螺旋扣连接,二是施工磨损降低了其强度,三是液压给进推力和旋转钻进等外力作用,屈服强度值远达不到65m。结合往日的安全施工实例和厂家介绍,以15%/3m的变化或以12%/3m连续变化3根钻杆(9m)的弯曲为极限,超过上述弧度极易发生钻具断裂或脱扣的安全事故。

[关键词]小型非开挖定向钻机极限弯曲转弯弧度大弧度弯曲

1工程概况

福建师大附中燃气管穿越工程是状元府小区燃气接入项目。其主要任务是:从师大附中东北侧沿进步路人行道铺设Ø110mm×9 mmPE燃气专用管道,长度为297m,附带一根阴极信号线(见图1、图2)。采用非开挖铺管技术施工,工期为5天。

2现场勘察

2.1 穿越段原地下管网

工区内地下管网相对较少,主要有:①通信、埋深为1.6m以上,靠近道路的东侧;②雨污混流管,埋深为1.3～1.7m,沿道路中心走向顺流而下;③Ø350mm给水管,在道路西侧的人行道上,埋深最大不超过1.5m;④正在施工中的公园西路污水管道,埋深为1.8～2.4m;⑤其它横穿的支线管道埋深均不大于1.2m。

2.2 地形地貌及地层地质概况

进步路北连麦圆路、南接公园西路的一条小路,平直段的宽度大约为6m,道路的弯曲部分最宽为8.3m,东侧人行道宽1.5～2.5m之间,拐弯处人行道即为民居门口。其走向为东偏南西偏北,由北向南依山腰顺势弯曲而下;路西侧皆为陡坎,小山包下部为早年战备防空洞,洞内情况复杂。

根据现场工作坑的开挖断面及小区污水管接入开挖的情况分析:砼路面为0.25～0.3m,稳定层为0.3～0.6m;山包底部道路平缓处2.5m以上为粘土,下部为残积土;山坡部分估计上部为地表覆盖粘土,下部为残积土或风化地层,具体地层概况无法获取。

3铺管施工

3.1 施工设备

本次施工采用钻通ZT-25型非开挖钻机设备一台。其技术参数为:给进力250kN、回拖力250kN、回转力7kN,BW25型水泵泵压8Mpa,泥浆最大排量250L/min。

美国Eclipse导航仪、双频信号棒,其技术参数如下:高频12kHz、低频1.5kHz,3m内误差不大于1%,5m内误差小于10cm,最大测深15m。

3.2 现场布置工作

根据各接点的具置开挖两端的工作坑。

师大附中接出点工作坑尺寸:

长×宽×深=3.5m×1.0m×1.2m

小区接入点工作坑尺寸:长×宽×深=4.0m×1.2m×1.6m

3.3 导向孔施工

3.3.1导向孔设计

3.3.1.1平面设计

①为了后续污水管项目的安全施工,平面上尽量不与污水管的设计重合、相交,如若有局部相近或交叉,在剖面上要确保比污水的高程低1.0m以上。②穿越的路径避开防空洞和民居。

3.3.1.2剖面设计

图3现场剖面设计图

如图3所示,前半部A段污水的高程为地面向下2.2m,相交处穿越的导向深度设计大于3 .2m;B段路的西侧有一个封闭的拱形门的上半部,据当地居民陈述,是早年战备防空洞,为了确保安全穿越采取与现有雨污管相近的埋深。C段是施工的最大弯曲段,是本次施工的难点和关键段,平面上与进入居民区的设计污水管相交,污水的流水线设计埋深2.5 m,所以本段穿越应不小于3.5 m。其余部分只要与原有管网有相应的安全穿越距离,均要在浅层地表覆盖土层施工,尽量减少在残积土硬地层中施工的长度。

3.2 平面弧度的计算方法

图4平面弧度计算方法示意图

在道路大弯曲的两侧直路段如图4所标注,在路的中心线取A、B、C、D四点用细绳延长AB、CD线段设,交点为E,E点正处在小区小路上。

BE延长线上取EF线段的长为5.0m,作FG与CD延长线垂直(近视值),交点为G,量取EG、FG的长度分别为2.52m、4.35m。

由三角数函数计算可知∠DCG≈60°、∠BCE≈180°-60° =120°。道路中心线的夹角为120°,说明穿越弯曲的弧度变化是180°-120°=60°,由仪器操作手册的弧度与百分数换算表中可知,本次弯曲的弧度百分比约等于100(%)。

根据以往施工的经验,每根钻杆(3.0米)每次最大变化为:在粘土和淤泥地层不大于15%/3m,砂层、残积土不大于12%/3m;弧度每段连续变化不大于36%/9m,直线过渡段应不小于连续弯曲段长度的安全施工范围内,设计如下:

穿越道路转弯长度约49.0米,变化总弧度约为100. 0%。如果按平均圆滑弧度施工,因为道路较窄,转弯尺度不够,穿越路很快会超越人行道进入民宅而无法施工,所以本次设计以三次大弧度变化来完成弯曲。

如图4所示,第一、二段弯曲变化分别为36%、变化段的长度都以三根钻杆,直线过渡段安排3根钻杆长度,总长度为36m;第三段变化28%,变化长度也为3根钻杆,直线段以剩余穿越的长度过渡。

3.3 导向孔的钻进

(1)挑选磨损较小的好钻杆,检查每根钻杆的螺旋丝扣是否完好。

(2)加工特制的尖嘴导向斜掌,以便在硬地层导向施工时减小给进阻力,使钻孔平滑,防止异常弯曲;保护钻具,确保施工安全。

(3)加固地锚及对钻机入口悬空钻杆采取木头三脚架支撑,防止钻杆给进时受力弯曲变形。

(4)在弯曲段导向施工时,加大水泵泵压,减小给进阻力。

(5)根据设计的轨迹谨慎钻进。

在大弧度弯曲第一、第二段保证每根钻杆弯曲变化在12%左右的施工方法是:一是在地面计算好的每根钻杆的偏移点用红漆标注,偏移值以后方直线段延长线的垂距分别约为20cm(第一根)、80cm(第二根)、1.80m(第三根)作为参照点;二是参考面向角为十二点钟时,推进的长度和压力的大小所产生的倾角的变化来估算面向角为三点钟时,向右偏移的弧度变化;准确进入直线过渡段。第三段弯曲施工采用相同的方法保证偏移的弧度,完成大弧度弯曲定位施工。在实际施工过程中,直线过渡段如果需要,可以做小弧度相同弯曲的调整。第三段弯曲时,只要不超越人行道进入红线区而又能进入接入点工作坑的前提下,尽量延长以减小弯曲弧度,保证施工安全。

3.4 回扩铺设管线

按非开挖的正常工序先采用Ø230mm钻头(最小扩孔器)回扩钻孔,然后把每根8m长的所铺设的燃气管道,用热熔接管工艺焊接起来,再采取回拖铺管工序铺设管线。本次施工因为孔径长,弯曲较大,阴极信号线采用耐拉力的钢芯铜绞电缆,每10m把电缆和管道用胶带绑紧,防止电缆扯断造成返工事故。

4项目施工的意义

多次大弧度连续弯曲是非开挖施工的大忌,只适用于小管径PE管道,管壁也有较严格的要求,稍有不慎就会造成钻具脱扣和管道变形。合理的设计措施能使高风险的项目顺利施工。

本项目竣工对道路特别是民宅未造成任何的影响,并给后续的污水改造也留下了足够的施工空间。化解了管道施工对当地居民的影响,让造福市民的工程深得人心,也为今后类似的工程提供了宝贵的经验和方法。