水平定向钻在工程管线铺设上的应用

摘要：近几年,随着水平定向钻穿越控制精度的提高, 其在市政管网改扩建项目及其他管道工程项目上, 显出独特的优势。文中就水平定向钻在工程管线铺设上的应用进行了说明。

关键词：水平定向钻工程管线 铺设

中图分类号：TU198 文献标识码：A

前言

随着城市化进程的加快, 每年均需要敷设、扩容、修复和更换大量的公用管线，如通信光缆、天然气管道、供水管道、路灯管线、雨污管道等。这些管线往往沿着城市道路敷设, 部分还穿越建筑物下地层及道路, 如采用传统的开挖道路法敷设管道, 将会严重影响人们的日常生活和生产。非开挖敷设地下管线具有敷管位置精确、不破坏环境、不影响交通、施工周期短等优点, 能取得良好的社会经济效益。

一、施工方法

在城市地下管线的建设中, 中小口径给排水管道占有相当大的比重。随着城市建设的要求越来越高, 定向钻拖拉法成为中小口径地下管线施工的首选。定向钻拖拉法包括水平定向钻拖拉法与二程式拖拉法, 其各自的特点如下:

1水平定向钻拖拉法适用于被拖拉管道两端有足够的造斜段距离, 该方法不需要挖掘工作井, 拖拉距离最长可达2000~ 3000 m左右(由管材及管径决定) , 拖拉管的最大管径DN 可达1500mm左右。

2二程式拖拉法管道两端无造斜段, 需要挖掘工作井, 管道长度通常< 80m, 拖拉管的最大管径DN 达到2000 mm左右, 更适用于对沉降和标高要求高的场所。

与水平定向钻拖拉法相比, 二程式拖拉法的施工难度大, 对施工设备要求高, 而且造价较高, 拖拉距离较短。因此, 中小口径管道的非开挖技术以应用水平定向钻拖拉法为主。

二、水平定向钻拖拉法的设计应用

1 设计前的准备

水平定向钻拖拉管的布置方案受多种因素的影响, 其中最主要的是现场的地上和地下条件。设计前的准备工作的关键, 是做好穿越段的勘察测量和地上、地下障碍物(尤其是地下隐蔽障碍物)的调研工作。现场的地上条件包括地形、地貌以及周围建筑物、道路、河流等; 地下条件包括工程地质、水文地质、现有地下管道、地下水和地下隐蔽工程等。因此, 在水平定向钻设计前必须取得第一手的地质资料, 为编制设计方案和计算工程造价提供依据。这些资料一般包括: 现状与规划公用设施管线性质、材质、位置、直径和埋深; 现状地面及地下桩基; 水(河、沟渠)、道路、桥涵或其他地面障碍物的资料;穿越地层的土质类型和结构, 土质的主要物理力学特性(特别是土的抗剪强度和土层的内摩擦角)、含水量、透水性、岩石硬度、含卵石或砾石的比例等。

2 管材的选择

设计方案及参数的确定主要包括管材的选择与穿越曲线的设计。水平定向钻拖拉法的常用管材为钢管和PE 管, 这两种管材采用水平定向钻拖拉法的技术经济比较见表1。

根据钢管与PE 管在水平定向钻拖拉法应用中各自的特点, 一般情况下, 两种管材的主要适用场合如下: 钢管一般用于施工场地开阔、拖拉距离长的场合; PE管适用于施工场地相对受限、拖拉过程中要求更加灵活的场合。相比较而言, PE 管在水平定向钻拖拉法中更为常用。

3 穿越曲线的设计

穿越曲线设计即寻找最理想的钻进路径, 它是水平定向钻拖拉法设计的核心。拖拉管的穿越曲线由造斜段与水平段组成, 图1为水平定向钻拖拉管穿越曲线示意图。

水平定向钻拖拉法穿越曲线的设计过程如下:

( 1)对管道进行技术经济比较与论证, 对工程特点进行分析, 选择最适宜的管材。

( 2)根据流量及试验压力, 确定管道的壁厚和管道外径D。

( 3) 确定拖拉管水平段的埋深h 及长度L3。L3一般是穿越障碍物的实际需要长度。拖拉管的最小覆土需满足以下要求:

a穿越公路、铁路、河流时, 其覆土厚度满足有关专业规范的要求, 当无特别规定时, 应符合表2 的要求;

b敷设在建筑物基础一侧时, 管道与建筑物基础的水平净距必须在持力层扩散角范围以外, 且应考虑土层扰动后的变化, 扩散角须≮45o;

c 敷设在建筑物基础以下时, 必须经过验算对建筑物基础不会产生影响后, 方可确定埋深;

d与现有地下管线平行敷设时,扩孔与地下管线的水平净距须≮0. 6m;

e与现有地下管线交叉敷设时, 扩孔与地下管线垂直净距在黏性土中须≮0. 5m, 在砂性土中须≮ 1. 0m;

f遇可燃性管道、特种管线时, 应考虑加大水平净距和垂直净距。当达不到上述距离要求时, 应增设技术与安全防护措施。

( 4)确定拖拉管的曲率半径。拖拉管的曲率半径包括第l造斜段(钻杆进入敷管位置的过渡段)曲率半径R1 及第2造斜段(钻杆钻出地表的过渡段)曲率半径R2。拖拉管的曲率半径R 通常是由钻杆的曲率半径与管材的曲率半径共同确定的。钻杆的曲率半径Rz 由钻杆的弯曲强度所决定,但因钻杆制造厂家的不同也有差异, 通常根据经验取R z≥1200Dz (Dz 为钻杆外径), 这是保证钻杆不至于过载的最小转弯限值。拖拉PE管的最小曲率半径Rmin按( 1)式计算:

Rmin = 1000ED /( 2δp )( 1)

式中:

E管道弹性模量, MPa;

D 管径, m;

Rp 管道弯曲应力, MPa。

通常拖拉PE 管的曲率半径大于管材外径的40倍即可, 故其曲率半径通常是由钻杆确定; 而钢管的弹性模量较大, 拖拉钢管的曲率半径通常是由钢管本身确定。根据经验, 拖拉PE 管的曲率半径通常取R = 800D ~ 1200D, 拖拉钢管的曲率半径通常取R = 1200D ~ 1500D。

( 5)造斜段水平长度L1与L2 的确定。造斜段水平长度是由水平段管道埋深h 与R 确定的。若造斜段水平长度值太大, 则导致拖拉管总长度增加, 致使总投资增加; 若造斜段水平长度值太小, 则难以达到要求的施工精度, 而且施工难度、风险增加。根据国内的经验, 造斜段水平长度值一般为h 的8~ 10倍,而国外则高达11倍以上。

( 6)入土角α与出土角β的确定。一般入土角α宜≯15O;出土角β由导向钻杆及拖拉管材允许的曲率半径较大者确定, 一般β宜≯ 20O。

( 7)确定入土点α与出土点β。根据水平段埋深h、曲率半径R 及入土角α与出土角β等参数, 可确定距障碍物最近的可能的入土点与出土点, 得到拖拉管总水平长度L, 从而可得到拖拉管穿越曲线的实际长度Lˊ。Lˊ可以根据穿越曲线来计算, 也可以采用经验值

L ˊ= ( 1. 02~ 1. 04)L。

( 8)拖拉管段回拉力P t 的计算。根据拖拉管的回拉力, 复核管道壁厚是否满足拖拉的要求。拖拉管段的回拉力P t 为:

Pt= Py + P f( 2)

Py =πDk2Ra /4 ( 3)

Pf = PDLˊf ( 4)

式中: P t 拖拉管段的回拉力, kN;

Py 扩孔钻头的迎面阻力, kN;

Dk 扩孔钻头的外径, m; 一般为管道外径的1. 1~ 1. 4倍;

Ra 迎面土积压力, kPa;

Pf 管周摩阻力, kN;

f 管周与土的单位侧壁摩擦力, kPa。

迎面土积压力Ra和管周与土的单位侧壁摩擦力f 根据各地的土质状况取值, 如东部沿海地区在护孔泥浆中黏性土取Ra = 50~ 60 kPa, f = 0. 3~ 0. 4; 砂性土取R a = 80~ 100 kPa, f= 0. 5~ 0. 7。拖拉管应进行必要的压力试验, 通常包括拖拉管材连接完成后的压力试验以及拖拉管施工完毕的压力试验, 这是确保拖拉管施工质量的重要手段。

结束语

在城市地下管网建设包括供水、天然气、电信、电力、排污等管线铺设中，过去沿用的传统施工方法是开挖式埋管线，但该法速度慢，且影响交通和污染环境，遇到障碍物时更是无法穿越。随着近年人们对生活质量要求的提高和环保意识的增强，地下管网的建设速度和密度也迅速增大，在地下管线工程中使用先进的非开挖技术已是势在必行。水平定向钻进作为非开挖技术中最具活力的一项施工技术，具有导向准确，在一定曲率半径范围内绕避开障碍物，避免破坏管线经过地区的生态环境，施工周期短等优点。在管道工程施工中，该技术的应用优势得到充分体现。

参考文献

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