浅谈水平定向钻在给水管道工程中的应用

浅谈水平定向钻在给水管道工程中的应用简介：随着城市的发展和现代文明意识、环保意识的逐渐加强，在市区开挖路面进行给水管网改造和建设导致的社会问题，交通问题和环境污染问题已越来越受到市民的关注，非开挖水平定向钻技术的应用，为给水管网的建设发挥了巨大的作用。关键字：给水管道非开挖技术定向钻进PE管应用工程概况随着北海市城市的发展和人口的增长，原有的城市供水管网超负荷运转，急需增加一条给水管贯穿整个北部湾路的旧城区，以解决目前供水管网压力的不足。工程采用DN600铸铁管开挖施工，管道埋设在北部湾路的北面人行道下，覆土厚度为80CM，土方全部外运，沟槽采用中砂回填并冲水振实。2、施工方案的比较和优化管道工程需穿越主干道湖南路，原设计为明挖穿越，经现场踏勘，由于受地下电力电缆、煤气管、雨污水管等公用管线的影响，且道路交通压力非常大，明挖施工困难，故管道穿越该路口时采用非开挖的施工方法，管材改为PE管。同时，为了发挥非开挖施工的优势，改为直线型路线缩短管线长度。3、管材的选用原设计采用明挖施工，管材选用铸铁管，内径600mm，管道设计内压1.0Mpa。参考设计要求，考虑非开挖施工的需要，工程改选用PE管。聚乙烯具有优良的耐腐蚀性、较好的卫生性能和较长的使用寿命，具有独特的柔韧性和优良的耐刮痕的能力，具有非常突出的耐低温性能，具有良好的快速裂纹增长断裂韧性，安装连接方便、可靠，就施工方法而言，PE管道特别适用于非开挖工程。其热熔焊接使管道具有一体化的连接方式，接头强度高；优良挠性使得PE管道走向容易依照施工轨迹的要求进行改变；良好的抗刮痕能力，使得管道不易损坏而漏水。采用导向钻进技术，管径可达600mm，管线长度一般可达300～400m，深度通常在10m以内。对PE80级和PE100级而言，双峰分子量分布的PE100级管材，其综合性能要比PE80级好，尤其是PE100级的20℃、50年的蠕变抵抗能力提高，同时又保持了较好的耐环境应力开裂性能(ESCR)。同时，PE管材符合饮用水的要求。综合考虑设计要求和施工要求，工程选用了DN630，PE100级，内压1.0Mpa的PE管，如下表。工程选用枫叶牌PE100级聚乙烯管材公称压力（MPaa）公称外径（mm）公称壁厚（mm）SDR产地1.063037.417浙江4、轨迹设计和控向参数轨迹设计主要考虑设计平面位置、埋深的要求，地下公用管线的影响，钻杆和管材的弯曲半径等。确定定向钻进过程中钻头的顶角、方位角、工具面向角、计算出测定空间坐标，设计出定向钻进的轨迹图及对特殊地层、地段制订特殊施工方案，并且要把常用和应急材料准备一定的库存量，以防特殊情况的发生，保证施工各阶段的顺利进行。控向参数：按操作规程测定控向参数(方位角的数值)，要求尽可能多测取参数比较，以确定最佳方位角数值，在管中心线的三个不同位置测取，且每个位置至少测四次，并做好记录。根据测定的数据标定方位角，方位角的误差要小于0.2º。钻进角和曲率半径在大多数穿越施工中，入土角通常选择在10-20度之间，多数施工应首先钻一段斜直线，然后再钻一段大半径曲线。此曲线的曲率半径由成品管线的弯曲特性决定，随直径增大而增大。斜直线将导向孔曲线按照预定的走向引导到设计的深度，然后是在此深度上保持一段水平直线，然后到达向上的弯曲点再到出土点。出土角应控制在10-20度之间，以便于成品管道的回拖。湖南路路幅宽40米，经过细致的探测，查明了各个内的各类地下管线，管线纵横交错，主要有给水、排水、煤气、电力、电信等五种管线，最大管径为埋设在道路中间的DN800排水管，最大埋深为2米。根据设计文件和地下管线探测结果，结合现场踏勘，导向孔轨迹设计参数如下：管道埋深考虑主要排水管的影响，取管道最深点为h=5m；入土角取18°；顶管工作井水平距离为44米，进过计算确定顶管长度为45.6米。5、设备的选择及施工过程回拖产品管线所需回拖力也就是管壁和孔壁之间摩擦力w，其由下式计算；w=[2p(1+ka)+p0]fL式中：w——管壁和孔壁之间摩擦力，KNp——土对每米管道压力,KN/mka——主动土压力系数，一般取0.3p0——每米管道重量,KN/mf——管壁和孔壁之间摩擦系数,02~0.6L——管道长度，mka——主动土压力系数，一般取0.3ka——主动土压力系数，一般取0.3由上式可知，摩擦力主要取决于土对管道压力p和摩擦系数f的大小。土对管道压力主要与土层的性质和导向孔的曲率有关。沙土的粘聚力小，对管道的压力大，p一般按所敷管线直径1~2倍高度土质量计算；粘性土的粘聚力大，对管道压力小，p一般按所敷管线直径0.5~1倍高度土质量计算。经过计算，回拖力约为95.6KN，工程选用柳州产钻神8030型导向钻机，该钻机回拖力F=300KN；安全系数K=300/95.6=3.14>2.0钻神8030型导向钻机参数表型号扭矩(N×m)回拖力(KN)重量（T）外形（长×宽×高高）803010000300246.3×2.1××2.36、定向钻机的施工工艺测量放线→修垫场地→三通一平→设备进场→组装调试钻机→调试控向系统→钻导向孔→预扩孔→管道回拖→设备离场→恢复地貌。6.1、导向孔施工采用射流辅助钻进方式，导向孔钻进是通过定向钻的高压泥浆射流冲蚀破碎旋转切削成孔的，以斜面钻头来控制钻头方向。钻头内的发送器，发送钻头的位置、顶角、深度、钻头的温度、面向角等参数，这些参数由地面接收，供操作人员能及时准确确定钻头的具体位置、深度，并随时通过钻机调整钻进参数，以控制钻头按设计轨迹钻进。试钻：各系统运转正常后试转，钻进1-2根钻杆后检测各部位运行情况，各种参数正常后按次序钻进。导向孔：导向孔的钻进是整个定向钻施工的关键，我们将采用水平定向钻机进行整个穿越工程的施工。每钻完一根钻杆要测量一次钻头的实际位置，以便及时调整钻头的钻进方向，保证所完成的导向孔曲线符合设计要求，如此反复，直到钻头在预定位置出土，完成整个导向孔的钻孔作业。6.2、预扩孔施工为成功的埋设管线，在导孔后将进行一次预扩孔施工，即采用包式扩孔钻头分级扩孔。在管件端将扩孔器装在导杆组的尾端，扩孔器由钻掘机组以旋转方式沿已形成的导孔回拉，回拉时钻掘液泵也会通过导杆提供钻掘液给扩孔器，扩孔器会使用本身的喷嘴喷出钻掘液，这些钻掘液不但有润滑及暂时支撑已扩大之孔效果，并会与扩孔过程中所刮下土块混合，一起挤出到两端的泥浆坑。这些泥浆在管件端会被集中到泥浆池，在钻掘机组端则会马上被分离再回收利用，为确保钻孔中随时有导杆组，所以当在钻掘机组端取下一支导杆时，会由管件端在扩孔器后面增加一支导杆。6.3、PE管连接PE管道最主要的连接方式是热熔连接，加热板温度为210度，管端加热时间为10分钟，持压时间30分钟。施工时，由于环境温度比较低，平均温度5-8摄氏度，风力4-5级。PE管道的焊接必须由经过专门培训的焊工进行操作，才能确保合适工作参数下其强度要求。另外在大风的工作环境下，可能因冷却加热板，并导致不均匀温度分布，故可能会对熔接质量有致命的影响，当尘土污染加热板和管端也将会导致接头寿命大为减少。6.4、预埋管回拉安装回拖是定向穿越的最后一步，也是最为关键的一步，在回拖时采用的方式是：边回转边回拖的方式。在回拖时进行连续作业，避免因停工造成回拖力增大；管线回拖前要仔细检查各连接部位的牢固。回拖完成后依照设计图纸依次安装两岸弯管、弯头与直管段，并与主管线连接。7、总结本工程将主干道的明挖施工改为非开挖定向钻方法施工，解决了开挖路面影响交通的问题，减少了与其他公用管线的冲突。实践证明，定向穿越与其它任何一种施工方法相比，对环境的影响最小，能提供障碍物下管线覆盖的深度最大，因此对管线的保护作用最大，维修费用最