盧純青

（1 福建省煤田地質(zhì)勘查院 福建福州 350005 2 福建東辰綜合勘察院有限公司 福建福州 350005）

0 引言

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的環(huán)保意識(shí)日益提升，在現(xiàn)代城市建設(shè)中，兼顧環(huán)保友好型的施工方式越來(lái)越受推崇。而非開(kāi)挖技術(shù)作為友好型施工方式之一被廣泛應(yīng)用于擁擠的市政地下管網(wǎng)施工中［1］。福建作為沿海發(fā)達(dá)城市，對(duì)城市地下管網(wǎng)設(shè)施（如：電力、通訊、給排水、熱力燃?xì)獾龋┑倪\(yùn)輸能力需要不斷提高，因此需要大量新建、擴(kuò)建和改建現(xiàn)有的地下管網(wǎng)設(shè)施。本論文中所涉及的工程正是在這個(gè)大背景下進(jìn)行的。

導(dǎo)向技術(shù)是決定非開(kāi)挖鋪管是否成功的前提，通常導(dǎo)向軌跡平順度越高，越有利于非開(kāi)挖鋪管施工。理論上，當(dāng)導(dǎo)向弧度超過(guò)每根Φ73 mm 鉆桿（3 m）15%的變化或每根Φ73 mm鉆桿（3 m）12%連續(xù)變化3 根鉆桿（9 m）的彎曲時(shí)［2］，極易發(fā)生鉆具斷裂或脫扣的安全事故。但在實(shí)際施工中，常常由于受場(chǎng)地條件限制、地形及地質(zhì)情況、現(xiàn)狀地下管線分布等的影響，采用常規(guī)導(dǎo)向技術(shù)無(wú)法達(dá)到預(yù)期目的，這種情況下，極限彎曲導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1 工程概況

本工程為福建省某地小區(qū)排污管道接駁項(xiàng)目。工程設(shè)計(jì)非開(kāi)挖鋪設(shè)DN400 mm 污水管，由小區(qū)內(nèi)污水井沿外部小巷人行道下覆接入校園內(nèi)污水井，長(zhǎng)度約270 m。該小巷由北向南從山頂依山腰順勢(shì)而下，高差12 m，平直段的寬度僅約6 m，路兩側(cè)皆為陡坎。施工現(xiàn)場(chǎng)平面圖及剖面圖見(jiàn)圖1 和圖2。

圖1 施工現(xiàn)場(chǎng)平面圖

圖2 施工現(xiàn)場(chǎng)剖面圖

從圖1 可以看出，由于現(xiàn)場(chǎng)地形及場(chǎng)地構(gòu)筑物限制，需要進(jìn)行大弧度的導(dǎo)向施工。

1.1 地下管線分布情況

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查勘，擬穿越施工范圍內(nèi)地下管線具體分布有：通信管（埋深1.6 m 以?xún)?nèi)，靠近道路的北東側(cè)）、雨水管（埋深1.3 m～1.7 m，沿道路中心走向順流而下）、DN315 mm 給水管（埋深1.5 m 以?xún)?nèi)，在道路西南側(cè)的人行道上）、其他橫穿不知名支管（埋深均在1.2 m 以?xún)?nèi)）。

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地勘報(bào)告，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作坑的開(kāi)挖斷面及小區(qū)內(nèi)污水管開(kāi)挖段斷面所揭示的情況分析，該區(qū)域地層由上至下大致為：砼路面及水穩(wěn)層（1 m 以?xún)?nèi)），下覆為粘土或殘積土，非開(kāi)挖穿越地層基本位于粘土層或殘積土層。

2 非開(kāi)挖鋪管施工工序優(yōu)化

2.1 施工設(shè)備選擇

受施工場(chǎng)地狹小因素制約，綜合考慮地質(zhì)條件因素，本工程選用ZT-25 型小型非開(kāi)挖鉆機(jī)，配套Φ73 mm 鉆桿（單根3 m）；采用美國(guó)月蝕無(wú)線導(dǎo)航儀配合雙頻信號(hào)棒進(jìn)行導(dǎo)向施工。

2.2 導(dǎo)向孔施工

2.2.1 導(dǎo)向孔軌跡設(shè)計(jì)

（1）平面軌跡設(shè)計(jì)。考慮到后續(xù)鋪設(shè)煤氣管道施工的安全性，平面上應(yīng)盡量避開(kāi)煤氣管道的設(shè)計(jì)鋪設(shè)軌跡。若實(shí)在無(wú)法完全避開(kāi)，出現(xiàn)局部接近或交叉，剖面上要確保低于煤氣管道設(shè)計(jì)鋪設(shè)埋深0.6m 以上。

（2）剖面軌跡設(shè)計(jì)。如圖3 所示，前半部A 段煤氣管道的埋深為地面向下2.2 m，相交處穿越的導(dǎo)向深度設(shè)計(jì)大于3 m；B 段路的東側(cè)見(jiàn)防空硐出入口，為了保證順利安全穿越下方防空洞，擬參照現(xiàn)狀雨水管埋深。C 段是整個(gè)導(dǎo)向施工中的最大彎曲段，也是本次施工的難點(diǎn)和關(guān)鍵段，按常規(guī)軌跡設(shè)計(jì)，導(dǎo)向孔軌跡在平面上會(huì)與后續(xù)煤氣管的設(shè)計(jì)鋪設(shè)軌跡相交，剖面上后續(xù)煤氣管的設(shè)計(jì)埋深為2.5 m，所以本次導(dǎo)向孔設(shè)計(jì)埋深應(yīng)超過(guò)3 m。

圖3 剖面軌跡設(shè)計(jì)圖

2.2.2 平面弧度的計(jì)算方法

如圖4 所示，在小路彎曲段兩端相連的直線段，沿路的中心線分別取A、B、E、F 4 點(diǎn)，用細(xì)繩分別延長(zhǎng)AB、FE 線段相交于C 點(diǎn)，延長(zhǎng)AB 與路沿相交于D 點(diǎn)，從D 點(diǎn)向FE 段引近似垂線交FE 于G 點(diǎn)，此時(shí)量取CD、CG、GD 的長(zhǎng)度分別為4.65 m、2.41 m、4.00 m。套用三角函數(shù)公式計(jì)算可得：∠DCG≈59.3°、∠BCE≈180°-59.3°=120.7°，即：道路中心線的夾角為120.7°。通過(guò)計(jì)算（180°-120.7°）可知，穿越該彎曲路段的弧度變化是59.3°，換算成儀器上的百分比弧度約為100.8%（59.3°×1.7=100.8%，儀器顯示的1°換算成百分比等于1.7%）。

圖4 彎曲段平面示意圖

按照相關(guān)規(guī)范，結(jié)合以往施工的經(jīng)驗(yàn)，每根Φ73 mm 鉆桿（3 m）在粘土和淤泥地層中每次最大變化不超過(guò)15%，在砂層、殘積土層中不超過(guò)12%；每個(gè)弧度段連續(xù)變化不超過(guò)36%［1］，平直過(guò)渡段長(zhǎng)度應(yīng)大于連續(xù)彎曲段長(zhǎng)度。本工程中穿越道路狹窄，轉(zhuǎn)彎長(zhǎng)度僅為63.0 m，變化總弧度達(dá)到100.8%。如果按常規(guī)的彎曲弧度施工，軌跡將越過(guò)人行道而進(jìn)入民宅，導(dǎo)致無(wú)法完成施工。因此需突破常規(guī)，導(dǎo)向軌跡設(shè)計(jì)上通過(guò)3 次大的弧度變化來(lái)完成導(dǎo)向孔鉆進(jìn)。

設(shè)計(jì)思路如下：圖1 中，第1、2 段彎曲弧度變化均為36%、變化段的長(zhǎng)度均為3 根鉆桿，平直過(guò)渡段安排4 根鉆桿長(zhǎng)度，總長(zhǎng)為42 m；第3 段彎曲弧度變化為28.8%，變化長(zhǎng)度為3 根鉆桿，平直過(guò)渡段為剩余穿越的長(zhǎng)度。特別要注意的是：實(shí)際施工中，在過(guò)第3 段彎曲時(shí)，在確保不越過(guò)人行道邊界進(jìn)入民宅且能進(jìn)入接入端工作坑的前提下，盡量延長(zhǎng)以減小彎曲弧度，保證施工安全。

2.2.3 導(dǎo)向孔鉆進(jìn)施工工序優(yōu)化

（1）考慮到穿越地層為粘土層和殘積土層，質(zhì)地較硬。為減小在硬地層中導(dǎo)向施工的阻力，采用特制的尖嘴導(dǎo)向斜掌進(jìn)行導(dǎo)向鉆進(jìn)，保證導(dǎo)向孔平滑的同時(shí)，又可以防止異常彎曲，保護(hù)鉆具，確保安全施工。

（2）由于穿越硬地層給進(jìn)過(guò)程中阻力較大，因此需設(shè)置地錨箱，以加固鉆機(jī)以免發(fā)生反向推移；同時(shí)為有效避免懸空段鉆桿在導(dǎo)向鉆進(jìn)給進(jìn)過(guò)程中受力彎曲變形，對(duì)鉆機(jī)機(jī)頭處到入土點(diǎn)間懸空部分的鉆桿采用墊木樁或沙袋的方式進(jìn)行支撐。

（3）在彎曲段導(dǎo)向施工時(shí)，通過(guò)加大水泵泵壓方式減小給進(jìn)阻力。

2.3 擴(kuò)孔施工工序優(yōu)化

由于本工程導(dǎo)向軌跡彎曲度較大，考慮到穿越地層為粘土層和殘積土層、成孔效果較好，為有效防止回拖管道時(shí)在彎曲處出現(xiàn)卡管或憋管增大摩擦的不利現(xiàn)象，實(shí)際擴(kuò)孔的終孔直徑應(yīng)比常規(guī)擴(kuò)孔直徑再大一級(jí)。理論上，常規(guī)擴(kuò)孔終孔直徑應(yīng)為擬鋪管直徑的1.2～1.5 倍。本工程擬鋪管直徑為Φ400 mm，因此實(shí)際擴(kuò)孔終孔直徑應(yīng)為Φ700 mm，即選用Φ280 mm、Φ380m、Φ480 mm、Φ580 mm、Φ680 mm 擴(kuò)孔鉆頭分5 級(jí)回拉擴(kuò)孔。同時(shí)，還要注意控制回?cái)U(kuò)孔速度，盡量使彎曲的孔道順滑，有效降低回拖力和扭矩，最后在實(shí)施回拖管前還要用筒式擴(kuò)孔器進(jìn)行清孔，以進(jìn)一步清除孔內(nèi)鉆屑，確保鉆孔內(nèi)壁光滑。考慮到穿越地層為粘土和殘積土層，我們選用凹槽型回?cái)U(kuò)頭，它是特別為在硬實(shí)性土層中擴(kuò)孔而設(shè)計(jì)的。凹槽型回?cái)U(kuò)頭可以使大量的泥漿流過(guò)回?cái)U(kuò)頭，焊上去的切削齒能起到更好的切削硬土和混合泥漿的作用（見(jiàn)圖5）。

圖5 凹槽型回?cái)U(kuò)頭

2.4 泥漿工藝優(yōu)化

本工程穿越地層為粘土層及殘積土層，含砂量不高且質(zhì)地較硬，造漿、成孔效果較好，因而泥漿的配置相對(duì)而言較為簡(jiǎn)單，泥漿pH 值的控制及泥漿泵量大小的選擇是關(guān)鍵。泥漿的pH 值表示泥漿中含酸、堿的程度，一般來(lái)說(shuō)泥漿在呈堿性的水溶液內(nèi)比較穩(wěn)定，否則會(huì)引起泥漿粘度、靜切力和失水量等性能的變化。不同的膨潤(rùn)土和處理劑，只有在其所處水質(zhì)環(huán)境的pH 值大于7 的條件下，最好是在8～9 之間，才能充分發(fā)揮作用，所以，我們要保證施工所用水和泥漿的pH 值在8～9之間。這就要求我們要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所用的水質(zhì)進(jìn)行化驗(yàn)，用PH 值試紙測(cè)定水和泥漿的pH 值。經(jīng)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)用水pH 值為7，不適合用來(lái)制配泥漿，我們采用添加蘇打以提高水的pH 值。

加大泥漿泵量更有利于在鉆孔內(nèi)形成可流動(dòng)的泥漿，充分形成濾餅環(huán)型空間，保持孔壁穩(wěn)定防止孔道坍塌的同時(shí)，在后續(xù)回拖管道中起到很好的潤(rùn)滑作用，最大程度減少管道與孔壁間的摩擦力，確?；赝瞎艿腊踩?。實(shí)踐證明，優(yōu)化后的泥漿工藝效果相當(dāng)明顯。

2.5 回拖鋪管工序優(yōu)化

回拖鋪管是非開(kāi)挖定向鉆穿越鋪管的最后一道工序，也是實(shí)現(xiàn)非開(kāi)挖鋪管目標(biāo)的最后一步，因此回拖過(guò)程中的控制尤其重要（見(jiàn)圖6）。

圖6 管道回拖示意圖

由于本工程導(dǎo)向及鉆孔軌跡彎曲段較多且長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為避免回拖過(guò)程管道在曲折的孔道中出現(xiàn)卡管、憋管等不利局面，在管道材質(zhì)選擇上選用柔韌性好的給水等級(jí)高純PE 管材，而非常規(guī)的排水PE 管（質(zhì)地偏硬）。同時(shí)，采用注水平衡法，往管道內(nèi)注入一定量水的方式使得孔道內(nèi)的管道懸浮于泥漿中，以最大程度減小回拖過(guò)程中因管道與孔壁間的摩擦產(chǎn)生的阻力。

由于項(xiàng)目組人員對(duì)整個(gè)非開(kāi)挖鋪管過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的種種困難充分考慮，對(duì)各道工序進(jìn)行了針對(duì)性?xún)?yōu)化改進(jìn)，最終成功完成了這次大弧度、多彎道的高難度非開(kāi)挖鋪管施工。

3 結(jié)語(yǔ)

本次非開(kāi)挖鋪管的順利完成，不僅克服了狹窄彎曲道路周邊民宅對(duì)工程的不利影響，而且在原本就并不寬裕的地下空間給后續(xù)的煤氣管道施工留下了足夠的施工空間。實(shí)踐證明，通過(guò)工藝優(yōu)化，多次、大弧度、連續(xù)彎曲的導(dǎo)向孔施工是可以成功的，為后續(xù)類(lèi)似工程起到了積極的示范指導(dǎo)作用。