摘要:介绍了燃气工程中采用的地下管道导向钻进非开挖敷设技术基本原理、施工工艺及优缺点 。
关键词 :燃气管网;管道敷设;非开挖敷设 ;导向钻进
1 概 述
随着城市建设不断扩大, 城市道路等级越来越高, 新建道路越来越多, 加上交通量的不断上升, 许多建成区内已无法采用开槽埋管施工工艺, 另外, 原建成的铁路、公路和高速公路, 以及许多过路管不允许采用开槽施工 。这就促使非开挖敷设地下管线技术迅速发展。非开挖技术是以最小的地表开挖量来完成各种地下管线的敷设、修复和更换的工程施工技术 。我国非开挖施工技术和设备的开发和研制工作起步较晚, 进入 20 世纪 90 年代, 非开挖技术的引进和开发应用的速度明显加快, 用于非开挖施工的设备逐渐普及, 由于施工速度快、施工精度高、适应土质范围广而深受业主与施工单位的欢迎[ 1 —4] 。
新管道非开挖敷设主要的施工方法有导向钻进、定向钻进、微型隧道掘进 、气动矛 、夯管法等, 主要适应于粘土、亚粘土、粉砂土 、回填土 、流砂层等松软地层。根据不同的地质 、环境条件, 选用不同的施工工艺敷设直径 40 ～ 2 500 mm 的各种地下管道, 距离可达十几米至数百米。燃气管道的管材多为钢管 ( 主要是无缝钢管和焊接钢管) , 其次是机械接口铸铁管( 用于低压煤气) 和聚乙烯塑料管( PE 管) 。燃气管道的直径一般为 15 ～ 1 500 mm 。非开挖管线敷设的各种施工方法均适用燃气管道的敷设[ 5 —10] 。
2 非开挖敷设技术的应用
我公司的环岛路横穿管工程横跨厦门市环岛路 K5 +225 m处, 该段有效路面宽60 m, 共敷设 7 根套管, 内穿 18 条管线 。用直径D219 ×8的无缝钢管作为钢套管, 敷设一根D108 ×4 .5的燃气中压管, 总长 70 m。为不影响交通及不破坏新建路面的前提下, 确保环岛路这一新型游览胜地环境不受破坏, 而采用非开挖技术 。据地质勘察资料表明, 施工地段在地表下1 .2 ～ 2 .5 m以上为填筑土, 由砂土 、粉土、粘性土等组成的素填土。其下部均为细粒土质粗砂, 地下水位偏高, 而管道埋深大约2 .0 m, 采用导向钻进铺管施工完全能满足该地段的施工要求 。
2 .1 技术原理
导向钻进非开挖施工技术主要包括导向孔钻进和扩孔拉管两部分 。先利用导向钻机、随钻测量仪以及有关钻具沿欲敷设管道的设计轨迹钻进一个导向孔, 然后回拉扩孔, 将孔径扩大到铺管所要求的口径, 并将管道同步或分步拉入孔内, 实现不开挖铺设管线( 见图 1) 。钻进成孔方式有干式和湿式 。干式钻具由挤压钻头、探头和冲击锤组成, 靠冲击挤压成孔, 不排土。湿式钻具由射流钻头和探头室组成, 以高压水射流切割土层, 有时辅以驱式冲击动力头以破碎大块软砾石和硬土层, 是目前使用最多的成孔方式。
2 .2 施工工艺
( 1) 工作坑的构筑
工作坑包括起始工作坑和目标工作坑 。起始工作坑是设备操作的场所, 目标工作坑是扩孔和敷管时的工作场所。工作坑的选址需经地表测量和地下勘察, 尽量避开地下各种管线及地下构筑物。该工程应用管线探测仪对该地段地下管网进行勘察, 将工作坑的位置选择在道路两侧的绿化带上, 采用人工挖土的办法进行挖掘。一般起始坑坑底长为管段长度 +1 m, 坑底宽为管径 +1 m 。目标坑坑底可挖成正方形, 边长为管径+1 m 。
( 2) 导向孔轨迹的设计
导向钻进的关键是导向孔的设计和施工 。导向孔的轨迹一般有三段 :第一造斜段、直线段、第二造斜段( 见图 2) 。直线长度是管线穿越障碍物的实际长度, 第一造斜段是钻杆进入敷管位置的过渡段, 第二造斜段是钻杆出露地表的过渡段。因此, 对典型的导向钻进敷管施工, 其导向孔的轨迹由以下几个基本参数决定 :①穿越起点 B′;② 穿越终点 C ′; ③敷管深度 h ;④第一造斜段的曲率半径 ρ1 ;⑤ 第二造斜段的曲率半径 ρ2 ;ρ1 和 ρ2 主要由钻杆的曲率半径和待敷设管线的允许弯曲半径决定 。
使导向孔距离增长, 另一方面也浪费管材, 因此一般用工作坑来代替第二造斜段 。该工程大部分使用的钢管, 接头是焊接的, 呈刚性, 则所需的水平精度要求高, 又受环境条件的限制, 第一造斜段也用工作坑来代替, 这样只需考虑直线段( 见图 3) 。当然, 设计导向孔时要综合考虑工程要求、地层条件 、钻杆的最小曲率半径 、管线的允许曲率半径、施工场地的条件 、敷管深度等多方面的因素, 最后优化设计出最佳的轨迹曲线 。
( 3) 导向孔的钻进
导向孔钻进时采用带斜面的非对称钻头。若回转和给进同时进行, 钻孔呈直线延伸, 即导向钻头进行直线钻进 ;若只给进不回转, 由于受斜面反力的作用, 钻头朝斜面法线的反方向钻进, 即实现造斜钻进 。因此, 钻机操作人员可根据地表接收器探测出的钻进参数( 钻头的位置、深度、顶角等) , 判断钻孔位置与设计轨迹的偏差, 并随时进行调整, 以确保沿钻孔的设计轨迹钻进。本工程由于钢管的导航精度高, 只需考虑直线段轨迹, 则采用给进加回转的直线钻进方法即可。
( 4) 扩孔
导向孔钻进完成后, 在目标工作坑内卸下导向钻头, 换上扩孔钻头和旋转接头。利用施工土层为填筑土这一有利条件而采用三级扩孔( DN 100 mm, DN 200 mm, DN 300 mm) , 并最后进行一次干拉出土, 将导向孔孔径扩大至所铺设的管径以上, 同时采用高分子聚合物优质泥浆辅助施工, 以冷却钻头, 润滑钻具, 不使孔内多余土板结, 从而减少阻力, 使管道顺利敷设 。
( 5) 钢套管敷设
扩孔钻进完成后, 在目标坑内下管, 将旋转接头后接上拉管头和当前第一根待敷设的钢管进行反扩敷管 。此钢管前端制成尖锥型, 以防沙土进入, 再焊一U 型拉耳连接拉管头 。当第一根钢管拖入孔内, 然后焊接另一段钢管, 再拖入 。直至扩孔钻头到达起始工作坑时, 完成敷管工作 。套管外壁进行与燃气管道相同等级的防腐绝缘, 两节套管焊接并检验合格后, 焊口作防腐绝缘层, 待防腐层实干后再开始进行拉管, 以免损伤防腐层 。敷管好时要保证管道焊接的同轴度 , 一方面有利于管道的顺利敷设 ;另一方面可以减少敷设时的阻力 。
( 6) 燃气管的安装
安装在套管内的燃气管道需采用特殊加强防腐蚀层 。为了防止燃气管道进入套管时损坏防腐绝缘层, 每隔一定长度, 在横断面上每 120°焊接一个管耳作为滑动支座, 用来支撑燃气管 。焊接处用环氧煤沥青进行防腐。当第一根燃气管通过拉管头拉入套管内, 留出管端在套管外与第二根管子组对焊接, 外观检查合格后, 立即用射线检验( 焊缝应 100 %射线检查) 。合格后, 将焊口除锈, 作防腐层。待完全干透并用电火花检漏仪检验合格后, 再往套管内送第二根管子 。周而复始, 直至完成。
3 结 语
( 1) 非开挖敷管施工开挖量少, 对地表干扰少 ; 施工过程中可控制施工方向, 精度较高( 偏差为3 % ～ 5 %) ;施工速度快, 半自动化操作 ;施工周期短 、成本低;适应土质范围广 。这些显著优点使微控导向钻进成为发展速度最快的一种非开挖施工技术, 近来广泛用于燃气、自来水、热力、市政 、电信 、电力等管线工程部门。
( 2) 非开挖敷管施工也有不足之处, 不适用于砂层和砾石层 ;深度受到限制( 视探测器的能力而定, 一般在 10 m 以内) ;地下资料不明时, 施工时有触电和损坏邻近管线的危险 ;过于松软的土质, 地道易坍塌等均不适宜导向钻进操作 。——论文作者：刘 艺
参考文献:
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