给排水管道非开挖施工新技术的探讨

引言
随着我国城市化进程加快，市政给排水管道建设量猛增。目前，国内大部分城市仍采用开槽埋管的作业方式。开挖路面施工会影响交通、污染环境，给市民生活带来诸多不便，也容易造成路面质量下降，缩短使用寿命。政府部门将出台限制开挖政策以消除路面“拉链”现象。城市的给排水管道超期服役，由于管位有限，新管往往要铺设在车道下或穿过构筑物，按传统的施工方式不仅耗资巨大，实施上也有一定的难度，这就使得管道更新改造无法完成。
非开挖技术的发展为解决上述问题提供了有效的途径。厦门水务集团有限公司在管网的建设中，应用水平定向钻非开挖技术完成了多项给排水管道穿越工程，均取得较好效果。
非开挖技术概述：
非开挖技术是指在地表不开挖的情况下，利用岩土钻掘手段铺设、修复和更换地下管线的施工技术。
非开挖技术在给排水工程中有铺设新管线和修复置换旧管线二方面的应用。
通常采用铺设管线施工技术包括：水平定向钻进法、夯管锤法、推挤顶进法、微型隧道法和顶管法等。
修复旧管线施工技术包括：原位固化法、滑动内插法、变形再生法、原位换管法、局部修复法。
水平定向钻铺管技术
水平定向钻铺管技术作为非开挖技术的一个重要分支，是将钻探技术与控向技术巧妙结合的现代非开挖施工新技术，近年来应用于给排水管道施工。随着导向定位精度提高、施工设备能力增强、管材业的发展，铺管能力由初期的小口径、短距离、单一钢管，发展到大口径、长距离、多种管材的铺设，成为非开挖领域的发展重点，技术上已日趋成熟。
1、技术特点
（1）应用范围广，适用性能强。适宜在粘土、粉土、砂土等土质条件下采用；可铺设塑料管(PVC、PE等)、钢管或铸铁管，管径在DN40到DN2000之间；大型钻机铺管长度可达到500 m以上。
（2）钻机布置灵活。钻孔过程可在预先挖好的发射坑和接受坑之间进行，也可在安装钻机的场地，以小角度直接从地表钻进。
（3）施工设备的穿越精度高，可满足管道高程的控制要求。
（4）施工过程不产生噪音、粉尘，不破坏地貌和环境，满足环保的各项要求。
（5）机具进出场灵活便捷，对于场地条件要求不高，施工速度快。
（6）适宜于高速路等不允许开挖或管线复杂地区的管道施工，尤其在穿越江河的项目上更显出其独特的优势。
2、施工工艺
（1）前期准备
了解管道穿越范围内的地质条件、现有地下管线的走向及埋深等情况，结合设计要求规划钻进轨迹，选定施工方案（主要是选定钻机、确定出入土层的角度、扩孔级数和穿越管材等）。
（2）导向钻进
定向钻头在钻机的推力作用下，由钻机驱动旋转（或使用泥浆马达带动钻头旋转）切削地层，按设计钻孔轨迹前进，完成整个导向孔的钻孔作业。钻进过程中，钻头内信号棒发出的信号被接受处理后，显示出钻头的深度、位置、角度等信息，据此及时调整钻头方向，保证所完成的导向孔曲线符合设计要求。
（3）分级扩孔
完成导向孔施工后，采取分级扩孔的方式将钻孔扩至合适的直径。同时将钻液泵入钻孔中，保证孔洞完整和不塌方，并将切削下的土屑带回到地面，为回拉管道创造适宜的环境。
（4）回拉管道
扩孔完成立即将待铺设的管道与回拉头、扩孔头及钻杆连接，由钻机牵引将管线拉入已扩钻孔中，完成管道铺设。
3、设备构成
定向钻设备由钻机系统、动力系统、控向系统、泥浆系统、钻具及辅助机具组成，它们的结构及功能如下。
（1）钻机系统：由钻机主机、转盘等组成。钻机是穿越设备钻进及回拖作业的主体；转盘装在钻机主机前端，连接钻杆，并通过改变转盘转向和输出转速以及扭矩大小，满足不同施工作业的要求。
（2）动力系统：由液压动力源和发电机组成。液压动力源为钻机系统提供高压液压油作为钻机的动力，发电机为配套的电气设备及施工现场照明提供电力。
（3）导向控制系统：通过计算机监控钻头位置，引导钻头正确钻进的方向性设备。
（4）泥浆系统：由泥浆混合搅拌罐和泥浆泵及管路组成，为钻机系统提供适合钻进工况的泥浆。
（5）钻具及辅助机具：钻机钻孔和扩孔过程中所使用的各种机具。钻具主要有钻杆，钻头、泥浆马达、扩孔器，切割刀等。辅助机具包括卡环、旋转活接头和各种管径的拖拉头。
应用实例
1、同安轻工食品工业园排污干管工程
（1）工程概况
该工程设计将轻工食品工业园生产污水引入同安污水处理厂，其中有一段DN800污水管需穿越官浔溪。官浔溪河面宽130m，河床表面为中砂层、下部为黏土层。管道设计高程为4.00－4.40，排水坡度3‰，最大埋深6m，距河床最小覆土深度2m，管材为DN820*10的钢管。
（2）施工方案的选择
官浔溪不通航，施工季节正处于河流的枯水期，水深在2.5 m左右。采用分段围堰、大开挖的施工方法，不存在阻断交通和防洪方面的问题，水流和水深条件也较适宜，从技术上讲不失为可行方案之一。但是河面上有大量的围网养殖，围堰施工不可避免要拆除养殖设施，必然要支付数量可观的补偿费用，同时改变河水水质，影响到下游村民正常的生产生活。从工期、环境、工程量、造价等方面考虑，经技术经济比较（下表），决定采用水平定向钻技术来实现管道穿越。

施工方案的综合比较

可选方案	计划工期	管材费用	施工费用	征用补偿	施工特点
围堰法（采用钢管）	60 天	968 元/m	27 万元	22 万元	须征用田地修筑施工便道；挖运土方和排水工程量大；在围堰上搬运、吊装管道有一定难度；施工周期长，对养殖生产和环境影响大；会破坏河底及堤岸结构。
顶管法（采用钢管）	30 天	968 元/m	34 万元	6 万元	须征用田地设置顶管工作井和接受井；管道现场逐节焊接和防腐，工期较长；适宜水下施工的管道顶进设备较少。
水平定向钻（采用HDPE管）	10 天	1080 元/m	30 万元	无	设备占地范围小，场地可灵活调整，环境影响小；自动化程度高，施工安全迅速；管道可预先连接成长管，一次性回拉；对于河底或陆上穿越施工均适用。

（3）钻进的实施及效果
铺设钢管需要较大的曲率半径，增加了钻孔距离；接口焊接和防腐会造成回拉作业的停顿，不利于穿越河流施工。征得甲方、设计部门同意改用HDPE缠绕管作为穿越管材。结合设计埋深和管材、钻杆的曲率半径定出钻进轨迹及造斜段长度(L=18m)以及出入土角度( 8°～9°)。经计算管道所需回拉力为220KN，确定采用土行孙DDW320型定向钻机系统（最大回拉力320KN，扭距12KN.M）,同时配备一台容量3m3的撬装式泥浆搅拌站，为钻进工程提供充足的钻液。钻孔分DN500、DN700、DN800、DN1000四级扩孔达到设计管径1.3倍后，在钻机牵引下将预先连接好的150 m长DN800 HDPE缠绕管拉进孔洞中。
管道穿越施工在10天完成，确保工期目标实现。施工期间对村民的生产生活并无影响，有利于环境保护，节省工程投资，社会效益和经济效益明显。
2、文化宫给水管道工程
该管道工程设计铺设DN300的钢管横穿公园南路后与用户内部管道连接。现场情况为：（1）地下管线密集，设计高程同原有的DN1000雨水管冲突，管道需加深到路面以下3m。（2）地处老市区且车流量大，破路施工显然无法实施。（3）管道需穿越公交站台及路灯基础，开挖管槽有一定的危险。鉴于上述施工条件，经方案比较后确定采用水平定向钻技术，铺设DN300的钢管30m。施工过程中不须阻断交通，不产生粉尘，快速便捷，将施工对环境的影响降到最低，管道经压力试验符合规范要求。
施工中应注意风险的防范：
相比传统的施工方法，采用水平定向钻铺管技术的优越性是显而易见的。地下施工的复杂性和不可视性使得管道穿越面临失败的风险，主要表现为管孔的报废、回拖的失败以及钻坏现有设施造成的损失。实践表明：根据不同的工程情况采取相应的风险防范措施，是确保管道穿越成功的关键。
1、获取详尽准确的地下资料
施工单位常因为主观疏忽和一些客观的因素，对钻孔沿途土层结构和管线情况了解不够准确，钻进轨迹上遇到障碍物而导致钻进失败，甚至发生损毁现有设施的事故。一般可采用查阅相关资料、实地开挖和钻探方法获取有关地层和地下水的情况，主要是土层的标准分类、孔隙率、含水性、透水性以及地下水位、基岩深度和含卵砾石情况等信息，为评估施工风险、选择钻进方法和配制钻液提供依据。在老城区施工，获得有关地下管线和其它埋设物的详细资料尤为重要。现存资料可能不够准确完整，为保证钻进施工安全，在对场地周围各管线井室、标志以及相关资料有初步了解的基础上，采用物探的技术手段进行探测，防止发生事故。
2、选用合适钻机
钻机是定向钻的核心设备，依靠其产生的推拉力、旋转扭矩完成钻进、扩孔和回拉管道。在钻机的选择上考虑不周是造成工程失败的重要因素。
推拉力和最大输出扭矩是钻机最重要的性能参数，也是钻机选定时首先要考虑的。钻机的回拖力必须足够克服管道、钻杆与地层之间产生的摩擦阻力。好的地质条件，成孔质量好，回拖力小；管径越大、长度越长，回拖力越大。一般情况下，钻机最大回拉力应大于回拖管段自重的1／2。另外采取较大的扩孔直径，回拉过程保证泥浆流顺畅等措施，可有效减小回拖力。预扩孔的扭矩主要与地质条件、扩孔器直径、扩孔速度和上一级扩孔的质量有关。土质的硬度和扩孔器的直径越大，扩孔速度越快时，扭矩越大。上一级扩孔的质量越好，扭矩越小。
其次，钻机具有良好的连续工作性能，可避免施工中途停钻而发生危险，提高工程成功率，这对于较大口径、长距离的钻进施工有重要意义。同时应注意钻机检查保养工作，保持良好使用状态。
3、钻进监控手段
导向孔钻进过程中，为了防范钻头偏离设计轨迹发生事故，必须对其进行有效监控。通过随钻测量技术获取孔内钻头的有关参数，发现偏差做出相应的调整，确保钻进的精确度。反馈信息的准确性是精确定位和及时控向的基础，传递信息的手段主要有电磁波法和电缆法两种。电磁波法有效范围在300m以内，测量深度在15m左右，缺点是需要随钻跟踪，所接受的信号质量会受周围磁场干扰，影响信息的准确性，一般用于中小型工程。电缆法依靠缆线作为传输信息的手段，缆线在增加操作复杂性的同时，抗干扰能力大为提高，也不需随钻跟踪，适宜在长距离和地形复杂的项目中采用。
4、保证成孔的质量
导向孔是扩孔的基础。在导向孔的基本控制指标中，出、入土角度较容易控制，只要保证钻机就位即可；造斜段的曲率半径与管材和钻杆允许弯曲半径有关，采用随钻测量来控制穿越曲线的精确性。由于穿越线路地质不均匀或单根钻杆改变角度过大，容易导致成孔曲线成波浪型，不仅无法满足管道高程偏差的控制要求，而且增加回拖阻力造成工程失败。主要防范措施是采用精确的控向技术和熟练的司钻操作，根据地层选择合理的钻具和钻具组合，进行较大的扩孔时辅以扶正器能较好地解决此类问题。
5、重视泥浆的作用
钻液是定向钻施工的“血液”，具有冷却钻头、润滑钻具、提高施工效率的功能。钻液与钻屑混合后以流动泥浆的形式排出孔外，起到悬浮和携带钻屑的作用，为回拖管线提供出足够的环形空间，减少回拖阻力。部分残留在孔中的泥浆也起到固壁、防止塌孔的作用，保证了孔洞的完整。
水是钻液的主要成份，膨润土和聚合物通常称为钻液添加剂。钻液的配置取决于钻孔土壤状况。没有一种钻液在任何土质中都适应，只能是配置最合适的钻液。大致的原则是：在粗土中使用膨润土，在细土中使用聚合物。通过添加化学处理剂可改善泥浆性能，例如：投入适量烧碱（或纯碱）可增粘、增静切力、调节 PH 值。一个工程中可能会穿过不同性质的地层，需及时调整钻液的配置以适应施工要求。
钻液添加剂与水混合次序对于钻液性能起着重要作用。一般情况下，混合系统中添加钻液的顺序最好是：1、烧碱 2、膨润土 3、干燥的聚合物 4、液态聚合物 5、其它添加剂。
HDPE管材定向钻牵引施工要点
高密度聚乙烯管具有内外壁光滑、耐腐蚀、单位重量小、柔韧性好、材质延伸率大的优点，并可预先焊接成长管，是定向钻穿越的理想管材。适应定向钻施工的HDPE缠绕排水管被认识接受并且逐步推广，现就我们在同安官浔溪穿越工程中的应用，谈谈HDPE管定向钻牵引施工的要点：

1、管材抗拉强度必须满足回拉力的要求，热熔带首选加厚型板材。场地条件允许的情况下，尽可能采用较长规格的管道，减少现场焊接数量。

2、现场需将管材堆放在阴凉处或采取遮蔽，不宜长期暴晒。

3、焊接时管道两端口应干燥、清洁，并保持电流和电压的稳定，接口未完全冷却时不要搬动管道。

4、管道焊接完成后不宜立即进行拉管，间隔时间一般不小于一小时。

5、回拉过程中，在管道下铺钢板可以减少摩擦力，应及时调整管道，保证入孔洞自然顺畅。

6、做好回拉锥头与管道的连接。先于管道前端焊热熔带，用螺栓、钢板同回拉锥头固定，管尾钢挡板通过钢丝绳与管头拉紧，防止泥浆流入管内。

7、对于距离较长穿越工程，为保证回拉管道的整体性，需要采取一定加固措施（沿管道均布4根钢筋，每隔一定距离用环向箍筋焊接）。

6.8管道同检查井的连接，需要在管材端部安装止水环并用水泥浆密封。

结论

水平定向钻铺管技术应用于给排水工程施工，具有施工周期短、精度高、环境影响小、综合成本低等显著的优点，显现出良好的社会效益和经济效益，必将成为在高速公路、铁路等不允许开挖或管线复杂地区管道施工的首选方法，尤其应用在穿越河流项目更有其技术优势。同时对于水平定向钻施工特点和面临的风险有一定的认识，施工时应采取相应措施加以防范，提高成功率。
高密度聚乙烯管具有独特性能，是定向钻施工的理想管材。应用定向钻技术铺设HDPE排水管，实现两者完美结合，符合国家推广塑料排水管材的产业政策，值得推广应用。