水平定向钻技术在综合管廊中的应用

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背景

近几年，我国城市地下综合管廊施工大部分采用明挖的方式，虽然施工过程简单，但其可能会对现状主干道路进行破坏，拆迁的经济成本较高，另外，拆迁过程中存在的钉子户甚至有可能影响工程进度[1]。此时，考虑采用非开挖技术。

在地下综合管廊分支口施工过程中，非开挖技术施工可最大限度降低对交通和环境的影响，采用水平定向钻方法可以直接将电力管道从分支口引出，避免了因开挖对周边环境造成的影响。

1.水平定向钻的施工工艺

1.1 水平定向钻的工作流程

水平定向钻进是指在不开挖地表的条件下，采用水平定向钻机成孔并敷设管道的方法[2]。它的工作流程如下：

（1）钻孔泥浆配制

泥浆的配置方法需要根据地层条件、管道穿越深度及长度来决定。

钻孔内泥浆量按下式计算：

式中: V-钻孔泥浆用量（m2）；k-比例系数，取值范围为3～5，一般取3；D-大孔直径（m）；d-小孔直径（m）

（2）先导孔钻进

钻进过程中，钻头将钻孔的位置参数发送到地面的钻进规划软件，操作人员根据这些数据及时调整实际钻进轨迹,确保达到设计的要求。

（3）扩孔

导向孔完成后,需将钻孔孔径扩大至铺设管道所需的直径，一般为管径的1.5～2.0倍。回扩时如果回扩一次不能满足要求,可回扩多次。

（4）拖管

钻孔回扩完成后，即可拖入需要铺设的管道，可将最后一次扩孔与拖管同时进行。

1.2 水平定向钻工程设计

1.2.1 管道设计要求

在进行管道回拖时，需要考虑到管道所能承受的最大回拖力。

式中: F-管道所能承受的最大回拖力（N）；σ-管道的屈服强度（MPa）；D1-管道外径（m）；D-管道内径（m）；N-安全系数，给水、排水、通信、电力管道等低压管道取2.0，燃气等高压管道取3.0

1.2.2 穿越轨迹设计

在设计水平定向钻穿越轨迹时一般需要考虑三个方面，一是所铺设的管道穿越地下的深度和水平长度，二是需要避开地下管线和建（构）筑物，三是钻进过程中对钻进角度及弧度的控制。

（1）水平定向钻的穿越轨迹应按下公式计算：

图1.2.2（1） 穿越轨迹设计图

式中: α-入土角（°）；R-曲率半径（m）；a-入土端直线段的水平长度（m）；h-入土端底部直线段与地面的高度（m）；b1-入土端直线段的高度（m）；b2-入土端曲线的高度（m）；L0-底部曲线段的长度（m）；β-出土角（°）；c-出土端直线段的水平长度（m）；d1-出土端直线段的高度（m）；d2-出土端曲线的高度（m）；L-穿越长度（m）

（2）确定曲率半径

回拖管线的弯曲度大于钻杆的弯曲度时以钻杆的曲率半径计算，回拖管线的弯曲度小于钻杆的弯曲度时以回拖管线的曲率半径计算。

例如钢管的弯曲半径 R≥1200d，d为钢管的直径，直径450㎜的钢管最小曲率半径R=1200*450㎜=540m。

（3）铺设钢管的时候，每根钻杆的弯曲角度的计算：

式中: S-以钢管的弯曲半径为半径的圆的横截面积（m2）；L-钻杆的长度（m）；∝-钻杆的弯曲度（rad）

例如钢管直径为450mm，钻杆长度为3m，每根钻杆的弯曲度∝ =

2.案例分析

2.1 工程概况

华清西路是城市一条主干路，道路红线为50m，全长约1.7km。车流量大，交通堵塞，且红线内部分居民楼占用非机动车道，开挖难度较大。管廊类型为缆线管廊，位于机非分隔带与非机动车下方。主管廊采用顶管施工工艺，利用顶管工作井设计相应具有通风、吊装、配电、逃生、过路分支等功能性节点。其次，过路分支口采用定向钻工艺。

2.2 工程设计

2.2.1 钻机和管材选择

考虑采用外形尺寸为5900X2020X2400的XZ200型号水平定向钻和MPP电力套管。MPP管采用改性聚丙烯为主要原材料，适用于10KV以上高压输电线电缆排管管材，具有优良的电气绝缘性、较高的热变形温度和低温冲击性能。

2.2.2 穿越轨迹设计

根据对缆线管廊及分支口位置的考虑，现将分支口引出管道的穿越轨迹设计如下。

结论

（1）给出了水平定向钻管道穿越设计流程与内容。

（2）应用水平定向钻的工程设计内容对华清西路电力分支口过路铺设管道进行了分析。