水平定向穿越在供水工程中的应用分析

李中连

（无棣县农村供水服务中心，山东 无棣 251900）

1 水平定向钻进技术概述

水平定向钻机是在不开挖地表面的条件下，铺设多种地下公用设施（管道、电缆等）的一种施工机械，它适用于沙土、黏土、卵石等地层，工作环境温度为-15℃～+45℃。水平定向钻进技术是将石油工业的定向钻进技术和传统的管线施工方法结合在一起的一项施工新技术，具有施工速度快、精度高、成本低等优点，广泛应用于供水、煤气、电力、天然气、石油等管线铺设施工工程中。

农村供水工程不可避免地会遇到道路、沟渠、河流、建筑物等无法正常开槽施工的障碍，通过增加开槽深度、架空管道、水平定向钻进等方式进行施工。无棣县农村供水工程自2009年引入水平定向钻进技术，在施工中得到广泛的应用，解决了管道穿越特殊地段的施工问题。与传统的施工方式相比，具有迁占少、费用低、工期短、后期破坏少等优点。

2 穿越深度控制

根据《室外给排水设计规范》（GB50014-2006）规定，穿越公路、铁路、河流、地面建筑物时，最小覆土深度应符合专业规范要求；当专业规范无特殊要求时，最小覆土深度可参照表1中规定。采用泥浆辅助钻进时，与水体的最小距离应至少为5～6m，以保证不发生泥浆喷涌。水平距离按《室外给排水设计规范》规定执行。

表1 最小覆土深度

3 穿越距离计算

1）入、出土角和曲线段的确定可按图1中进行。

图1 穿越距离计算示意断面图

图中：α1、α2分别为入、出土角；B 为第一曲线段和直线段轨迹变化点；C为直线段和第二曲线段轨迹变化点；h为轨迹（铺管）深度；L1+L2+L3为定向钻铺管水平长度。

2）定向钻铺设PE管的最小允许曲率半径可采用公式（1）计算：

式中：ρ为曲率半径，cm；E为弹性模数，MPa；DH为管外径，cm；δρ为弯曲应力，MPa。

铺设PE管时，因PE管弹性模量小，钻孔轨迹的曲率半径主要取决于钻杆的曲率半径。根据工程实践经验，钻杆弯曲半径为1200D以上（D为钻杆外径），一般情况下取1500D。

单曲段最小水平距离可采用公式（2）计算：

式中：L为曲段最小水平距离；ρ为曲率半径；L1为入土、出土直段距离；α为出土角、入土角。

3）出入土角度确定。出入土角应根据定向钻铺设管线类型、材质、管径、穿越深度确定。PE管的出土角宜在6°～20°。在地面上采用钻机钻进导向孔时，第一直线段轨迹应是入土角的斜直线段，该段最小距离不应小于一根钻杆长度；大型设备该段距离不宜小于10m。对坑内钻式，入土角和出土角一般应采用0°或近似水平。

4）水平穿越距离。穿越位置与入土点、出土点障碍物距离应符合《室外给排水设计规范》规定，并考虑管道扩孔、回拖时土层压缩对既有障碍物的影响。入土点或出土点与穿越的第一个障碍物之间的距离应至少大于3根钻杆的长度。

4 管材回拉力计算

管道回拉力采用公式（3）计算：

其中，Py=πDk2Ra/4；Pf=πDLf。

式中：Pt为回拉力，kN；PY为扩孔钻头迎面阻力，kN；Pf为管周摩阻力，kN，适用于砂土层和黏土层；Dk为扩孔钻头外径，m，一般为管道外径1.2～1.5 倍；D 为管道外径，m；Ra为迎面土挤压力，kPa。在护孔泥浆中黏性土Ra在50～60kPa；砂性土在 80～100kPa；L 为管道长度，m；f为管周与土的单位侧壁摩擦力，kPa；黏性土f在0.3～0.4kPa；砂性土在 0.5～0.7kPa；采用泥浆护壁时建议在 0.15～0.35kPa。

5 管材铺设的最大长度计算

目前，拖拉管主要针对PE管材，根据《聚乙烯燃气管道工程技术规程》（CJJ63-2008）中规定：聚乙烯盘管或因施工条件限制的聚乙烯直管或钢骨架聚乙烯复合管道采用托管法埋地敷设时，聚乙烯管道的最大拖拉力采用公式（4）计算：

式中：F为最大拖拉力，N；DN为管道公称直径，mm；SDR为标准尺寸比。

根据管材所承受的最大拉力F，由管材回拉力计算公式可以导出每种规格的管材所能拖拉的最大长度，计算参照回拉力公式（5）计算：

式中：L为最大铺设长度；F为最大拖拉力，N；D为管道外径，mm；f为管周与土的单位侧壁摩擦力，kPa。黏性土在0.3～0.4kPa；砂性土在0.5～0.7kPa；采用泥浆护壁时建议在0.15～0.35kPa。

6 定向穿越设备选型

定向钻机的选型应根据现场情况确定，主要根据穿越深度、穿越水平距离及设计终孔口径、弯曲曲率半径、铺管长度等，计算出回拖力来选择确定钻机，定向钻机分类见表2。由于回拖时边界条件复杂，故在选择钻机时应有一定的安全余量，根据国内外多年施工经验，一般按1.5～3倍的回拖力作为选取钻机的依据。

表2 定向钻机分类

水平定向穿越在供水工程施工中，得到越来越广泛的应用，穿越长度、管材、设备的选择严重影响着整个工程的造价和工期。以上是对给水管道穿越轨迹设计、设备选型的一些见解，希望能给供水工程施工提供一些参考。