球墨铸铁管水平定向钻技术在供水工程中的应用

陈登旭CHEN Deng-xu

（合肥供水集团有限公司，合肥 230000）

0 引言

城市供水工程与居民的日常生活紧密相连。随着城市化的持续发展和加速，这一关系变得更加重要，人们对供水需求也在日益提升，建设市政供水工程的力度也不断加大。传统的明挖施工在实际施工过程中会对城市的正常运行造成影响，并且在复杂的地下管网环境下，施工质量控制难度大。此外，国家还规定新建道路5 年内不允许开挖，改造道路3 年内不许开挖且施工过程中还需要进行交通管制，给城市交通带来不便。为了解决这些问题，水平定向钻施工技术被引入。水平定向钻施工技术的引入有效地避免了对周边环境和交通的影响。通过水平定向钻进，施工可以在不破坏地面和地下管道的情况下进行，避免了对城市正常运行的干扰。

1 水平定向钻施工技术概述

水平定向钻施工技术是在不具备开挖沟槽条件下，采用管道形成弧线实现地下穿越，用以铺设流体输送的管道的施工方式[1]。水平定向钻施工技术在城镇供水工程中具有高度实用性，并相比传统的明挖施工方法具有明显的应用价值。

1.1 加快施工进度

市政供水管道施工中常常需要在城市道路上进行施工，经常会面临在现有道路上进行施工的困难，一方面需要对现状道路进行明挖，然后方可施工，造成交通拥堵，施工效率低。另一方面施工可能会遇到相关拆迁问题，导致施工无法继续进行。水平定向钻施工技术占地面积小，施工受外界条件约束低，提高了施工效率，缩短了整体施工周期。

1.2 对周边居民影响小

市政供水工程通常位于人口稠密且交通繁忙的城市地带。传统的建设方式是使用围挡进行开放式挖掘，这种方法在施工过程中可能会对周边扰动大、影响周边居民生活。然而，采用水平定向钻技术可以有效地避免这些问题。这种技术主要在地下进行施工，对地上的构筑物和地方的交通的干扰小，施工环境相对较为封闭，施工过程中消音、占地面积少，不采取“拉链式”施工，有利于扬尘治理，所以对周边环境和城市居民影响小。

1.3 适用范围广

水平定向钻施工在人口密度较大的城市、穿越河流区域、植被绿化保护区域、交通流量大的区域较传统施工方法具有更大的适用性[2]。在繁华都市，水平定向钻施工场地选择灵活、便捷，占地少，施工成本低，对附近的管线和环境造成的影响都很小，城市交通可正常运行。在河流、特殊植被保护区域，水平定向钻施工区域小、植被破坏率低，适应性强，能绕开地下障碍物进行施工，最大程度保留原有的地势、地貌。尤其应用于长距离输送管道上。此外，水平定向钻施工技术在交通流量大的繁华都市中也更加适用。相较明挖等传统施工模式，可降低对现状道路的影响，确保道路的正常通行，施工附近噪音小，不影响周边居民生活。最后，该技术往长距离、大口径方向发展，被认为未来最有发展潜力的管网施工技术。

2 工程概况

文章选取项目为庐州大道DN600 供水管道过十五里河采用定向钻施工，长约290m。该给水管位于庐州大道与十五里河交口东侧，给水管位于庐州大道与十五里河交口东侧，给水管管材选取一根DN600 自锚式球墨铸铁管，壁厚等级为K9 级，管道外径为De635mm，承口外径D1738mm，最大偏转角度2°，最小曲率半径169m，最大允许拖拉力1140kN。单支管道有效长度为5.9m，执行标准为GB/T 13295。管道水压试验标准压力为0.8MPa，外防腐涂层为金属锌+200um 灰色环氧树脂涂层，内衬采用符合GB/T 17457 要求的普通硅酸盐水泥砂浆内衬，本次回拉力设计值：360kN（参考值）。

在球管各个承口部分采取以下两种防护措施。一是增设热缩套，二是金属套保护装置。主要作用是防止泥浆进入接口间隙，影响管道水压试验。另球墨铸铁管外防腐层应满足设计文件的技术要求。通过调查和物探单位探测，位于十五里河北侧有一道DN1600 污水管，管底标高10.33m。管道入土点坐标X：3515673.127，Y：528071.778；管道出土点坐标X：3515386.412，Y：528071.791，穿越管道中心线埋深为14.59m，水平段总长度76.67m，曲线段总长度211.61m，穿越入土角为12°，出土角为12°。主要穿越地层为素填土、黏土，适合选用球墨铸铁管。具体的地质勘察报告见表1。

表1 拟建场地地质分布

表2 轨迹计算条件

表3 轨迹计算结果

3 供水工程中水平定向钻穿越技术施工要点

3.1 轨迹设计

先导孔轨迹设计中非常重要的一个环节就是确定各项轨迹参数，典型的先导孔轨迹设计见先导孔轨迹中各参数计算见公式计算先导孔轨迹参数[3]。

图1 定向钻穿越示意图

TA：A 点处所承受的回拖力（kN）；

TB：B 点处所承受的回拖力（kN）；

TC：C 点处所承受的回拖力（kN）；

TD：D 点处所承受的回拖力（kN）；

Th：泥浆对管道穿越的阻力（kN）；

q：钻孔内泥浆压力，一般取5～10（kN/m2）；

P0：单位管道重量（kN）；

Pf：泥浆产生的浮力（kN）；

L1：穿越管道的附加长度（m）；

L2：A 到点B 的水平距离（m）；

L3：B 到点C 的水平长度（m）；

L4：C 到点D 的水平距离（m）；

H1：入土端的最大埋深（m）；

H2：管道出土端深度（m）；

μa：球管与地表面的摩擦系数，一般取值0.15～0.20；

μb：球管与孔壁之间的摩擦系数，一般取值0.20～0.30；

α：管道入土角（rad）；

β：管道出土角（rad）。

3.2 先导孔钻进

近年来，水平定向钻技术逐渐加入导向仪，此项技术的加入大大提高了钻机的工作效率，进一步保证工程的顺利完成。在钻机准备工作完成后，不仅要检查钻机是否有问题，还要按要求进行试钻，确保钻机可正常工作。钻机安装结束后进行导向孔施工，对施工区域的地质进行分析，将控向、泥浆和司钻的每个环节都落实到位，并分析各项参数以确保钻出的导向孔符合施工方案，在实际钻孔时，还要参照穿越曲线以及设计曲线，保证钻孔过程中方向控制的准确，具体来说导向孔施工期间，将建立穿越曲线数据库，采集每个数据采集点的，倾角、方位角、水平距离、高差、左右偏差值等控向数据。该工程导向孔施工采用月蚀导向系统实时跟踪与定位，保证数据准确性。（图2）

图2 导向孔施工

图4 接口防护

3.3 回拉扩孔

在导向孔施工完成后，进行管道安装，但为最大程度上确保管道可顺利安装，需要进行扩孔工作，通常扩孔直径要比导向孔直径大1.5 倍，同时扩孔还应根据实际导向孔的大小、施工区域的地质特征以及铺设管道的直径大小来进行多次扩孔，为保证施工的质量，扩孔器应根据地质来进行选择，从而符合施工方案。该工程穿越最终成孔直径应选取900mm，通过对现场地质分析综合考量来看，最终扩孔要达到900mm。当钻头到达指定出土位置后，将钻具拆掉安装上扩孔器，并在孔洞内喷上泥浆，随后进行扩孔施工。

3.4 管道安装

首先对管道承口进行清洁处理，将其所有的附着物，如泥土、砂石等全部铲除，再进行橡胶圈的清洁、然后将胶圈装入承口槽内[4]。其次分别对球管承口胶圈内表面、插口外表面涂刷润滑剂，最后将管道插口推入承口、完成管道安装。安装过程必须报验，经监理单位核查无误后，方可进入下一道工序。

3.5 接口防护

承口部分按照设计要求进行防护，主要采取两种措施，一是增设热缩套，二是采用金属套保护装置，避免管道在拖动过程中，泥浆进入接口间隙，减少拖动阻力。

3.6 回拖前试压试验

供水管道在安装完毕后，必须进行水压试验验收，因此在回拉铺管前，应在地面进行管道预试压验收，检查管道连接处是否存在漏水现象，确保接口安装质量，具体操作步骤如下：在管道首尾部安装球法兰，连接好打压装置及压力表，在管道充满水后，根据验收标准进行试压验收。

3.7 回拖铺管

管道的回拖工作是通过管道与钻孔相连接，将管道从一端回拖至另一端[5]。一般情况下在管道下沟前先放入一些水，目的是使得管道受到阻力大大减小，从而降低回拖力同时对管道的防腐层进行保护，因此在放入管道前，要派专业的人员对管道进行检查，以此来保证管道是否合格。管道的回拖工作具体是在钻杆上装好扩孔器，扩孔器再与管道头相连，以此来保证管道的回拖工作可正常进行。若水不能起到减小阻力的作用时，那么需要加入适当的润滑剂来保证管道可顺利穿过钻孔。另外在回拖的过程中还会产生一部分的泥浆，这些泥浆也要进行专门的处理，以保证不会对周围的环境造成破环。管道在出土时，为了保证回拖顺利进行，避免出现管道在地下回拖时候出现拖不动的状况，一定要控制好出土的角度以及方向。（图5）

图5 管道回拖施工

3.8 消毒冲洗

管道回拖完毕后，及时对管道进行消毒冲洗，清洁冲洗至出水口水样浊度小于3NTU 为止。此项指标现场实时检测，合格后停止冲洗，清洁冲洗合格后，施工单位按审批后的方案投加次氯酸钠消毒液，浸泡24 小时后，随即进行管道消毒冲洗，管道消毒冲洗的合格标准是浊度小于1NTU。

4 总结

球墨铸铁管继承了灰口铸铁的耐腐蚀性性能，机械性能指标与碳钢管管相当，另外还具备强度高、抗内外压能力等特点。球墨铸铁管在水平定向钻技术上使用，是供水管道施工的一种新的尝试。在本工程施工过程中，不仅不会对周围环境造成影响，而且具有良好的经济效益，另球墨铸铁管具备耐腐蚀性，抗内外压力强度高等特点，使用寿命周期长，施工又快捷，为大口径供水管道水平定向钻技术做出了成功示范。总而言之，球墨铸铁管水平定向钻在供水工程中的应用既能节省施工成本，又能提高施工效率，在实际施工中具有很强的应用性。