非开挖技术在市政排水工程中的应用研究

摘　要：近年来，非开挖管线技术以其突出的优点，成为城市现代化进程中的一项关键技术，本文在概述非开挖技术历史及相关工法的基础上，结合某市政排水工程实例，具体介绍了非开挖技术工艺措施，并提出当前该技术的不足之处，有一定参考价值。

关键词：非开挖；市政排水；施工
排水管道是城市基础设施的重要组成部分，担负着污水收集、防汛排涝、保护环境的重要作用，是城市生存和发展的大动脉。当前，随着城市规模的扩大，各地下管网不断延伸，老管线的扩容改造、在线管线的维修以及新管线的铺设已成为城市正常运转的重要内容。传统的开挖法虽技术成熟，施工简单，但会对城市交通、环境及商业活动造成负面影响，而采用非开挖法施工，能有效克服开挖法的施工缺陷，加上随着当前市政施工技术的迅猛发展，管道非开挖施工技术已越来越成熟，因此，在当今城市建设管网地下化发展的大潮中，非开挖管线工程技术越来越被广泛应用，现结合实践经验，就该技术在市政排水工程中的应用进行探讨。
　　1.非开挖技术概述
　　所谓非开挖施工技术，是指在不开挖地表的条件下铺设、修复和更换各种地下公用设施的任何一种技术和方法。国外利用非开挖技术铺设地下管线已有百余年历史，我国的非开挖铺管技术发展起步相对较晚，1978年首次引进水平螺旋钻，1985年引进了首台HDD钻机及气动矛、夯管锤。1990年以后，我国开始自主研发HDD钻机及气动矛、夯管锤，并在市政工程中大力推广应用。近年来，由于受交通条件的制约，以及新材料、新工艺的引进，我国非开挖技术也有了飞速发展。非开挖施工方法很多，目前仍在不断增加，按其用途可分为管线铺设、管线更换和管线修复三大类：1）管线铺设：根据施工的管径分2类：管径>900mm的可进入管线铺设方法：顶管施工法、隧道施工法等；管径<900mm的不进入管线铺设方法主要有：水平钻进法、水平定向钻进法、冲击矛法、夯管法、水平螺旋钻进法等。2）管线更换：有吃管法、爆管法等。3）管线修复：有内衬法和局部修复两种。
　　2.市政排水工程非开挖技术的应用
　　2.1工程概况
　　某市政排水工程设计污水管道全长1450m，管材采用PE管，管径为DN300，开挖深度在5.0m ～7.0m之间。因该工程地处交通要道，车流量大，若开槽埋管会影响交通，为此拟采用非开挖拖管技术施工，分五段进行。
　　2.2施工准备
　　2.2.2管材选择
　　所选PE管需满足如下要求：管材的强度及环刚度必须满足施工及使用阶段的荷载要求。管材质量应符合现行国家标准或行业标准，使用寿命不得低于50a。质量密度，短期弹性模量MPa，抗拉强度标准值不小于20.7MPa，抗拉强度设计值不小于16.0MPa，环向弯曲刚度不小于，管材允许的拖拉应力按12MPa控制。管材的外观颜色一致，内外壁光滑平整，无划伤、毛刺等缺陷；接管前端面平整且与管中心轴线垂直，长度方向不得有明显弯曲；内径必须满足设计管径要求。
　　2.2.2钻机配备
　　本次工程采用STD-320型水平定向钻机进行施工，其性能参数如下：额定扭矩11000N·m；入土角调整范围0～15°；最大回拖管径1000mm；最大穿越距离：1500m；最大推拉力3200kN；钻机结构形式为履带式；控向仪及方式为进口向导五无线导航探测仪。
　　2.2.3选择管道焊接场地
　　近管道全线中间的一个钻杆出土点有块较大的闲置空地，将其按市安全文明施工规范要求用彩钢瓦围档作为管道焊接场地。
　　2.2.4施工临时用电
　　用30kW柴油发电机组在施工现场发电。
　　2.3施工要点
　　2.3.1导向轨迹设计
　　根据施工现场的地貌、地质和地下管线情况，设计出拖管路线图及断面图，同时按照设计规范要求，考虑以下因素：1）满足规范要求的最小曲率半径，即R=1200D=360m，因本工程穿越地层主要是流沙，地层情况复杂，成孔性、稳定性差，因此为减小管道弯曲应力，特将管道弯曲半径增加到R=1500D=450m。2）满足穿越道路的安全规范要求；规范要求穿越道路应保持在道路下5m，该工程管道覆土在5~7m，满足施工规范要求。
　　2.3.2测量放线
　　1）根据施工要求的入土点和出土点坐标放出管道中心轴线，在入土点端测量并确定钻机安装位置及泥浆池的占地边界线；在出土点一端，根据管道中心轴线和占地宽度及长度，放出出土点作业场地边界线。2）测量控向参数：按操作规程标定控向参数，要求细心并尽可能多测取参数比较，以确定最佳参数，在管道中心线的三个不同位置测取，且每个位置至少测四次。
　　2.3.3管道施工
　　1）钻机及配套设备就位：按施工布置图将钻机及附属配套设备安放在预定位置，进行系统连接、试运转，保证设备正常工作。
　　2）泥浆制备。泥浆在定向穿越中起关键作用，应根据现场地质条件制定泥浆性能参数，按照性能参数在开钻前配制好30m3优质泥浆。为对付不同的情况，泥浆配置可采取如下措施：一是按照事先确定好的泥浆配比用一级膨润土加上泥浆添加剂，配出合乎要求的泥浆。二是根据不同的穿越地质条件，加入不同的添加剂，常使用的泥浆添加剂主要有聚合物（万用王），滤饼剂，润滑剂等。
　　3）试钻。启动钻机，先钻入1～2根钻杆后检测各部位运行情况，各种参数正常后按次序钻进，若发现问题，应及时处理。试钻时，还应检查泥浆制备和输送系统是否有渗漏。
　　4）钻导向孔。管线组焊完成具备开钻条件后，按设计图纸钻导向孔。导向孔的钻进是整个定向钻的关键，操作STD定向钻机及配套的钻具进行地下钻进施工，地面上使用向导五定向系统控制钻头的方向。要重视每一个环节，认真分析各项参数，钻出符合要求的导向孔，钻导向孔要随时对照地质资料及仪表参数分析成孔情况。由于本工程为中长距离复杂地层穿越，导向孔钻进时，推力较大，要求钻机锚定必须牢固，泥浆性能达到高粘度、好流动。
　　6）预扩孔与管道回拖
　　导向孔完成，装上扩孔器进行预扩孔，预扩孔同时将检验合格的穿越段管线吊上滑送道并检查无误后回拖。回拖前仔细检查旋转接头、连接头、扩孔器的连接，确认连接牢固方可回拖，回拖中线路两侧采用对讲机加强联系，协调配合将管线敷设到预定位置。钻孔、扩孔、回拖中严格执行钻进工艺，完成后及时总结分析。
　　2.3.4管道高程测量控制措施
　　1）钻孔前测量控制措施。根据施工图纸，利用经纬仪或全站仪设定拖管段（两井之间的位置）坐标与距离，确定拖管导向孔中心线在地表走向，测量出导向孔中心线与地面的相对高程数据，并根据管道铺设深度的要求，确定导向孔的出入土角度和出入土点位置，将测量出的钻孔轨迹绘出详细图纸。
　 　2）钻孔过程中的测量控制措施。在导向孔钻进的过程中，测量人员手持导向仪，通过导向钻头内探头发射器发出的信号来确定钻具的准确位置，利用导向仪接收器获取的数据与预先设计的数据进行比较，每钻进2～3m时进行一次测量计算，随时调整钻进轨迹，如果实际钻进超出设计的误差范围，则需要回拉钻杆，重新钻进。
　　3）扩孔过程中测量控制措施。导向孔严格按照管道轨迹设计钻进完成后，即进行扩孔工作，不同土层采用不同的扩孔器，筒型挤压式扩孔器适合淤泥层，刮刀式扩孔器适合粘土层和流沙层，合金钢牙轮扩孔器适合岩石层，本次工程土质为流沙和淤泥土层，采用刮刀式和挤压式扩孔器交替使用，考虑到扩孔过程中由于扩孔器自重会产生成孔下垂的现象，造成导向孔准确而在扩孔中高程下降的问题，通过预先设置10cm的变量调节，有效的解决了高程问题。
　　本工程完工后经测量，高程符合设计要求，通过竣工验收。
　　3.开挖敷管技术不足之处
　　本工程中采用非开挖施工技术，经济效果及社会效应显著，同时也证明了非开挖技术是一项实用性强、实用面广、效益好的施工技术。但非开挖技术虽优先显著，但也存在一些不足，具体表现如下：1)非开挖敷管属地下隐蔽工程，遇到不良工程地质问题时难以处理。2)如何合理选择不同地层中的回扩径与铺设。3)水平定向钻施工导向孔时，随钻方向的测控修正问题未能解决，回扩过程中没有测量纠偏措施。4)非开挖敷管技术目前尚不能用于大口径管道埋设，只能用于管径 600mm的管道。
　　总之，在日益注重环保的今天，将城市相关基础设施建造于地下，己成为城市建设发展的必然趋势，而首当其冲的是城市各类管网的地下化和城市交通的立体化，因此，非开挖技术发展前景广阔。但另一方面，非开挖技术也存在一些缺点，因此，们在市政排水工程中必须因地制宜，充分利用非开挖技术的各种优点，克服缺点，综合考虑各因素，如此才能很好地利用它，进而产生良好的经济效益和社会效益。

参考文献：
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