一、定向水平钻管道非开挖技术及施工的目的及意义
目前,市政工程建设中,在城市繁华区和地下、水文地质情况复杂或者临近邻街建筑的情况下,排水管道或者其他管线的施工,不能明开挖施工时,需要采取
非开挖技术解决问题。定向水平钻在非开挖技术行业中,具有不开挖路面、不阻断交通,不影响环境等优点,具有明显的经济效益和环境效益。本课题结合旧晋祠路改造工程项目研究定向水平钻施工在实际施工中的应用,为以后的管道施工提供非开挖参考资料和经验。
二、旧晋祠路改造工程定向水平钻工程概况
旧晋祠路改造工程,污水管线施工过程中发现,①施工降水、钢板桩支撑开挖后,沟槽两侧土体严重裂缝,对周边建筑物产生不良影响,且存在安全隐患;②在局部段落因地下管线复杂、老旧,位置、走向、材质不明;③化工排洪渠常年流水不可明开挖等情况;④在局部段落管线临近建筑物;⑤工期要求紧。上述段落,明挖施工存在如下不利因素:①安全隐患和环境影响;②功效低下;③施工周期长;④存在经济赔偿损失的可能。考虑在K0+472~K0+670,长204m;1+280~1+975,长700.5m两段采用水平定向钻(非开挖)施工污水。
三、施工方案及过程控制
1、沉井定位井
2、沉井定位井作用
非开挖水平定向钻施工首先要符合设计要求的高程控制,为保证设计高程,在定向钻施工之前先要布设沉井定位井。定位井应位于水平定向钻的起始位置,并且最好在设计检查井位置。沉井定位井的定位很关键,其作用如下:①将已完管道与拖管段在井位处准确连通;②定位井的封底高程即为设计过水面高程;③沉井定位井同时也是污水管道检查井。
3、沉井定位井施工
沉井现场预制C25钢筋砼矩形沉井,为定位井,内径均为3.3m×1.5m,壁厚30cm。沉井与管道正交的每侧壁预留D=1.2m的2个预留孔,作为管道穿越用。沉井封底时要符合设计高程。
沉井的定位要考虑如下因素:要将设计好的预留孔对准已完管头,待沉井下沉到已完管顶时,将预留孔下混凝土凿除,使管头卡进预留孔,实现已完管道和拖管段落的连通。
4、水平定向钻施工
本次穿越从桩号0+472处至桩号0+670处,在过桥铺设管道时,采取绕桥基础以外画弧形穿越。采用管材为Φ800mmPE管,设计铺管长度约204m,穿越长度约265m。
5、施工准备
6、技术准备
组织全体施工人员进行技术交底和安全交底,进行施工方案要点交底,要求所有施工人员熟悉本工程特点及技术要求。现场进行管线交底和摸查。
7、施工机具准备
要对钻机、泥浆系统、控向系统、热熔焊机等所有机具进行检测保养到位,配备易损件。
8、定向钻穿越过程
现场三通一平—→开挖工作坑(3m*5m钻机侧深度按高程)开挖泥浆池(3m×4m×2m出土点)—→钻机调试安装拖拉头制作(φ800mm)—→泥浆调配—→钻导向孔—→预扩孔Ф450mm—→预扩孔Ф600mm—→预扩孔Ф750mm—→预扩孔Ф900mm—→预扩孔Ф1050mm—→预扩孔Ф1200mm—→清孔Ф1050mm—→管材焊接—→拖管—→泥浆清运—→钻机撤场、地貌恢复
9、关键过程控制
10、测量放线
根据施工图、设计控制桩进行测量放线,放出线路轴线和施工作业带边界线。用经纬仪放出各个井位并给出各井位及沿途重要控制点的高程,作好记录供导向孔钻进时使用,用经纬仪放出钻进路线,每隔20m标记桩供钻进时使用。
11、泥浆控制
12、泥浆是定向穿越中的关键因素
(1)按照事先确定好的泥浆配比用一级钠基膨润土加上泥浆添加剂,配出符合要求的泥浆。
(2)使用的泥浆添加剂有:降失水剂、固壁剂、黏土分散剂等。
(3)为确保泥浆的性能,保证膨润土有足够的水化时间,我们采取两套加料配浆系统,延长泥浆循环周期。
13、水源的采用
水源采用自来水,抽入水罐内加碱软化,降低Ca、Mg离子含量,改善水质,同时提高水的pH值,水的pH值为9~10时最适合膨润土的水化。
14、强化各施工过程泥浆性能调整
(1)斜孔段:泥浆的流动性能要好,结构性要强,保证钻屑携带和孔眼清洁;控制泥浆的失水,防止塌孔。需增大固壁剂、降失水剂含量。
(2)水平孔段:要及时提高润滑剂剂量,适当降低粘度和切力,保证泥浆的流变性能良好,使钻屑顺利返出地面;增强泥浆的润滑性,减小钻机旋转及推进阻力。
(3)扩孔段:增强泥浆的造壁性能,防止孔壁塌陷,防止缩径;需增大固壁剂、降水水剂剂量。
(4)回拖段:提高泥浆的润滑性,降低摩擦阻力。增强携屑效果,需提高润滑剂剂量。
15、泥浆的黏度
根椐穿越段地层情况,在钻导向孔阶段,泥浆黏度控制在45s~
50s在预扩孔和回拖阶段泥浆粘度提高5s~10s即达到50s~55s。
16、定向钻穿越
17、钻导向孔
(1)钻导向孔的钻具组合为:钻头+造斜短接+钻杆。控向传感器装在钻头后舱内并紧固。
(2)把好控向关。在导向孔钻进过程中使用无线控向系统,在出入土两侧地面布置地面信标系统,钻头内传感器发射的信号将钻具的位置反馈到控向室便于司钻随时掌握方向,利用地面信标系统可以准确找出穿越中心线的方位角,同时可以记录钻头与地平面的夹角值。
18、预扩孔
(1)完成导向孔工作后,扩孔分五级进行,依次选用φ450mm、φ600mm、φ750mm、φ900mm、φ1050mm、φ1200mm的扩孔器进行预扩孔,然后进行清孔。导向孔钻通后将钻头卸下,将钻杆与Ф450mm扩孔器相连进行第一次预扩孔,回扩完成后把Ф450mm扩孔器断开卸下,再将钻杆推回至出土点后连接Ф600mm扩孔器回扩,循环操作直至预扩孔和清孔工序完成。
(2)扩孔过程应平稳缓慢,监视钻机各项参数并做好记录。
(3)根据出土点返浆情况调整泥浆量,保证孔内钻屑能够顺利被泥浆带到孔外。
(4)遇有地质情况发生变化钻机参数不稳时应分析情况,调整扩孔速度。
(5)扩孔过程中产生的泥浆要及时处理。
19、回拖管线
(1)扩孔和清孔完成后将钻杆推回至出土点,安装上Ф1050mm扩孔器并与焊接好的管线连接,检查扩孔器水眼是否通畅,确认无误后开始回拖。
(2)管线回拖前,检查管线沿线情况并设专人看护,防止管线在前进过程中出现意外。
(3)管线和钻具的连接:钻杆+Ф1050mm扩孔器+80t旋转接头+25tU型环+回拖头,总体连接完成一起回拖。
(4)准备工作就绪后,回拖应一气呵成,中间不得停顿,直至成品管线在钻机侧出土为止。
20、沉井内管头预留孔封堵及造斜段处理
21、沉井内管头预留孔封堵
管线回拖到位后,由于管头与沉井预留孔洞间有空隙,需要及时防水封堵,避免管道周围的泥浆从该空隙间流出,造成地质扰动,影响已完路面工程质量。
22、造斜段处理
在水平定向钻施工回拖管线到位后,沉井两端造斜段形成空管段,且其中是泥浆,是路基重大质量隐患,需要彻底换填处理。方案:对东侧慢车道拖管扰动土体的造斜段深度范围内进行泥浆挖除外运,换填片石至稳定后,再用水泥稳定碎石逐层回填碾压密实至土路基高程。
四、经验总结与探讨
1、技术总结
(1)定位井位置和高程的控制直接影响到水平定向钻是否能达到设计和规范要求。
(2)管材必须符合国家规范标准要求,否则会出现焊口拖裂。
(3)设计好出入点和钻杆钻进角度,保证高程和质量。
(4)管线回拖完毕后,沉井内管头封堵要及时严密,否则泥浆的持续流出和清除会造成地质扰动,影响到周围结构和建筑的质量、安全。
(5)造斜段必须进行专门换填压实处理。
2、水平定向钻施工总结
(1)水平定向钻施工对于大管径管道,因其预扩孔直径达到
1200mm,如果管道埋深浅或地质易流沙时,易造成塌孔而影响整个定向穿越施工。旧晋祠路水位高、土质差,沉井定位井内管头周围空隙的及时封堵直接影响到周边建筑质量安全。
(2)旧晋祠路改造工程,原方案为明开挖,深井降水,钢板桩支护,沟槽换填级配碎石,工序繁多,周期长,且因为地下水位高,地质条件差易塌方,降水施工过程中,对周边建筑和地面形成不同程度的拉裂、扰动,产生了额外的经济补偿损失。相对而言,水平定向钻施工具有不开挖路面、不阻断交通,不影响环境,周期短等优点,具有明显的经济效益和环境效益。
坤宇水平定向钻施工技术在非开挖领域极具潜能,尤其在城市繁华区、穿越河道、路口和地下、水文地质情况复杂或者临近建筑的情况下,排水管道或者其他管线的施工,不能明开挖施工时,可以采取非开挖方式——水平定向钻施工技术。
