水平定向钻进铺管施工技术的研究和应用

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  1前言
   水平定向钻进铺管技术是将石油工业的定向钻进技术与当代先进控制技术相结合的一种现代非开挖施工新技术,主要用于穿越河流、公路、铁路、建筑物等障碍物铺设各种管线(包括电力电缆、电讯电缆、热力管道、燃气管道、给排水管道等)。水平定向钻进铺管施工技术是一项由多学科、多技术、不同设备集成运用于一体的系统工程,在施工过程中任何一个环节出问题,都可能导致整个工程的失败,造成巨大的损失。
  工程概况
   本工程为上海宝钢不锈钢分公司热电联产项目建筑工程外部电缆沟部分。其中有两处分别要穿越铁路,因生产需要该铁路运输线不能中断,即不能进行大开挖施工。所以设计采取了牵引管的施工方案。据设计要求,拟在7#~8#井、3#~4#井间各穿越一条电力管,具体情况如下:
   3#~4#井,穿越铁路非开挖铺设φ630聚乙烯管护套管一根,再在其中穿越5孔-φ150+4孔-φ100PE管,铺管长度为25米;
   7#~8#井,穿越铁路非开挖铺设φ630聚乙烯管护套管二根,再在其中穿越5孔-φ150+4孔-φ100PE管,铺管长度为42米。
   该施工场地位于上海钢铁一厂内,地下管线较为简单,在施工前应进行地下管线的确认工作,并请甲方交清各种管线的走向与埋深。
   经初步调查及收集资料,该工程施工地段地质条件较为简单,表层为回填土,下面依次为粉质粘土、淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土,穿越工作主要在粉质粘土和淤泥质粉质粘土中进行。
  工艺原理
   水平定向钻进铺管的基本原理:按预先设定的地下铺管轨迹钻一个小口径先导孔,随后在先导孔出口端的钻杆头部安装扩孔器回拉扩孔,当扩孔至尺寸要求后,在扩孔器的后端连接旋转接头、拉管头和管线,回拉铺设地下管线。
  施工准备
   根据工程要求,水平导向钻进施工人员在项目技术工程师带领下,对现场进行实地勘察。
   施工期间,在钻机就位及工作坑位置采用护栏围护,及时外运泥浆和开挖之土堆,保护绿化及道路整洁。
  工艺流程和施工要点
   工艺流程如下:
  
  施工现场准备
   测量放线定位
   工作坑开挖、钻机就位
   泥浆配制
  导向孔钻进管道安装组焊
   分级反扩成孔
   主护套管回拖
  其它套管回拖
  
  
  
  5.1现场施工准备和测量放线定位
   根据工程设计要求,水平导向钻进施工人员在项目技术工程师带领下,对现场进行实地勘察,确定地上和地下是否有阻碍物或对施工钻进的不利因素,同时按照设计图纸要求进行测量放线定位。
  5.2定向钻进轨迹设计
   施工前要在施工方案中对定向钻进轨迹进行设计,设计穿越轨迹须包括入孔、第一造斜段、水平段、第二造斜段和出孔,为了保证管道回拖的顺畅,穿越轨迹必须符合管材对曲率半径的要求。
   出、入土角的确定:根据非开挖协会的行业规范,出、入土角度的经验值为8°~20°(即14%~35%)。
   穿越深度的确定:对穿越道路的管线,最大穿越深度应小于最大扩孔直径的6倍,穿越既要考虑到满足设计的要求,同时要保证穿越铁路的安全。
  5.3工作坑开挖和钻机就位
   工作坑开挖要根据设计对主套管埋深的要求进行确定,同时要便于钻机就位和钻机的入孔角度。
   施工期间,在钻机就位及工作坑周围采用护栏围护,及时外运开挖工作坑的土方和钻进过程中的泥浆,保护绿化及道路整洁。
  5.4泥浆配制
  为了保证钻机钻孔的成孔质量,提高施工过程中的造浆率,在工程钻进过程(导向和扩孔)中应根据地质地层的实际情况,采用非开挖施工配置的专用复合泥浆,主套管回拖时采用专用复合泥浆和润滑剂(具体使用方法见产品说明书);特殊情况下可以不采用复合泥浆进行造浆。
  5.5钻导向孔
   根据方案设计的钻进轨迹路径图,调整好钻杆入土角,逐根钻进。每钻进一根钻杆测量其深度及方向,做好钻进路径统计表记录。在地表测量点做好标记,以方便两次钻进时核对深度及位置。如下图1
  
   水平定向钻进示意图1
   要求每一根钻杆的深度误差和轴向偏差范围控制在误差范围以内。记录好钻进过程中的扭矩、推力、泥浆流量、泥浆压力、角度改变量。
  5.6分级反向扩孔及孔的改善
   地下牵引管工程水平定向钻进最大成孔直径为900mm,当成孔直径为900 mm时:导向孔钻进完成后,根据土质情况分级采用直径为600 mm、900 mm回扩器反拉旋转扩孔。扩孔口径保证为需拖入管材最大口径的1.3~1.5倍。如下图2。
  
   水平定向钻进扩孔示意图2
   扩孔时,应根据地质地层实际情况配置的泥浆,以确保孔壁稳定,泥浆流动顺畅。当第一级扩孔时,减慢扩孔速度,同时减小泵压,增大转速。扩孔完成后,用直径为900mm的清孔器对孔进行一次清孔处理,以排出孔内多余渣土,对成孔内壁做进一步稳固。
  5.7管材焊接安装
   由于地下牽引管工程的施工穿越轨迹为曲线,因此要求所选用的套管管材主要为塑料套管(PE管),PE管的焊接采用热熔对接技术,管材经相应机具切削、加热,使塑管断面熔化,在一定压力作用下,使熔化表面接触、保压、冷却,直至冷却至环境温度,其加热时间与加热温度应符合PE管材生产厂的焊接技术规定。焊接的具体操作步骤如下:
   5.7.1按塑管特性设定熔接温度;
   5.7.2启动电源,对电热板加热,当温度上升到设定点时会自动把调温范围控制在设定点±3℃以内;
   5.7.3将对接塑管放入对接架,并固定好,此时油缸位置在最左端,两管口间距应以能放入铣刀盘且铣削后又能对接为准;
   5.7.4插入铣刀盘并固定好。转动铣刀盘,然后启动动力源油泵,逐渐进入切削状态,最终达到两端面铣平的目的(铣削时的油压不大于3Mpa);
   5.7.5取出铣刀推进活动架,检查两管面是否吻接,如有高低偏差,需高速夹具进行校正并重复(4)、(5)动作,直到满意为止;
   5.7.6退回油缸,取出铣刀盘,换入电热板;
   5.7.7再次启动油泵,推进管道于电热板两面,稍稍加压,当电热板二侧管端熔出合适熔缝时,停止进给动作,继续加热,待达到加热时间总和后,迅速退回活动架取出电热板;
   5.7.8一旦电热板取出,应迅速合拢对接,并加大压力,直至接口有适当的翻边,一般情况下,翻边的宽度应该相当于管子的壁厚;
   5.7.9停止油泵,待管子熔缝冷却至环境温度;
   5.7.10除固定夹具,取出对接好的管材,对接结束。
  在焊接后冷却20分钟后,即清除焊缝处的内焊疤。
  5.8回拉铺管
   管材组焊安装完成后,待清孔结束,立即进行主套管的回拉铺管。当管材慢慢进入成孔后,注意两端工作坑泥浆的流动情况,控制好回拖速度,记录下钻机的扭矩、回拖速度、回拖拉力,确保顺利回拖。主套管回拉铺设完成后,再在其中回拖其它套管。如下图3。
  
  回拉铺管示意图3
  5.9工作坑的清理
   铺管完成后,对工作坑中泥浆进行清理,并在适当深度将管材两端锯断,再用木塞堵住端口,防止泥浆、碎土等物进入铺好的套管内。
  5.10砼工作井施工
   底板和墙板钢筋砼宜采规常见方法进行模板、钢筋、砼施工,顶板下按规范要求留设止水带。砼应严格按照设计配合比进行拌合,采用砼搅拌车运至现场,并按要求進行浇灌。砼拆模后需进行喷洒养护,养护时间不少于14d。
  机具材料
   6.1主要机具设备
   表1
  序号 名称 规格型号 单位 数量 备注
  1 水平导向钻机 KSD25钻机 台 1
  2 导向接收仪 “Eclipse” 套 1
  3 泥浆拌合系统 BW320 套 1
  4 热熔焊机 套 1
  5 柴油发电机 15kW 台 1
  6 泥浆运输车 8m3 辆 1
  7 电动泥浆泵 3吋 台 2
   6.2材料
   6.2.1专用泥浆材料
   6.2.1.1导向和扩孔时使用复合泥浆材料,每立方清水中加入一定使用量(根据泥浆情况,控制25~35公斤范围不再需要添加其他添加剂)。
   6.2.1.2拖管时,混合使用复合泥浆和润滑剂,具体用量根据产品说明和现场实际情况确定。
   6.2.1.3水
   凡可饮用的水均可用于拌制泥浆,不宜使用海水。
   6.2.2套管材料
   套管管材宜为塑料套管(PE管),PE管的焊接采用热熔对接技术。
   6.2.3砼工作井材料
   砼工作井与普通防水砼施工材料相同。
   6.3劳动组织
   地下牵引管工程水平定向施工宜采用专业化队伍施工,并有经国家认可的相关施工资质。专业化施工队伍所配置机械设备的操作人员,应经专业培训后方可持证上岗。在钻进过程中,每班应有钻机操作工1人,导向员1人,机械维修工1人,泥浆工1人,普工8人,电焊工1人,领班人员1人,工程技术人员1人。
  质量要求
  7.1 原材料质量要求
   7.1.1专用泥浆须具有出厂合格证,并在有效期内使用。
   7.1.2塑料管材必须具有出厂合格证,需要复检的须有复检报告。
   7.1.3钢材必须具有出厂合格证,需要复检的须有复检报告。
   7.1.4水泥必须具有出厂合格证和复检报告,并在有效期内使用。
   7.1.5混合料的拌制应均匀,不应出现离析现象,如发现分离应及时处理。
   7.1.6混合料的质量应符合配合比设计要求,应通过留取试块进行检验,试块留取数量应符合GB50204-2002要求。
  7.2 质量检查和验收
   7.2.1牵引管工程施工严格控制每一根钻杆的深度误差和轴向偏差。其质量要求应符合《水平定向钻进管线铺设工程技术规范》、上海市电力公司《水平定向钻进铺设电力管道工程技术规程》和GB50207-2002《建筑地基基础工程施工质量验收规范》的规定。如出现深度误差和轴向偏差,必须立即进行修正,以满足设计要求和施工要求。
   7.2.2塑料管的焊接采用热熔对接技术,其加热时间与加热温度应符合管材生产厂的焊接技术规定。焊缝表面不得有裂纹、未融合、气孔等缺陷。
   7.2.3砼工作井砼施工的质量要求应符合GB50204-2002《混凝土结构工程施工质量验收规范》的规定。
  8 安全措施
  8.1加强施工人员安全素质教育,施工人员在施工前必须接受安全知识教育,熟知安全技术操作规程。
  8.2施工人员必须持证上岗并统一着装,进入施工现场必须戴好安全帽系好安全帽带,特殊工种必须持证上岗。
   8.3现场临时电源应按安全操作规程敷设,机电设备必须接地接零保护,并设漏电保护器,开关箱应加锁和防雨。
   8.4焊接气割与施工用火必须选在安全检查地点,专人负责。严禁在易燃易爆物附近电焊、点明火及吸烟。
   8.5做好施工区域和非施工区域的隔离标志,确保过往行人的安全。
   8.6在施工区内的沟漕周围设置安全护栏和警告标志。
  8.7通道要做好防滑措施,上、下基坑要有扶梯、扶手。
  9 环保措施
   9.1废水排放符合国家标准GB8978-1996,污水符合排放标准中二类二级标准。
   9.2施工噪声排放符合国家标准GB12523-1990《建筑施工场地噪声限值》要求;办公区噪声排放符合国家标准GB3096-93《城市区域环境标准》二类居、商、工业混杂区要求。
   9.3施工期间,及时外运开挖之土方,保护绿化及道路整洁。
   9.4为了减少泥浆污染,采取的主要措施是控制泥浆压力、尽可能减少泥浆总量、及时清收泥浆,选择适宜的弃浆场所。
   9.5为了避免施工噪音影响附近居民晚上睡眠,建议晚上不进行施工。
   10 应用情况及效果
   牵引管工程水平定向钻孔铺管施工方便,成孔速度快,泥浆护壁简单,施工进度快,施工安全性高,但要求地质情况较好。正确的施工工艺能提高施工进度,保证工程质量和安全,降低工程成本。
   本工程采用牵引管水平定向施工方案后,在综合考虑施工安全、工期、造价等因素的情况下,确定地下阻碍物的分布位置,设计钻机的定向钻进穿越轨迹,制定合理施工方法,及时修改导向轨迹避开障碍。施工中克服导向钻进偏差太大的困难,保证了工程质量和安全,确保工程按质按期完成。
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