引言

隨著我國城市化進程加快，市政給排水管道建設量猛增。目前，國內大部分城市仍采用開槽埋管的作業方式。開挖路面施工會影響交通、污染環境，給市民生活帶來諸多不便，也容易造成路面質量下降，縮短使用壽命。政府部門將出臺限制開挖政策以消除路面“拉鏈”現象。城市的給排水管道超期服役，由于管位有限，新管往往要鋪設在車道下或穿過構筑物，按傳統的施工方式不僅耗資巨大，實施上也有一定的難度，這就使得管道更新改造無法完成。

非開挖技術的發展為解決上述問題提供了有效的途徑。廈門水務集團有限公司在管網的建設中，應用水平定向鉆非開挖技術完成了多項給排水管道穿越工程，均取得較好效果。

非開挖技術概述：

非開挖技術是指在地表不開挖的情況下，利用巖土鉆掘手段鋪設、修復和更換地下管線的施工技術。

非開挖技術在給排水工程中有鋪設新管線和修復置換舊管線二方面的應用。

通常采用鋪設管線施工技術包括：水平定向鉆進法、夯管錘法、推擠頂進法、微型隧道法和頂管法等。

修復舊管線施工技術包括：原位固化法、滑動內插法、變形再生法、原位換管法、局部修復法。

水平定向鉆鋪管技術

水平定向鉆鋪管技術作為非開挖技術的一個重要分支，是將鉆探技術與控向技術巧妙結合的現代非開挖施工新技術，近年來應用于給排水管道施工。隨著導向定位精度提高、施工設備能力增強、管材業的發展，鋪管能力由初期的小口徑、短距離、單一鋼管，發展到大口徑、長距離、多種管材的鋪設，成為非開挖領域的發展重點，技術上已日趨成熟。

1、技術特點

（1） 應用范圍廣，適用性能強。適宜在粘土、粉土、砂土等土質條件下采用；可鋪設塑料管(PVC、PE等)、鋼管或鑄鐵管，管徑在DN40到DN2000之間；大型鉆機鋪管長度可達到500 m以上。

（2）鉆機布置靈活。鉆孔過程可在預先挖好的發射坑和接受坑之間進行，也可在安裝鉆機的場地，以小角度直接從地表鉆進。

（3）施工設備的穿越精度高，可滿足管道高程的控制要求。

（4） 施工過程不產生噪音、粉塵，不破壞地貌和環境，滿足環保的各項要求。

（5） 機具進出場靈活便捷，對于場地條件要求不高，施工速度快。

（6）適宜于高速路等不允許開挖或管線復雜地區的管道施工，尤其在穿越江河的項目上更顯出其獨特的優勢。

2、施工工藝

（1）前期準備

了解管道穿越范圍內的地質條件、現有地下管線的走向及埋深等情況，結合設計要求規劃鉆進軌跡，選定施工方案 （主要是選定鉆機、確定出入土層的角度、擴孔級數和穿越管材等）。

（2）導向鉆進

定向鉆頭在鉆機的推力作用下，由鉆機驅動旋轉（或使用泥漿馬達帶動鉆頭旋轉）切削地層，按設計鉆孔軌跡前進，完成整個導向孔的鉆孔作業。鉆進過程中，鉆頭內信號棒發出的信號被接受處理后，顯示出鉆頭的深度、位置、角度等信息，據此及時調整鉆頭方向，保證所完成的導向孔曲線符合設計要求。

（3）分級擴孔

    完成導向孔施工后，采取分級擴孔的方式將鉆孔擴至合適的直徑。同時將鉆液泵入鉆孔中，保證孔洞完整和不塌方，并將切削下的土屑帶回到地面，為回拉管道創造適宜的環境。

（4）回拉管道

擴孔完成立即將待鋪設的管道與回拉頭、擴孔頭及鉆桿連接，由鉆機牽引將管線拉入已擴鉆孔中，完成管道鋪設。

3、設備構成

定向鉆設備由鉆機系統、動力系統、控向系統、泥漿系統、鉆具及輔助機具組成，它們的結構及功能如下。

（1）鉆機系統：由鉆機主機、轉盤等組成。鉆機是穿越設備鉆進及回拖作業的主體；轉盤裝在鉆機主機前端，連接鉆桿，并通過改變轉盤轉向和輸出轉速以及扭矩大小，滿足不同施工作業的要求。

（2）動力系統：由液壓動力源和發電機組成。液壓動力源為鉆機系統提供高壓液壓油作為鉆機的動力，發電機為配套的電氣設備及施工現場照明提供電力。

（3）導向控制系統：通過計算機監控鉆頭位置，引導鉆頭正確鉆進的方向性設備。

（4）泥漿系統：由泥漿混合攪拌罐和泥漿泵及管路組成，為鉆機系統提供適合鉆進工況的泥漿。

（5） 鉆具及輔助機具：鉆機鉆孔和擴孔過程中所使用的各種機具。鉆具主要有鉆桿，鉆頭、泥漿馬達、擴孔器，切割刀等。輔助機具包括卡環、旋轉活接頭和各種管徑的拖拉頭。

應用實例

1、 同安輕工食品工業園排污干管工程

（1）工程概況

該工程設計將輕工食品工業園生產污水引入同安污水處理廠，其中有一段DN800污水管需穿越官潯溪。官潯溪河面寬130m，河床表面為中砂層、下部為黏土層。管道設計高程為4.00－4.40，排水坡度3‰，最大埋深6m，距河床最小覆土深度2m，管材為DN820*10的鋼管。

（2）施工方案的選擇

官潯溪不通航，施工季節正處于河流的枯水期，水深在2.5 m左右。采用分段圍堰、大開挖的施工方法，不存在阻斷交通和防洪方面的問題，水流和水深條件也較適宜，從技術上講不失為可行方案之一。但是河面上有大量的圍網養殖，圍堰施工不可避免要拆除養殖設施，必然要支付數量可觀的補償費用，同時改變河水水質，影響到下游村民正常的生產生活。從工期、環境、工程量、造價等方面考慮，經技術經濟比較（下表），決定采用水平定向鉆技術來實現管道穿越。

施工方案的綜合比較

（3）鉆進的實施及效果

鋪設鋼管需要較大的曲率半徑，增加了鉆孔距離；接口焊接和防腐會造成回拉作業的停頓，不利于穿越河流施工。征得甲方、設計部門同意改用HDPE纏繞管作為穿越管材。結合設計埋深和管材、鉆桿的曲率半徑定出鉆進軌跡及造斜段長度(L=18m)以及出入土角度( 8°～9°)。經計算管道所需回拉力為220KN，確定采用土行孫DDW320型定向鉆機系統（最大回拉力320KN，扭距12KN.M）,同時配備一臺容量3m³的撬裝式泥漿攪拌站，為鉆進工程提供充足的鉆液。鉆孔分DN500、DN700、DN800、DN1000四級擴孔達到設計管徑1.3倍后，在鉆機牽引下將預先連接好的150 m長DN800 HDPE纏繞管拉進孔洞中。

管道穿越施工在10天完成，確保工期目標實現。施工期間對村民的生產生活并無影響，有利于環境保護，節省工程投資，社會效益和經濟效益明顯。

2、文化宮給水管道工程

該管道工程設計鋪設DN300的鋼管橫穿公園南路后與用戶內部管道連接。現場情況為：（1）地下管線密集，設計高程同原有的DN1000雨水管沖突，管道需加深到路面以下3m。（2）地處老市區且車流量大，破路施工顯然無法實施。（3）管道需穿越公交站臺及路燈基礎，開挖管槽有一定的危險。鑒于上述施工條件，經方案比較后確定采用水平定向鉆技術，鋪設DN300的鋼管30m。施工過程中不須阻斷交通，不產生粉塵，快速便捷，將施工對環境的影響降到最低，管道經壓力試驗符合規范要求。

施工中應注意風險的防范：

相比傳統的施工方法，采用水平定向鉆鋪管技術的優越性是顯而易見的。地下施工的復雜性和不可視性使得管道穿越面臨失敗的風險，主要表現為管孔的報廢、回拖的失敗以及鉆壞現有設施造成的損失。實踐表明：根據不同的工程情況采取相應的風險防范措施，是確保管道穿越成功的關鍵。

1、獲取詳盡準確的地下資料

施工單位常因為主觀疏忽和一些客觀的因素，對鉆孔沿途土層結構和管線情況了解不夠準確，鉆進軌跡上遇到障礙物而導致鉆進失敗，甚至發生損毀現有設施的事故。一般可采用查閱相關資料、實地開挖和鉆探方法獲取有關地層和地下水的情況，主要是土層的標準分類、孔隙率、含水性、透水性以及地下水位、基巖深度和含卵礫石情況等信息，為評估施工風險、選擇鉆進方法和配制鉆液提供依據。在老城區施工，獲得有關地下管線和其它埋設物的詳細資料尤為重要。現存資料可能不夠準確完整，為保證鉆進施工安全，在對場地周圍各管線井室、標志以及相關資料有初步了解的基礎上，采用物探的技術手段進行探測，防止發生事故。

2、 選用合適鉆機

鉆機是定向鉆的核心設備，依靠其產生的推拉力、旋轉扭矩完成鉆進、擴孔和回拉管道。在鉆機的選擇上考慮不周是造成工程失敗的重要因素。

推拉力和最大輸出扭矩是鉆機最重要的性能參數，也是鉆機選定時首先要考慮的。鉆機的回拖力必須足夠克服管道、鉆桿與地層之間產生的摩擦阻力。好的地質條件，成孔質量好，回拖力小；管徑越大、長度越長，回拖力越大。一般情況下，鉆機最大回拉力應大于回拖管段自重的1／2。另外采取較大的擴孔直徑，回拉過程保證泥漿流順暢等措施，可有效減小回拖力。預擴孔的扭矩主要與地質條件、擴孔器直徑、擴孔速度和上一級擴孔的質量有關。土質的硬度和擴孔器的直徑越大，擴孔速度越快時，扭矩越大。上一級擴孔的質量越好，扭矩越小。

其次，鉆機具有良好的連續工作性能，可避免施工中途停鉆而發生危險，提高工程成功率，這對于較大口徑、長距離的鉆進施工有重要意義。同時應注意鉆機檢查保養工作，保持良好使用狀態。

3、鉆進監控手段

導向孔鉆進過程中，為了防范鉆頭偏離設計軌跡發生事故，必須對其進行有效監控。通過隨鉆測量技術獲取孔內鉆頭的有關參數，發現偏差做出相應的調整，確保鉆進的精確度。反饋信息的準確性是精確定位和及時控向的基礎，傳遞信息的手段主要有電磁波法和電纜法兩種。電磁波法有效范圍在300m以內，測量深度在15m左右，缺點是需要隨鉆跟蹤，所接受的信號質量會受周圍磁場干擾，影響信息的準確性，一般用于中小型工程。電纜法依靠纜線作為傳輸信息的手段，纜線在增加操作復雜性的同時，抗干擾能力大為提高，也不需隨鉆跟蹤，適宜在長距離和地形復雜的項目中采用。

4、保證成孔的質量

      導向孔是擴孔的基礎。在導向孔的基本控制指標中，出、入土角度較容易控制，只要保證鉆機就位即可；造斜段的曲率半徑與管材和鉆桿允許彎曲半徑有關，采用隨鉆測量來控制穿越曲線的精確性。由于穿越線路地質不均勻或單根鉆桿改變角度過大，容易導致成孔曲線成波浪型，不僅無法滿足管道高程偏差的控制要求，而且增加回拖阻力造成工程失敗。主要防范措施是采用精確的控向技術和熟練的司鉆操作，根據地層選擇合理的鉆具和鉆具組合，進行較大的擴孔時輔以扶正器能較好地解決此類問題。

5、重視泥漿的作用

鉆液是定向鉆施工的“血液”，具有冷卻鉆頭、潤滑鉆具、提高施工效率的功能。鉆液與鉆屑混合后以流動泥漿的形式排出孔外，起到懸浮和攜帶鉆屑的作用，為回拖管線提供出足夠的環形空間，減少回拖阻力。部分殘留在孔中的泥漿也起到固壁、防止塌孔的作用，保證了孔洞的完整。

水是鉆液的主要成份，膨潤土和聚合物通常稱為鉆液添加劑。鉆液的配置取決于鉆孔土壤狀況。沒有一種鉆液在任何土質中都適應，只能是配置最合適的鉆液。大致的原則是：在粗土中使用膨潤土，在細土中使用聚合物。通過添加化學處理劑可改善泥漿性能，例如：投入適量燒堿（或純堿）可增粘、增靜切力、調節 PH 值。一個工程中可能會穿過不同性質的地層，需及時調整鉆液的配置以適應施工要求。

鉆液添加劑與水混合次序對于鉆液性能起著重要作用。一般情況下，混合系統中添加鉆液的順序最好是：1、燒堿  2、膨潤土  3、干燥的聚合物  4、液態聚合物  5、其它添加劑。

HDPE管材定向鉆牽引施工要點

    高密度聚乙烯管具有內外壁光滑、耐腐蝕、單位重量小、柔韌性好、材質延伸率大的優點，并可預先焊接成長管，是定向鉆穿越的理想管材。適應定向鉆施工的HDPE纏繞排水管被認識接受并且逐步推廣，現就我們在同安官潯溪穿越工程中的應用，談談HDPE管定向鉆牽引施工的要點：

1、管材抗拉強度必須滿足回拉力的要求，熱熔帶首選加厚型板材。場地條件允許的情況下，盡可能采用較長規格的管道，減少現場焊接數量。

2、現場需將管材堆放在陰涼處或采取遮蔽，不宜長期暴曬。

3、焊接時管道兩端口應干燥、清潔，并保持電流和電壓的穩定，接口未完全冷卻時不要搬動管道。

4、管道焊接完成后不宜立即進行拉管，間隔時間一般不小于一小時。

5、回拉過程中，在管道下鋪鋼板可以減少摩擦力，應及時調整管道，保證入孔洞自然順暢。

6、做好回拉錐頭與管道的連接。先于管道前端焊熱熔帶，用螺栓、鋼板同回拉錐頭固定，管尾鋼擋板通過鋼絲繩與管頭拉緊，防止泥漿流入管內。

7、對于距離較長穿越工程，為保證回拉管道的整體性，需要采取一定加固措施（沿管道均布4根鋼筋，每隔一定距離用環向箍筋焊接）。

6.8管道同檢查井的連接，需要在管材端部安裝止水環并用水泥漿密封。

結論

水平定向鉆鋪管技術應用于給排水工程施工，具有施工周期短、精度高、環境影響小、綜合成本低等顯著的優點，顯現出良好的社會效益和經濟效益，必將成為在高速公路、鐵路等不允許開挖或管線復雜地區管道施工的首選方法，尤其應用在穿越河流項目更有其技術優勢。同時對于水平定向鉆施工特點和面臨的風險有一定的認識，施工時應采取相應措施加以防范，提高成功率。

  高密度聚乙烯管具有獨特性能，是定向鉆施工的理想管材。應用定向鉆技術鋪設HDPE排水管，實現兩者完美結合，符合國家推廣塑料排水管材的產業政策，值得推廣應用。