CN103791159A - 小直径管道的顶管施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种小直径管道的顶管施工方法，其包括如下步骤：测量放线，工作井与接收井制作，顶管设备安装，导向钻孔，扩孔，拉管，依次施工其它管，顶管设备拆除，管头处理以及检查井与电缆沟施工。本发明的小直径管道的顶管施工方法，开挖量小，排浆少，不破坏道路，综合成本较低；全年可施工，施工速度快，工程周期短，能加快整体设计工程的施工速度，提高工作效率；对交通干扰最小，保证了施工地点交通的正常状态；施工过程中不会产生噪音、粉尘等对环境的污染，有利于城市环境的保护和稳定，有利于城市建设的整体规划和工程建设的最佳设计，有利于提高城市现代化规划设计和建设水平。
Description
技术领域
本发明涉及城市建设管道施工技术领域，特别涉及一种小直径管道顶管施工方法。
背景技术
随着城市建设的发展，尤其是旧城改造的加快，各类小管径的管道埋设工程不断增多，但传统的开槽施工因破坏道路、影响交通、环境污染等，越来越不适应施工需要。因此针对现有的施工方法存在的问题，需要提出一种用于口径较小的下水管道、煤气、电缆、通讯的管道敷设施工技术。
发明内容
本发明的发明人经过多年小直径管道顶管施工工艺来敷设管道的实践经验，提出一种需主要适用于口径较小的下水管道、煤气、电缆、通讯的管道敷设施工技术。这里所指的小直径管道顶管施工指的是小于500mm直径管道用水平钻顶管机顶进施工领域。
具体的，本发明的小直径管道的顶管施工方法包括如下步骤：测量放线，工作井与接收井制作，顶管设备安装，导向钻孔，扩孔，拉管，依次施工其它管，顶管设备拆除，管头处理以及检查井及电缆沟施工。
优选的，在所述工作井与接收井制作步骤中，工作井开挖时采用与墙体连接的钢筋混凝土圈粱和支撑梁支护，或采用钢管支撑支护。
再优选的，所述工作井包括水平支撑工字梁，垂直支撑工字梁以及木板支撑。
再优选的，所述接收井包括多个水平支撑工字梁，木板支撑以及混凝土碎石垫层。
再优选的，在所述顶管设备安装步骤前，还包括测出地下管线的位置、深度；结合现场工作井的实际管线位置，精确设计出穿越管线的轨迹；导孔阻力计算；扩孔孔径分级以及拉管压力控制值估算步骤。
再优选的，在所述导向钻孔步骤前，还包括制备减阻灌注泥浆。
再优选的，所述灌注泥浆为膨润土拌制泥浆，其配比为膨润土150～200g，水1000ml，纯碱5～10kg以及Na-CMC6kg。
再优选的，所述的导向钻孔施工方法具体为：导向钻头从预定的入土点和入土角钻入土层；操作人员根据地表手持式导向仪接收到钻头内探头发射的信号，判断钻头的位置和钻孔轨迹与设计轨迹相比较，如果出现偏差，随时进行调整，到每2米测出一个数值，确保钻头沿设计轨迹前进；第一次钻进时，入土和出土角度要满足管道的转弯半径要求确保钻进顺畅；同时需要灌注泥浆，让所钻孔道形成稳固的通道而不塌孔。
再优选的，所述的扩孔施工方法具体为：在导向孔施工完毕后，换上扩孔钻头，将钻孔分级扩大到铺管要求的口径。
再优选的，当使用小型钻机时，直经大于200毫米时，就要进行预扩孔，使用大型钻机时，当产品管线直径大于350mm时，就需进行预扩孔。
再优选的，所述的拉管施工方法具体包括拉管前准备、拉管过程控制以及拉管导向控制，其中
所述拉管前准备包括将PE管与扩孔钻头通过分动器连接好；在安装拉管头时，先把封水堵装入管内；全部设备经过检查并经过试运转；管道焊接完成后进行焊口检验；
所述拉管过程控制包括拉管时注意观察回拖压力表；在管道入土前期，拖拉速度适度放慢，防止管道损坏孔道；以及在管道拖进过程中，浆液量放到最大，让管道顺利通过孔道；
所述导向控制包括测量装在钻头内的信号发射棒发射的信号，在地面上使用带数据显示的信号接受器来了解钻头钻进角度、深度、方向等信息，及时调整钻进状态。
再优选的，所述的管道焊接时，钢管焊接位满焊，塑料管道的焊接在特定的热熔焊机上焊接，焊接时对口切削平整，焊接后须冷却20分钟后松开压力环；以及采用两道底漆和两道环氧沥青漆进行钢管的外防腐，采用水泥砂浆进行管内防腐。
本发明的小直径管道的顶管施工方法，开挖量小，排浆少，不破坏道路，综合成本较低；全年可施工，施工速度快，工程周期短，能加快整体设计工程的施工速度，提高工作效率；对交通干扰最小，保证了施工地点交通的正常状态；施工过程中不会产生噪音、粉尘等对环境的污染，有利于城市环境的保护和稳定，有利于城市建设的整体规划和工程建设的最佳设计，有利于提高城市现代化规划设计和建设水平。
附图说明
通过下面结合附图的详细描述，本发明前述的和其他的目的、特征和优点将变得显而易见。其中：
图1所示为本发明的小直径管道的顶管施工第一阶段图示即工作井与接收井施工、钻机安装；
图2所示为本发明的小直径管道的顶管施工第二阶段图示即钻孔和扩孔；
图3所示为本发明的小直径管道的顶管施工第三阶段图示即热熔焊接与拉管；
图4所示为本发明的小直径管道的顶管施工中的工作井的构造示意图；
图5所示为本发明的小直径管道的顶管施工中的接收井的构造示意图；
图6所示为本发明的小直径管道的顶管施工方法的详细流程示意图。
具体实施方式
先参照图1至图3所示的本发明的小直径管道的顶管施工的各主要阶段的图示，图1所示的第一阶段图示包括工作井与接收井施工、钻机安装；图2所示的第二阶段图示包括钻孔和扩孔；以及图3所示的第三阶段图示包括热熔焊接与拉管；图中，A为工作井，B为接收井，图2中的X1向为钻孔方向，而X2向为扩孔方向；图3中的X3向为拉管方向。
参照图6所示的本发明的小直径管道的顶管施工方法详细流程图，其施工流程步骤为：测量放线→工作井与接收井制作→顶管设备安装→导向钻孔→扩孔→拉管→施工下一根管→依次施工其它管→顶管设备拆除→管头处理→检查井及电缆沟施工。
其中，工作井与接收井制作步骤中的要点为：工作井开挖时(沉井除外)应按施工设计规定及时支护，可采用与墙体连接的钢筋混凝土圈粱和支撑梁的方法支护，也可采用钢管支撑法支护。工作井与接收井均采用分层开挖、分层支撑的方法施工，随挖随击使整个支撑体系随人工挖土而下沉。
参见图4所示的本发明的小直径管道的顶管施工中的工作井的构造示意图，其包括水平支撑工字梁10，垂直支撑工字梁12以及木板支撑14；图4中的虚线所示元件30为顶管。施工所用的钻机放置于工作井中。
参见图5所示为本发明的小直径管道的顶管施工中的接收井的构造示意图，其包括多个水平支撑工字梁20，木板支撑24以及混凝土碎石垫层26；图5中的30为顶管，40为拉管，X3向为拉管方向。
在所述顶管设备安装前，需要进行顶管前施工准备，包括钻孔前测出地下管线的位置、深度；结合现场工作井的实际管线位置，精确设计出穿越管线的轨迹；导孔阻力计算；扩孔孔径分级以及拉管压力控制值估算。
在所述导向钻孔步骤前，需要制备减阻灌注泥浆，所述灌注泥浆根据不同的钻孔地层配比不同，具体如下：
当在砂层、砾石、卵石以及破碎带地层中钻进时，由于成孔的难度很大，其泥浆可用膨润土拌制；具体配比见下表1，其中Na-CMC为羧甲基纤维素钠(Sodium Carboxyl Methyl Cellulose)；而泥浆质量控制参数见下表2。
表1
| 膨润土 | 水 | 纯碱 | Na-CMC |
| 150～200g | 1000ml | 5～10Kg | 6Kg |
表2
| 检测项目 | 单位 | 范围 | 调整措施 |
| 粘度 | S | 25～35 | 加水和碳酸钠 |
| 比重 | g/cm3 | 1.07～1.2 | 加水 |
| 含砂率 | ％ | ＜4 | 加水 |
| PH值 | 9.5 | 加水 | |
| 失水值 | ml/30mim | ＜12 | 加CMC |
当在粘土层钻进时，泥浆控制质量控制参数见下表3：
表3
| 检测项目 | 单位 | 范围 | 调整措施 |
| 粘度 | S | 18-25 | 加水和碳酸钠 |
| 比重 | g/cm3 | 1.03～1.08 | 加水 |
| 含砂率 | ％ | ＜4 | 加水 |
| PH | 值 | 7-9 | 加水 |
| 失水值 | ml/30mim | ＜20 | 加CMC |
所述的导向钻孔施工方法具体为：导向钻头从预定的入土点和入土角钻入土层；操作人员根据地表手持式导向仪接收到钻头内探头发射的信号，判断钻头的位置和钻孔轨迹与设计轨迹相比较，如果出现偏差，随时进行调整，到每2米测出一个数值，确保钻头沿设计轨迹前进；第一次钻进时，入土和出土角度要满足管道的转弯半径要求确保钻进顺畅；同时需要灌注泥浆，让所钻孔道形成稳固的通道而不塌孔。
另外，钻进时需要按设计轴线钻进，遇障碍物(如孤石时)需绕线时，以不影响下一次钻进及拖管施工为准，直接绕过障碍物。
所述的扩孔施工方法具体为：在导向孔施工完毕后，换上扩孔钻头，将钻孔分级扩大到铺管要求的口径。一般情况下，使用小型钻机时，直经大于200毫米时，就要进行预扩孔，使用大型钻机时，当产品管线直径大于350mm时，就需进行预扩孔，预扩孔的直径和次数，视具体的钻机型号和地质情况而定。一般可按1/2孔径、2/3孔径以及一个孔径分级扩孔。
所述的拉管施工方法具体包括拉管前准备、拉管过程控制以及拉管导向控制。
所述拉管前准备包括将PE管与扩孔钻头通过分动器连接好；在安装拉管头时，先把封水堵装入管内；全部设备经过检查并经过试运转；管道焊接完成后进行焊口检验。
所述拉管过程控制包括拉管时，应注意观察回拖压力表，比如用ZT-10管钻机，一般不超过15Mpa；在管道入土前期，拖拉速度适度放慢，防止管道损坏孔道；以及在管道拖进过程中，浆液量放到最大，让管道顺利通过孔道。
所述导向控制包括测量装在钻头内的信号发射棒发射的信号，在地面上使用带数据显示的信号接受器来了解钻头钻进角度、深度、方向等信息，及时调整钻进状态。
所述的管道焊接时，钢管的焊接一定要满焊，塑料管道的焊接在特定的热熔焊机上焊接，焊接时对口一定要切削平整，焊接后须冷却20分钟后方可松开压力环；管道一次焊接成型后方可进行管道拖拉，否则应尽量减少管道拖拉过程中的焊接次数和时间，以减少孔道的空置时间，防止孔道在外来震动下塌陷；另外钢管的外防腐通常采用的是两道底漆和两道环氧沥青漆；管内根据要求采用水泥砂浆防腐。
在本发明的一具体实施例中，所使用的水平钻及其主要技术参数设置如下表4。
表4
钻孔轨迹的控制对钻孔质量具有至关重要的作用，由于钻孔质量直接影响到穿越工程的成败，因此对于钻孔轨迹控制应做好如下几点：
1)在现场观测的基础上绘出钻孔曲线，标出钻孔曲线的入土点、出土点、相应的角度、曲线长度、最大埋深及管线的曲率半径等参数；
2)导向孔的空间坐标计算：一般由定向钻机的控向系统(计算机和地下仪表单元组成)直接运行程序，处理仪表参数显示出的钻进结果，操作人员只须与设计图纸上的设计坐标相对照，保证达到设计要求的埋深即可。
3)钻孔曲线的曲率半径控制：钻孔轨迹的曲率半径要由控向系统操作人员预先根据设计提供的资料计算出结果，钻进时通过调节每根钻杆的角度而实现对钻孔曲率半径的控制。
(1)给定了直径的定向钻孔穿越管道时，钻孔的曲率半径R由下面公式求得：
R＝1200Dn
其中：R-钻孔曲线轨迹的曲率半径；
Dn-穿越轨道外径
(2)对于一定曲率半径的设计钻孔曲线，钻进中每根钻杆允许调整变化的角度为：
α＝L*360/2Rπ
式中：α-每根钻杆允许变化的角度
L-每根钻杆长度
R-钻孔曲线轨迹的曲率半径
导向孔的实际出土点与设计出土点的偏差(纵横偏移)一般按照设计要求进行控制，控制值为穿越段总长度的1-2％且不大于2m。
钻进水力设计要结合环保部门的具体要求和穿越地层的地质特点，综合钻进中的扭矩、泥浆压力等进行对比分析，进而采取相应措施提高钻进质量。
穿越段管线回拖质量关系到管道的安全运行，穿越段管线回拖质量控制包括如下内容：
1)管道的焊接质量控制
(1)钢管的焊接一定要满焊，塑料管道的焊接在特定的热熔焊机上焊接，焊接时对口一定要切削平整，焊接后须冷却20分钟后方可松开压力环。
(2)管道一次焊接成型后方可进行管道拖拉，否则应尽量减少管道拖拉过程中的焊接次数和时间，以减少孔道的空置时间，防止孔道在外来震动下塌陷。
2)外保护层的完整质量控制
(1)钢管的外防腐通常采用的是两道底漆和两道环氧沥青漆；管内根据要求采用水泥砂浆防腐
(2)对于要求较高的管道，在穿越管道回拖前，用电火花检漏仪对防腐层进行检验，做好记录。
(3)在管道拖出后，还应对孔内运行最长的第一段管道进行检查，以确保孔内其它管道的完整性。
3)管道弯曲应力核算
(1)管道弯曲应力可对照钻导向孔记录与设计的钻孔曲率半径进行核算，确定孔内铺设的管道弯曲度不超过允许应力。
(2)超过许用应力，则需修改设计方案或改选管道材料。
在本发明的小直径管道的顶管施工过程中，很有可能会碰到一些应急情况，其主要处理方法如下：
1)遇障碍物时的应急处理措施
施工前应进行钻进轨迹设计，在计算机上用导向轨迹模拟对全孔导向钻进进行模拟演示。根据输入的钻进操作参数和勘察到的地质勘探报告参数，经过对土质的力学分析，进行方案模拟演示。并不断分析修改输入参数，直至最终得到一套最佳的钻进操作方案。以避开施工过程中可能遇到和管线或孤石。
施工过程中采用先进的导向探测仪对地下钻头的前后倾角、深度、导向板面向角等进行测量，根据测量结果预定其导进方向，并不断地调整钻头面角进行推进或继续钻进，避开地下管线和石块等障碍物。
遇障碍物(如孤石时)需绕线时，以不影响下一次钻进及拖管施工为准，直接绕过障碍物。
2)扩孔遇到少量沙层时处理方法：
为防止塌孔，在扩孔时要注入泥浆进行扩壁处理。
3)扩孔时遇到回填层处理方法：
采取慢拉多扩的办法，将砖石尖角磨掉以免对管壁有严重的划伤。
以上所述为本发明的小直径管道的顶管施工方法的主要步骤及其技术要点描述，除此之外，在整个操作过程中，还包括施工前资料准备，以及施工质量控制等。
所述施工前的资料准备包括如下内容：
1、工程施工前应由设计单位进行设计交底，当施工单位发现施工图有错误时，应及时向设计单位提出变更设计的要求。
2、工程施工前应掌握管道顶进沿线的下列情况和资料：
1)现场地形、地貌、建筑物、各种管线和其他设施的情况；
2)工程地质和水文地质资料、气象资料；
3)工程用地、交通运输及排水条件，施工供水、供电条件；
4)工程材料、施工机械供应条件；
5)工程特点和现场条件的其他情况和资料。
3、结合工程施工前应编制施工组织设计。
4、施工测量应符合下列规定：
1)施工前，促请建设单位组织有关单位向施工单位进行现场交桩；
2)临时水准点和管道轴线控制桩的设置应便于观测且必须牢固，并采用保护措施。
3)临时水准点、管道轴线控制桩、高程桩，应经过复核方可使用，并应经常校核。
4)已建管道、构筑物等与本工程衔接的平面位置和高程，开工前应校测。
管道的施工质量应符合国家标准《给水排水管道工程施工及验收规范》GB 50268、《建筑电气工程施工质量验收规范》GB 50303等规定要求；管内清洁，管节无破损；确保进管口、出管口在设计允许偏差范围内；顶管时地面沉降或隆起的允许量应符合规范、设计图纸要求；现场质量控制要以信号测量控制顶管的钻进角度、深度和方向。
本发明的小直径管道的顶管施工所需的材料主要为管材，管材需要根据设计要求及工程所在地的情况，选择符合施工用的管材，包括钢管或者塑料管道，塑料管道通常采用HDPE聚乙烯高密度塑料管；钢管多为焊接接口，塑料管道为热熔焊接口，在管道拖进时，必须灌注泥浆以保护孔壁和减少拖管摩擦力。
本发明的小直径管道的顶管施工所需的设备主要包括水平钻顶管机，其包括本机(操控台)、动力站、泥浆输送泵、液压输送管、泥浆输送管、钻头(带信号发射棒)、信号接受器及钻杆；泥浆搅拌设备，包括泥浆搅拌池、搅拌泵；泥浆处理池；以及测量装置如装在钻头内的信号发射棒等。
本发明的小直径管道的顶管施工过程中，还需采取一些安全措施和环保措施，比如一些安全措施如下：
1)由于水平钻机在拖拉管道时拉力较大，安装时应该牢固在地面，地铆应打到要求深度，并采取临时辅助设施帮助稳固钻机；
2)在钻进、拖拉管道时都必须灌注浆液，并根据施工步骤不同调整送浆量，以达到减阻的目的；
3)初始钻进时要加强监测钻进轨迹，发现误差或遇到障碍物，须马上调整钻进轨迹，保证钻进的质量和安全；
4)在开钻前，需要将钻进路线的地下障碍物检测出来，必要时须检测数遍，反复确定地下障碍物；
5)管道进出土层后的管端处理应注意的问题包括进入接受井的工具管和管端下部应设枕垫；管道两端在井内的外露长度不小于0.5m，且不得有接口；并封闭管道两端开口，防止有杂物进入管道内；马上用混凝土封堵孔道进出口。
一些必要的环保措施包括：采用无毒的钠土泥浆和添加剂混合液作为灌注泥浆，保护孔壁和减少拖管摩擦力；在施工时做好施工现场的围护，与车行道、行人的分离分隔，备配泥浆池或采用拌浆机，泥浆的使用、贮存统一安排，保证泥浆不流至施工范围外；小口径顶管施工，一般在白天进行，以方便测量控制、原则上不在晚上施工。
本发明的小直径管道的顶管施工方法，开挖量小，排浆少，不破坏道路，综合成本较低；全年可施工，施工速度快，工程周期短，能加快整体设计工程的施工速度，提高工作效率；对交通干扰最小，保证了施工地点交通的正常状态；施工过程中不会产生噪音、粉尘等对环境的污染，有利于城市环境的保护和稳定，有利于城市建设的整体规划和工程建设的最佳设计，有利于提高城市现代化规划设计和建设水平。
本发明并不局限于所述的实施例，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神即公开范围内，仍可作一些修正或改变，故本发明的权利保护范围以权利要求书限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种小直径管道的顶管施工方法，其特征在于，其包括如下步骤：测量放线，工作井与接收井制作，顶管设备安装，导向钻孔，扩孔，拉管，依次施工其它管，顶管设备拆除，管头处理以及检查井及电缆沟施工。
2.如权利要求1所述的一种小直径管道的顶管施工方法，其特征在于，在所述工作井与接收井制作步骤中，工作井开挖时采用与墙体连接的钢筋混凝土圈粱和支撑梁支护，或采用钢管支撑支护。
3.如权利要求1所述的一种小直径管道的顶管施工方法，其特征在于，所述工作井包括水平支撑工字梁，垂直支撑工字梁以及木板支撑；所述接收井包括多个水平支撑工字梁，木板支撑以及混凝土碎石垫层。
4.如权利要求1所述的一种小直径管道的顶管施工方法，其特征在于，在所述顶管设备安装步骤前，还包括测出地下管线的位置、深度；结合现场工作井的实际管线位置，精确设计出穿越管线的轨迹；导孔阻力计算；扩孔孔径分级以及拉管压力控制值估算步骤。
5.如权利要求1所述的一种小直径管道的顶管施工方法，其特征在于，在所述导向钻孔步骤前，还包括制备减阻灌注泥浆。
6.如权利要求5所述的一种小直径管道的顶管施工方法，其特征在于，所述灌注泥浆为膨润土拌制泥浆，其配比为膨润土150～200g，水1000ml，纯碱5-10kg以及Na-CMC 6kg。
7.如权利要求1所述的一种小直径管道的顶管施工方法，其特征在于，所述的导向钻孔施工方法具体为：导向钻头从预定的入土点和入土角钻入土层；操作人员根据地表手持式导向仪接收到钻头内探头发射的信号，判断钻头的位置和钻孔轨迹与设计轨迹相比较，如果出现偏差，随时进行调整，到每2米测出一个数值，确保钻头沿设计轨迹前进；第一次钻进时，入土和出土角度要满足管道的转弯半径要求确保钻进顺畅；同时需要灌注泥浆，让所钻孔道形成稳固的通道而不塌孔。
8.如权利要求1所述的一种小直径管道的顶管施工方法，其特征在于，所述的扩孔施工方法具体为：在导向孔施工完毕后，换上扩孔钻头，将钻孔分级扩大到铺管要求的口径；以及，当使用小型钻机时，直经大于200mm时，就要进行预扩孔，使用大型钻机时，当产品管线直径大于350mm时，就需进行预扩孔。
9.如权利要求1所述的一种小直径管道的顶管施工方法，其特征在于，所述的拉管施工方法具体包括拉管前准备、拉管过程控制以及拉管导向控制，其中
所述拉管前准备包括将PE管与扩孔钻头通过分动器连接好；在安装拉管头时，先把封水堵装入管内；全部设备经过检查并经过试运转；管道焊接完成后进行焊口检验；
所述拉管过程控制包括拉管时注意观察回拖压力表；在管道入土前期，拖拉速度适度放慢，防止管道损坏孔道；以及在管道拖进过程中，浆液量放到最大，让管道顺利通过孔道；
所述导向控制包括测量装在钻头内的信号发射棒发射的信号，在地面上使用带数据显示的信号接受器来了解钻头钻进角度、深度、方向等信息，及时调整钻进状态。
10.如权利要求1所述的一种小直径管道的顶管施工方法，其特征在于，所述的管道焊接时，钢管焊接位满焊，塑料管道的焊接在特定的热熔焊机上焊接，焊接时对口切削平整，焊接后须冷却20分钟后松开压力环；以及采用两道底漆和两道环氧沥青漆进行钢管的外防腐，采用水泥砂浆进行管内防腐。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140514 |