CN110778272B - 大管径热网管道非开挖方式敷设施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大管径热网管道非开挖方式敷设施工方法，包括钻机设备选取，所选取的水平定向钻机回拖力要满足定向钻穿越长度的要求且回拖力≥3*（管道在洞内产生的摩擦阻力+管道在洞中的粘滞综合摩擦阻力），取3倍安全系数、泥浆配制、钻导向孔、预扩孔、穿越管处理和回拖。本发明相对于顶管施工方式，具有以下优点：可以满足管道长距离不间断的穿越施工，施工速度快；可以降低对地面环境的破坏，满足环保要求，本发明不受土质、地下水及地下不明管线等不确定性因素干扰，无工作井施工和穿工作管工序，节约时间，在地面即可对工作管进行长距离焊接及保温，穿越深度较大，避免穿越河流时出现透水、漂管等风险。
Description
技术领域：
本发明涉及一种大管径热网管道非开挖方式敷设施工方法，属于管道穿越施工技术领域。
背景技术：
大管径热网管道在通过城市河流、道路工程中遇到复杂地质情况带来的施工难题以及如何确保该施工工艺满足项目施工要求成为目前需要解决的问题，和传统的非开挖顶管施工方式相比，由于管道穿越工程的施工环境有其独有的特点，大管径热网管道穿越施工必须结合水文地质条件进行，面对特殊路由上复杂的地质环境带来的一系列问题，也应进行优化和创新研究，以满足工期、质量、安全、成本等要求。因此大管径热网管道在流沙地质，且地下水位较浅的环境条件下，沉井顶管施工工艺无法保证地面上构筑物不受影响，有必要对大管径热网管道非开挖施工工艺的应用进行进一步的研究。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种管径热网管道非开挖方式敷设施工方法，采用定向钻拉管工艺，定向钻通过导向钻杆，根据管道设计管道路径，完成导向孔的钻设，再通过不同直径型号的扩孔器依次反复对工作孔进行扩孔，达到设计成孔直径，期间通过钻杆及扩孔器不断注入膨润土进行泥浆护壁，工作管在出土点延长线进行焊接、保温预制，通过钻机将工作管回拖，拖管就位后在入土点和出土点符合设计标高位置与原有管道进行对口连接。
本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：
一种大管径热网管道非开挖方式敷设施工方法，具体步骤如下：
A、钻机设备选取：选取穿越回拖力与施工要求相匹配的的定向钻，穿越管线在回拖过程中，回拖力主要有管道浮力对上孔壁造成的摩阻力和管道在孔内移动过程中与泥浆产生的摩擦力构成，为降低管道因浮力对孔壁造成的摩阻力，按照管道内注满水、孔内充满泥浆及孔壁保持完好不变形来计算，所选取的水平定向钻机回拖力要满足定向钻穿越长度的要求且回拖力≥3*（管道在洞内产生的摩擦阻力+管道在洞中的粘滞综合摩擦阻力），取3倍安全系数；
B、泥浆配制：由于穿越地段地质情况比较复杂，泥浆是定向穿越中的关键因素，针对地层特点，每个阶段的泥浆配方比例不一样：
①钻导向孔阶段：要求尽可能将孔内的泥沙、岩屑携带出孔外，同时维持孔壁的稳定，保持孔内泥浆面,减少推进阻力，减少钻杆摩阻，保证导向孔顺利完成，其基本配方是：膨润土4%、高聚物0.2%、润滑剂0.2%，余量为pH = 10的碱水；
②预扩孔阶段：要求泥浆具有很好的护壁效果，具有一定的动切力和良好的流动性,提高泥浆携带能力，其基本配方是：膨润土4%，高聚物0.2%，余量为pH = 10的碱水；
③回拖阶段：要求泥浆具有很好的护壁、携带能力，同时还有很好的润滑能力，减少摩阻，其基本配方是：膨润土4%，高聚物0.2%；润滑剂0.3%余量为pH = 10的碱水；
C、钻导向孔：钻具组合要求：钻头+螺杆钻具+无磁钻铤+钻杆，安装连接好仪器开动泥浆泵对准入土点进行试钻，钻头在钻机的推力作用下由钻机驱动旋转切削地层，按照导向孔设计曲线不断钻进，每钻完一根钻杆要测量一次钻头的实际位置，及时调整钻头的钻进方向，保证所完成的导向孔曲线符合设计要求，如此反复，直到钻头在预定位置准确出土，完成整个导向孔的钻孔作业；
D、预扩孔：钻头准确出土后，拆卸钻具并连接扩孔器，扩孔器入洞前喷射泥浆，以检查水嘴是否畅通，泥浆压力是否正常，一切无误后开始扩孔作业；
E、穿越管处理：穿越管预制完成后，在管端焊上拖拉头，同时沿管线挖发送沟，发送沟内注满水，穿越管下沟前进行防腐层电火花检漏，确保无漏点；
F、回拖：回拖是定向穿越的最后一步，回拖采用的钻具组合为：钻杆+桶式扩孔器+分动器及万向节+穿越管；回拖前，试喷泥浆，确保扩孔器水嘴通畅，检查泥浆压力是否正常，在回拖时进行连续作业，避免因停工造成阻力增大。
在钻导向孔过程中，每根钻杆改变角度要小于0.3度，四根钻杆改变角度要小于1.2度。
本发明的泥浆中，高聚物为水溶性高分子量低离子度的线性聚丙烯酰胺，膨润土和润滑剂为市售产品。
本发明与现有技术相比，技术创新点在于：
1、因为需要施工的管径较大，焊接、检测、保温耗时较长，传统顶管施工方式又通过先行顶进砼套管后才能逐节顶进工作管，加大工作量，且仍需经过焊接、检测、保温阶段，耗费时间；而本发明的大管径热网管道非开挖方式即定向钻施工，在导向、钻孔、扩孔工作时，能同时对管道进行预制，大大节约时长，且在地面进行焊接、检测、保温工作较便利。
2、穿越河流时，若采用顶管施工方式，因河底距离顶管较近，顶进过程中极易发生透水、漂管等后果，即使采取相对应保护措施，仍有可能发生意外情况；而本发明定向钻施工时，工作管深度较深，一般不小于13米，不会发生透水风险，安全系数较高。
3、由于地面的建筑物对地基的沉降比较敏感，较大的沉降会引起地面建筑的不均匀沉降和破坏上部结构，而本发明采用定向钻，在施工中对周围土体施加挤扩力的值并不大，施工中对周围土体产生的附加应力不足以产生较大的变形，即使土体受力发生压缩变形，变形量值也很小，土体完全可以承受扰动，只要做到合理化施工，管周土体不会发生失稳。同时定向钻在扩孔后的泥浆护壁，使孔壁有一定的自支撑能力，不至于塌孔，管道周围的土体得到加强，空隙小，管周土体的后期沉降就很小，对上面土体及构筑物的影响也就很小。
本发明的积极有益效果如下：
1、本发明定向钻施工方式相对于顶管施工方式可以满足管道长距离不间断的穿越施工，施工速度快。
2、本发明定向钻施工方式相对于顶管施工方式可以降低对地面环境的破坏。
3、本发明定向钻施工方式相对于顶管施工方式满足环保要求。
4、本发明定向钻施工方式相对于顶管施工方式不受土质、地下水及地下不明管线等不确定性因素干扰。
5、本发明定向钻施工方式相对于顶管施工方式无工作井施工和穿工作管工序，节约时间。
6、本发明定向钻施工方式相对于顶管施工方式在地面即可对工作管进行长距离焊接及保温。
7、本发明定向钻施工方式相对于顶管施工方式深度较大，避免穿越河流时出现透水、漂管等风险。
本发明适用于管径不大于DN1200、Q235B材质的热网管道、蒸汽管道及其
它PE管道。
本发明采用定向钻拉管工艺，定向钻通过导向钻杆，根据管道设计管道路径，完成导向孔的钻设，再通过不同直径型号的扩孔器依次反复对工作孔进行扩孔，达到设计成孔直径，期间通过钻杆及扩孔器不断注入膨润土进行泥浆护壁。工作管在出土点延长线进行焊接、保温预制，通过钻机将工作管回拖，拖管就位后在入土点和出土点符合设计标高位置与原有管道进行对口连接。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明做进一步的解释和说明：
实施例：一种大管径热网管道非开挖方式敷设施工方法，具体步骤如下：
A、钻机设备选取：选取穿越回拖力与施工要求相匹配的的定向钻，穿越管线在回拖过程中，回拖力主要有管道浮力对上孔壁造成的摩阻力和管道在孔内移动过程中与泥浆产生的摩擦力构成，为降低管道因浮力对孔壁造成的摩阻力，按照管道内注满水、孔内充满泥浆及孔壁保持完好不变形来计算，所选取的水平定向钻机回拖力要满足定向钻穿越长度的要求且回拖力≥3*（管道在洞内产生的摩擦阻力+管道在洞中的粘滞综合摩擦阻力），取3倍安全系数；
以商丘热网项目穿越商鼎路850米为例加以详细说明：
穿越管线为φ1220mm×16mm钢管（加保温层后1370mm），在回拖过程中，回拖力主要有管道浮力对上孔壁造成的摩阻力和管道在孔内移动过程中与泥浆产生的摩擦力构成，为降低管道因浮力对孔壁造成的摩阻力，本工程在施工过程中采用管道内注水的方法，为保守计算按照管道内注满水、孔内充满泥浆及孔壁保持比较完好考虑，其计算如下:
P0 =1000ρ钢gπ（D2-d2）÷4
=1000× 7.85×10-6 kg/mm3×9.8 m/s2×3.14×（12202-11882）mm2÷4
=4653.4kg·m/s2/m=4653.4N/m
保温层按583N/m （每根成品管道保温层0.7 T）
P自计算加保温后管道重量为：4653.4N/m +583N/m=5236.4N/m
G自=P自*L = 5236.4×850 = 4450940N
P水=π*(d/2)2 *ρ水*g = 3.14×（1.188÷2）2×1.0×103×9.8 = 10857N/m
G水= P水*L = 10857×850 = 9228450N
F浮=π*D2/4 *ρ混*g*L= 3.14×1.372÷4×1.25×103×9.8×850
=15343860N
从以上数据可以看出，如果管道内注满水后，管道的摩阻力表现为管道与下孔壁的摩阻力：
①管道在洞内产生的摩擦阻力F自=(F浮-G自-G水)* f
=(15343860-4450940-9228450）×0.3 = 499341N = 49.9吨
在实施拖管过程中若管内注水合适时，调整孔内泥浆密度，可将摩擦力降到零，也就是说理论F自完全可以消除；
②管道在洞中的粘滞综合摩擦阻力：
F摩=π*D外*τ*ψ*L = 3.14×1.37m×19.5 N/m2×13×850m
= 926973.5N = 92.7吨
即Fmax = F自+F摩 = 49.9＋92.7 = 142.6吨
公式说明：
G水为管道注水后重量，P自加保温后管道重量，F浮为管道在孔内的浮力，F自为管道注水后在孔内的重量，Fmax为管道在孔内最大回拖力，F摩管道在洞中的粘滞综合摩擦阻力，ψ为固相含量系数，ψ取13，τ为泥浆的切应力（19.5N/m2），f为管道和孔壁之间的摩擦系数，f 取0.3；Po为每米管道的重量（N/m），P水为注水后每米管道的重量（N/m），ρ钢为钢管密度ρ钢=7.85×10-6kg/mm3；
ρ水为水的密度 ρ水=1.0×103kg/m3；
ρ混为泥浆与孔内残留物的混合体密度ρ混=1.25×103kg/m3（在穿越水平段有一段地层为粗粒砂，本次考虑扩1000mm以上孔径时增加泥浆比重）；
g为重力加速度 g=9.8 m/s2；
D为钢管外 D=1370mm（D外加保温层后外径1220mm）；
L为管道长度（m） L=850m；
d为钢管内径 d=D－2×δ=1370－2×16=1188mm；
从以上参数中可以看出ψ和τ是个变量，在施工过程当中保持好泥浆的性能以及成孔后洗孔降低孔内固体颗粒的含量，是完全可以做到降低的，因而回拖力可以相应降低。
经计算取3倍安全系数，得水平定向钻机回拖力满足定向钻穿越长度的要求且不小于427.8t，本次选用钻机回拖力不小于500t；
B、泥浆配制：由于穿越地段地质情况比较复杂，泥浆是定向穿越中的关键因素，针对地层特点，每个阶段的泥浆配方比例不一样：
①钻导向孔阶段：要求尽可能将孔内的泥沙、岩屑携带出孔外，同时维持孔壁的稳定，保持孔内泥浆面,减少推进阻力，减少钻杆摩阻，保证导向孔顺利完成，其基本配方是：膨润土4%、高聚物0.2%、润滑剂0.2%，余量为pH = 10的碱水；
②预扩孔阶段：要求泥浆具有很好的护壁效果，具有一定的动切力和良好的流动性,提高泥浆携带能力，其基本配方是：膨润土4%，高聚物0.2%，余量为pH = 10的碱水；
③回拖阶段：要求泥浆具有很好的护壁、携带能力，同时还有很好的润滑能力，减少摩阻，其基本配方是：膨润土4%，高聚物0.2%；润滑剂0.3%余量为pH = 10的碱水；
C、钻导向孔：钻具组合要求：钻头+螺杆钻具+无磁钻铤+钻杆，安装连接好仪器开动泥浆泵对准入土点进行试钻，钻头在钻机的推力作用下由钻机驱动旋转切削地层，按照导向孔设计曲线不断钻进，每钻完一根钻杆要测量一次钻头的实际位置，及时调整钻头的钻进方向，保证所完成的导向孔曲线符合设计要求，如此反复，直到钻头在预定位置准确出土，完成整个导向孔的钻孔作业；
D、预扩孔：钻头准确出土后，拆卸钻具并连接扩孔器，扩孔器入洞前喷射泥浆，以检查水嘴是否畅通，泥浆压力是否正常，一切无误后开始扩孔作业；
E、穿越管处理：穿越管预制完成后，在管端焊上拖拉头，同时沿管线挖发送沟，发送沟内注满水，穿越管下沟前进行防腐层电火花检漏，确保无漏点；
F、回拖：回拖是定向穿越的最后一步，回拖采用的钻具组合为：钻杆+桶式扩孔器+分动器及万向节+穿越管；回拖前，试喷泥浆，确保扩孔器水嘴通畅，检查泥浆压力是否正常，在回拖时进行连续作业，避免因停工造成阻力增大。
在钻导向孔过程中，每根钻杆改变角度要小于0.3度，四根钻杆改变角度要小于1.2度。
本发明相对于顶管施工方式，具有以下优点：可以满足管道长距离不间断的穿越施工，施工速度快；可以降低对地面环境的破坏，满足环保要求；本发明不受土质、地下水及地下不明管线等不确定性因素干扰，无工作井施工和穿工作管工序，节约时间，在地面即可对工作管进行长距离焊接及保温；深度较大，避免穿越河流时出现透水、漂管等风险。本发明适用于管径不大于DN1200、Q235B材质的热网管道、蒸汽管道及其它PE管道。
Claims (2)
1.一种大管径热网管道非开挖方式敷设施工方法，具体步骤如下：
A、钻机设备选取：选取穿越回拖力与施工要求相匹配的的定向钻，穿越管线在回拖过程中，回拖力主要有管道浮力对上孔壁造成的摩阻力和管道在孔内移动过程中与泥浆产生的摩擦力构成，为降低管道因浮力对孔壁造成的摩阻力，按照管道内注满水、孔内充满泥浆及孔壁保持完好不变形来计算，所选取的水平定向钻机回拖力要满足定向钻穿越长度的要求且回拖力≥3*（管道在洞内产生的摩擦阻力+管道在洞中的粘滞综合摩擦阻力），取3倍安全系数；
B、泥浆配制：由于穿越地段地质情况比较复杂，泥浆是定向穿越中的关键因素，针对地层特点，每个阶段的泥浆配方比例不一样：
①钻导向孔阶段：要求尽可能将孔内的泥沙、岩屑携带出孔外，同时维持孔壁的稳定，保持孔内泥浆面,减少推进阻力，减少钻杆摩阻，保证导向孔顺利完成，其基本配方是：膨润土4%、高聚物0.2%、润滑剂0.2%，余量为pH = 10的碱水；
②预扩孔阶段：要求泥浆具有很好的护壁效果，具有一定的动切力和良好的流动性,提高泥浆携带能力，其基本配方是：膨润土4%，高聚物0.2%，余量为pH = 10的碱水；
③回拖阶段：要求泥浆具有很好的护壁、携带能力，同时还有很好的润滑能力，减少摩阻，其基本配方是：膨润土4%，高聚物0.2%；润滑剂0.3%余量为pH = 10的碱水；
C、钻导向孔：钻具组合要求：钻头+螺杆钻具+无磁钻铤+钻杆，安装连接好仪器开动泥浆泵对准入土点进行试钻，钻头在钻机的推力作用下由钻机驱动旋转切削地层，按照导向孔设计曲线不断钻进，每钻完一根钻杆要测量一次钻头的实际位置，及时调整钻头的钻进方向，保证所完成的导向孔曲线符合设计要求，如此反复，直到钻头在预定位置准确出土，完成整个导向孔的钻孔作业；
D、预扩孔：钻头准确出土后，拆卸钻具并连接扩孔器，扩孔器入洞前喷射泥浆，以检查水嘴是否畅通，泥浆压力是否正常，一切无误后开始扩孔作业；
E、穿越管处理：穿越管预制完成后，在管端焊上拖拉头，同时沿管线挖发送沟，发送沟内注满水，穿越管下沟前进行防腐层电火花检漏，确保无漏点；
F、回拖：回拖是定向穿越的最后一步，回拖采用的钻具组合为：钻杆+桶式扩孔器+分动器及万向节+穿越管；回拖前，试喷泥浆，确保扩孔器水嘴通畅，检查泥浆压力是否正常，在回拖时进行连续作业，避免因停工造成阻力增大；
在步骤B中，所述的高聚物均为水溶性高分子量低离子度的线性聚丙烯酰胺。
2.根据权利要求1所述的大管径热网管道非开挖方式敷设施工方法，其特征在于：在钻导向孔过程中，每根钻杆改变角度要小于0.3度，四根钻杆改变角度要小于1.2度。
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