1 背景介绍

　　 在建成区建设排水管网经常遇到场地狭窄、影响交通、紧邻建筑等问题, 为了减少施工影响, 一般采取非开挖施工。在给排水管道工程中, 常用的非开挖施工方式有大口径顶管施工^[1]、小口径螺旋二次顶管^[2]和水平定向钻^[3]工艺等。

　　 大口径顶管一般适用于D800管径以上, 也有一些小型机头, 可以用于D600管道。大顶管工艺较为成熟, 但不适用于小口径管道的施工, 对施工场地也有较高的要求。小口径螺旋二次顶管可以应用于D300~600排水管道施工, 但是存在工艺不成熟、难以控制出土量、施工效率低、顶进距离短的问题。两种工艺还存在共同的缺点:管道是多节短管承插连接整体性不强, 顶管遇见障碍物时必须开天窗处理, 容易产生交通、环境及次生灾害影响。

　　 水平定向钻施工工艺在给水、电力等非重力流管道铺设中使用较多, 由于传统定向钻工艺标高控制不准, 在排水工程中一般仅用于过路、过河等位置, 在排水管网中不会大范围使用。但是水平定向钻工艺优点是施工所需空间小、施工快速, 施工操作都在地面以上, 遇见障碍物时可以在地面操作处理, 而且所使用的管材一般是热熔对接HDPE实壁管, 管道密封性好、整体性强又具有柔性。

　　 因此如果能改进传统水平定向钻工艺, 解决其在重力流排水管道应用中存在的问题, 将大有可为。

　　 水平定向钻施工是采用定向钻机和控向仪器, 在预先确定的方向上通过导向钻进、扩孔、拉管等工艺过程实施管线敷设的非开挖施工方法。该方法在重力流排水管的铺设上处于试验阶段, 相关的规范在不断完善。国内与排水管道定向钻施工相关的规范从2006年陆续开始编制。

　　 结合排水管定向钻实际施工中遇到的困难及以上技术规范, 分析传统定向钻技术中存在的局限, 具体如下:

　　 (1) 标高控制不准确。由于扩孔孔径至少比管道外径大100 mm, 管道在孔内存在上下浮动的空间, 可能随管道内水量多少而沉浮。即使洞口处管道标高能够准确控制, 但两井之间的管道标高难以控制, 无法满足规范要求。

　　 (2) 拉管阻力大距离短。拉管过程中管道浮于孔道, 上壁与孔壁摩擦阻力很大, 前方有泥浆阻力, 一次性拉管距离较短。为了减少阻力, 管道回拖时还需要对管道进行配重。

　　 (3) 管道变形。由于拉管过程中阻力太大, 拉管完成后管道存在轴向变形, 断面呈椭圆, 影响管材的使用寿命。

　　 (4) 洞口止水困难。洞口止水是排水管道定向钻施工中的难点, 有的规范未涉及, 有的规范提出了降水、注浆措施, 但这两种方法在建成区不良地质下难以实现。

　　 (5) 环隙及造斜段注浆困难。现有规范都对环隙及造斜段提出了注浆加固的要求, 但未指出具体的加固措施, 实际施工中难以实现。

　　 (6) 场地空间要求高。定向钻进拖拉法需要两端都有造斜空间, 而且要一端能够摆钻机另一端能够摆管, 对场地空间要求较高。二程式拖拉法不需要造斜段, 但工作井、接收井内尺寸达到4m×2.5m, 所需空间也较大。

　　 (7) 管道内翻边未处理。HDPE实壁管在热熔对接过程中会形成内翻边, 影响管道清通, 在CCTV检测中属于Ⅱ级缺陷。在较早的规范中有内翻边处理要求, 但受技术限制无法实现, 后续的规范都未再提及内翻边的处理。

　　 (8) 管材标准待完善。重力流排水管道主要承受外压, 工程设计上常以环刚度管材性能控制指标, 定向钻施工管道又有一定的柔性要求, 环刚度与环柔性需要一个合适的结合点。规范中对环柔性仅提出了定性的要求。另外, 标准未纳入市场上常用的环刚度12.5kN/m²的管材。

　　 定向钻回拉过程中的阻力主要来源于两方面, 一是扩孔钻头受到的迎面土及泥浆的挤压力, 二是管道外壁与孔壁的摩擦阻力。图1是管道回拉过程示意, 计算见式 (1) ~式 (3) ^[4]。

　　 式中P_t———回拉力, kN;

　　 P_y———扩孔钻头迎面阻力, kN;

　　 P_f———管道摩阻力, kN;

　　 D_k———扩孔钻头外径, m;

　　 R_a———迎面土及泥浆的挤压力, kPa;

　　 L———管道长度, m;

　　 f_h———塑料管道与孔壁的摩擦系数, 可取0.3;w_f———单位长度空管道所受的净浮力, kN/m。从上述受力计算可以看出, 减小拉管阻力有两条途径:一是扩孔钻头增加导流槽, 减小迎面面积;二是在拉管帽开孔或采用拉鼻子支架代替拉管帽, 使泥浆进入管道内部。采用此种改进措施后的定向钻拉管工艺称为导浆拉管工艺。

　　 通过这两项改进既减小了迎面阻力又减小了摩擦阻力。泥浆进入管道释放了迎面的泥浆压力, 也使管道起到配重效果悬浮于孔道中, 大大减少摩擦阻力, 既直接避免了管道被划伤、破损和变形等问题又提高了拉管距离。改进后单次拉管距离增加50%以上, 且不受地质影响。

　　 根据实践经验, 在同等管材下改进前后单次最长允许拉管距离如表1、表2所示。

　　 进入管道的泥浆可以采用气泵吹排, 在管道上游加装橡胶塞, 管口接空气管, 通过空压机鼓气加压使泥浆排入下游检查井, 再用泵抽出外运。

　　 由于导浆拉管阻力减小, 对终孔孔径的要求也更低, 扩孔后的终孔孔径不超过管道外径50mm即可, 这样既从根本上解决了标高控制问题, 又提高了施工效率, 解决了环隙注浆问题。在终孔孔径不超管道外径50mm情况下, 环隙不超25mm, 不需要再对环隙进行注浆加固。

　　 将定向钻工艺应用于排水管施工时, 其技术核心在于标高的控制。在缩小扩孔孔径的同时, 也要从其它方面提高标高控制的精度。首先, 在施工工序上必须采取先做井后导向扩孔拉管的施工方法, 井施工到位后复测标高并开孔, 保证洞口处管道高程精度;其次, 加密导向控制点, 沿导向轴线每3 m放一个绝对标高点, 并提前按设计标高计算埋深作为导向控制点。采用此种方法后, 可以使钻头按照设计高程导向钻孔, 逐一通过各检查井预留孔。

　　 在不良地质地区 (淤泥、砂层等) 采取先做井后拉管的施工方式, 必然面临进出洞口的止水问题。由于钻头需要旋转钻进, 进出洞无法采用顶管工作井的进出洞止水措施。规范提到的降水、注浆措施效果不佳, 降水可能会引起次生灾害, 注浆会影响钻孔及拉管且在砂层地质止水效果不好。对于此种不良地质情况, 笔者设计了“双层留洞-满水钻拉-水下堵漏”综合措施, 可以有效解决进出洞止水问题, 井体构造示意见图2。

　　 该措施是在不良地质地区采用带水沉井或泥浆置换法沉井工艺做井, 沉井井体预留开孔位置分两层构造。外层采用泡沫混凝土或灰砂砖, 内层采取素混凝土预制。沉井到位封底后再复测标高, 在内层井壁按高程要求开孔, 同时保留外层结构。然后, 往井内注满清水, 开始导向、钻孔、扩孔和拉管, 拉管完成后, 在井内放置底部水泵, 抽水的同时注入在上部注入清水, 置换底部浑浊泥水;置换达到一定可视度后, 工作人员潜水用堵漏灵封堵洞口缝隙。封堵完成后, 抽干井内水, 浇筑混凝土做流槽, 割去管道上半部, 完成施工。

　　 检查井宜采用方形检查井, 便于导向钻孔和水下堵漏。D600以下管道检查井内边尺寸宜按1.5m, D800以上宜按1+D (m) 。方形转接井 (错位井) 宽度宜为1.1 m+2D (m) , 长度宜为1.5~2.0m。

　　 在污水工程中会有一些场地受限的情形, 没有足够的场地空间用于造斜或二程式工作井施工, 针对此种情况, 我们设计并实现了一种单边造斜的拉管工艺, 工作示意如图3。

　　 在空间受限端头设置内空不小于1.5m的检查井, 从另一端造斜导向钻孔至检查井, 然后从检查井内装管, 在管道尾部加装挡板利用中心拉杆顶进回拉。应用此种工法可以解决断头路、空间受限处的铺管问题, 并为后续段留出造斜空间, 便于后续段正常拉管。D600以下管径所需的下管井内尺寸不小于1.5 m。可以一次导向钻孔上百米, 然后分段回拉。

　　 对于造斜段的注浆加固, 虽然规范中有要求, 但未明确如何注浆, 在以往的施工中经常因为施工繁琐被省去。有些补浆采用的是垂直注浆, 反而对地面产生二次破坏。其实可以通过造斜孔洞注浆, 如利用高压旋喷注浆机接钻机进浆孔, 通过钻杆注浆。或者通过人工压浆泵和管道通过造斜孔洞向造斜段注浆。

　　 可用于定向钻施工的管材有钢管、球墨铸铁管、HDPE实壁管和HDPE中空壁平壁管。从实际使用来看, HDPE实壁管抗拉强度大、环刚度好、又具有柔性, 耐腐蚀、使用寿命长, 在定向钻排水管道施工中宜优先采用HDPE实壁管。

　　 无压排水管承受外压, 要求管材具有一定的环刚度, 定向钻施工又要求管材具有一定柔性, 两者需要一个合适的结合点。在《非开挖铺设用高密度聚乙烯排水管》标准中管材环刚度有4kN/m²、8kN/m²、16kN/m²、32kN/m²等几种规格, 而常用的塑料排水管管材有4kN/m²、8kN/m²、12.5kN/m²、16kN/m²等几种规格。市场也有环刚度12.5 kN/m²的HDPE实壁管, 在其它物理性能符合标准要求的情况下, 采用环刚度12.5kN/m²的管材足以满足使用要求。另外, 根据试验管材含硅量在3%~5%时, 管材环刚度和环柔性可以达到很好结合。

　　 单边拉管时受限于工作井尺寸, 管材需要采取管节长度1 m的HDPE实壁管, 针对此种施工环境, 开发了新型的丝接胶固接口, 可用于前拉后顶。管节一端为承口一端为插口, 承口内侧和插口外侧有圈纹和密封圈。连接时, 推紧挤固。该种连接方式安装简单快速, 不渗漏, 接头紧密, 无法拆除。

　　 规范中关于排水管道定向钻竣工验收部分内容有待完善, 缺少管道变形检测和合适的严密性检测方法。管道的拉伸变形会影响管材的使用寿命, 因此应增加施工完成后管道椭圆度检测, 建议控制椭圆度不超3%。

　　 现有规范中关于管道的严密性检测方法有闭水试验和闭气试验。闭气试验适用于混凝土类的无压管道在回填土前进行的严密性试验, 而且要求地下水位应低于管外底150 mm, 此种方法不适合于本工艺的严密性检验。

　　 闭水试验一般适用于开槽施工的污水管道, 规范指出管道内径≥1 500mm不开槽施工的钢筋混凝土管道且地下水位高于管道顶部时可采用内渗法检验。笔者认为应将内渗法扩展到高地下水位地区定向钻施工的HDPE实壁排水管道上, 与CCTV检测配合观察管道的渗漏情况, 简单直观, 省工省时。

　　 导浆拉管及单边造斜拉管已在很多排水工程中应用, 这里以中山市西区沙朗市政污水管为例进行介绍。

　　 西区沙朗地区村民沿河而居, 污水管沿河边道路铺设。由于地质差、道路狭窄, 采用钢板桩支护施工影响太大, 后引入了小口径二次螺旋顶管工艺。在一些地质稍好的路段较为顺利。但在一些有贝壳的地方无法顶进, 在一些地质较差的地方出现了路面开裂、围墙开裂甚至河岸垮塌的情况, 沿河污水管被暂缓施工。后来又进行了D600管泥水平衡法顶管试验, 依然出现路面开裂。2017年9月份在原顶管出现问题的河岸进行了泥浆置换法沉井和导浆拉管的试验, 试验结果显示该工法对周边基本没有影响, 标高控制准确, 管井严密性良好。继而确定后续暂缓污水管全部采用此工艺进行施工。

　　 图4是其沿河污水管的局部设计, 道路上方是隆昌河, 管道沿河铺设, 垂直河涌方向的管道是采用单边拉管, 末端通过转接井与下段定向钻拖拉管连接。

　　 定向钻改进工艺解决了在排水管道应用中存在的问题, 其标高控制达到规范要求;管道整体性连接, 密封性好, 工程质量高, 使用寿命长;一次性拉管距离长, 施工快速;管道施工在地面操作, 容易避让障碍;该工艺施工影响小, 能够在小口径螺旋顶管、泥水平衡法顶管都无法避免次生灾害的地方施工, 特别适合于污水管道的非开挖施工, 值得大范围推广和应用。