浅谈定向顶管(拖管)施工在道路给排水中的应用
摘要：随着城市的发展，市政给排水的问题也日益突出，有些建好不久的市政道路路面进行破路面开挖实施管道敷设，造成交通拥挤、影响美观等问题。定向顶管施工可以避免开挖，缩短施工工期，施工安全且节约成本。文章介绍了定向顶管施工应用条件、顶进方法的选择、施工机械的选择、泥浆配合比参数等几个方面。
关键词：给排水管道；定向顶管施工；施工机械
中图分类号：U447 文献标识码：A
文章编号：1674-1145（2009）12-0133-02
一、应用条件
（一）管道所处土层
定向顶管（拖管）施工适用于残积黏性土层或全风化岩层，且无障碍物。
（二）管材选择
1．拖拉用的管材宜采用高密度聚乙烯平壁管或无缝钢管，管材的强度须满足施工及使用阶段的荷载要求。
2．高密度聚乙烯平壁管的物理性能应符合下列规定：
短期弹性模量：≥800MPa
抗拉强度标准值：≥19MPa
环刚度：≥8kN/m2
断裂伸长率：≥150%
管材允许的拖拉应力按12 MPa控制。
3．钢管性能应符合下列规定：
壁厚：≥5mm 屈服强度：≥210MPa
抗拉强度：≥415Mpa
二、顶进方法的选择
管道顶进方法的选择，应根据管道所处土层性质、管径、地下水位、附近地上与地下建筑物、构筑物和各种设施等因素，经技术经济比较后确定，并应符合下列规定：
在黏性土或砂性土层，且无地下水影响时，宜采用手掘式或机械挖掘式顶管法；当土质为砂砾土时，可采用具有支撑的工具管或注浆加固土层的措施；在软土层且无障碍物的条件下，管顶以上土层较厚时，宜采用挤压式或网格式顶管法；在残积黏性土层或全风化岩层且无障碍物的条件下，宜采用水平定向顶管（拖管）法，即导向钻进法，导向钻进法属于微型隧道技术中的一种，其原理是：使用水平定向钻机进行穿越施工，工作过程是通过导向仪进行导向和探测，先钻出一个与设计曲线相同的导向孔，然后再将导向孔扩大，把设计管线回拖到扩大了的导向孔中，完成管线穿越。施工过程一般分为三个阶段：第一阶段是从始发坑，按照设计曲线尽可能准确地钻一个导向孔：第二阶段是导向孔钻至目标坑后，将导向孔进行扩孔；第三阶段是采用液压装置将设计管线（一般为PE管道或者钢管）沿着扩大了的导向孔回拖，完成管线穿越工作，详见图1：
三、定向顶管施工
（一）工作井施工
首先施工入出土点两个工作井，工作井的长度和宽度根据所选机型确定，工作井的深度根据管道的高程确定。钻机就位准备工作完毕进入
导向。
（二）定向导向施工
首先确定管材穿越的位置及线路，设立多个坐标点进行导向，把探棒装入钻杆前的导向头内，通过探棒发射信号数据到地面的接收器，由地面接收器发射到钻机的显示屏。司钻手根据显示屏上显示的数据进行钻进(导向手与地下的导向头同步跟踪)，导向手根据接收器显示的数据通过对讲机指挥司钻手按确定的坐标及线路随时调整钻头角度进行钻进，导向钻进钻杆起始倾斜角度控制在7°~9°之间，保证钻进轴线方向符合图纸设计要求。导向钻进过程中随时查看钻孔返回泥浆情况，根据返浆判断地层含沙等情况，随时调整泥浆配制比例，保证钻进的正常施工。直到出土为止导向完成，此时导向孔直径约为钻杆直径+Φ100mm。
（三）回扩施工
导向完成开始扩孔（扩孔器为挤压式），从孔径（钻杆直径+Φ100mm）扩至孔径为（管径+Φ300mm），回扩球头依次循环回扩扩孔同时注入化学泥浆（即膨润土等）以进行护壁，以提高成孔率及防止孔塌并起到润滑作用，同时进、出入工作基坑进行排浆（扩孔采取24小时不间断作业）直至扩孔完成。
因该地层为土层，回扩时应注意泥浆比例的调整，保证不出现塌孔及断孔的现象发生。回扩过程中钻杆采用车辆拖运周转。回扩过程中应保证钻杆供应及时，无意外情况尽量不中断施工。为使扩孔达到要求要进行多次洗孔直到成孔，顶管前成孔系数必须符合施工要求，尤其泥浆配制应满足施工工艺要求，以减少管道回拖时摩擦系数和扭矩系数的增加。
（四）管线回拖施工
回拖是定向穿越的最后一步，也是最为关键的一步，在回拖时采用的方式是:等于管径大小的扩孔器+回拖万向节+管材穿越管线。在回拖时进行连续作业，避免因停工造成阻力增大。管线回拖前仔细检查各连接部位的牢固，并在回拖万向节和回拖管道之间增加两个抗拖力U型卸扣，便于调整在回拖过程中的角度。
管道从进口拖入时，若管道的长度为50~80m左右，不需要其他机械进行施工配合可由钻机自行拖拉。
若管道的长度>80m，现场应配备吊车进行施工配合，将管道吊起顺入孔内，待顺入长度达到50m～80m左右，方可进行钻机自行拖拉。
拖管时，管道下面每10m长左右均匀布设特制滑轮，作为管道拖动时的轴承作用，以减少磨阻力。当管道较长又受到道路场地的限制，管道随着道路的弯曲放置，在弯曲的内侧，随着弯曲均匀设置钢管，钢管采用金刚钻孔立在道路上，外套大一规格的套管，拖管时挡住管道并随着管道的移动转动。配备多台吊车把管道吊起并推动，减轻管道的重量。
（五）竣工验收
管道拖管完成后，应立即组织甲方及监理等单位进行竣工验收。
四、施工机械的选用
按照回拖力计算公式计算如下：
F=｜(P0-P1)｜×I×ρ
F─管壁与孔壁间的摩擦力(kV)；
ρ─土与管壁间的摩擦系数(0·2～0·6)；
P0─管子每米长的重量；
P1─管子每米所受的浮力；
I─铺管长度。
P1在未入孔之前，没有浮力。
在孔洞中，P1=π×D2×λ/4。
λ─泥浆比重：膨润土配置的泥浆1.02～1.03，化学聚合物配置的泥浆。
经计算管重G=P0×I，定向拖管工程用于穿越施工的设备选用大于G+F水平定向钻机就完全可以满足施工的需要。
五、泥浆配比理论参数
泥浆配制：在钻机开钻前，提前采集水样，进行含盐量pH的分析检验，要求含盐量（NaCl）<1%，含钙量（Ca++）<120mg/L，检查水样合格后进行泥浆的配制，另外配制泥浆的水质不能是受管（拖管）施工在道路给排水中的应用。
受到污染的脏水，必须采用干净的水配制泥浆。泥浆是由水、膨润土及各类添加剂（包括：滤饼剂、增黏剂、润滑剂、护壁剂、堵漏剂等）组成，泥浆粘度应根据地质情况和管径大小确定，泥浆黏度值可根据下表规定选取。泥浆黏度宜用马氏漏斗测量，每两小时测一次。
注：泥浆粘度为马氏漏斗测量。
注：以上参数仅为施工参考，施工时应根据实际地质情况进行调整。
六、结语
定向顶管（拖管）成功实施，为今后较大管径、长距离的给排水管道施工创造了有利条件。它与传统的顶管相比具有施工工期短、一次拖管距离长、适用各种管径、机械化程度高、施工误差小等优点。定向顶管（拖管）施工也受到一些条件限制，要求施工现场必须有充足的水源以保证定向顶管施工在导向阶段、扩孔阶段、拖管阶段整个作业的需要；要求在进行拖管前必须把管道一次焊接成型，当管道较长时需要较大的施工场地进行焊接施工和安放。定向顶管（拖管）施工也存在一定的风险，特别是在管线回拖施工的过程中，可能造成管道断裂在孔中无法拖出的问题，值得我们进一步去思考和探索。