1.工程概况
1.1 工程简介
陈行公路二期道路改建工程地处上海市闵行区浦江镇，西起陈行公路—万芳路路口以东，东至东佳路—林海公路路口，施工范围为K2+640～K4+365.027，道路红线宽度40m，全长1725.027m。该工程施工内容包含排水工程、桥梁工程及道路工程等。其中现状苏民河南侧过河段拟新建W25～W26（DN300mm，管段长55m）的污水管段下穿苏民河，由于苏民河严禁断流，没有条件进行开槽埋管施工，故采用定向钻施工工艺，如图1所示。
图1 W25～W26污水管道位置平面图
1.2 地质情况
苏民河桥南侧W25～W26污水管定向钻施工最大埋深约7.5m，穿过①1素填土层、②t黏质粉土层、②3砂质粉土层、③淤泥质粉质黏土层。W25～W26段水平定向钻施工管道穿越现状苏民河，经过现场排摸，该段钻进区域内不存在地下管线或其它水利设施。
2.水平定向钻施工方法
2.1 水平定向钻的结构及工作原理
水平定向钻机主要由履带底盘、锚固装置、钻杆拧卸装置、给进及回转动力头、钻机支撑液压油缸、操作控制平台、发动机系统及钻头钻杆构成，如图2所示。
图2 ZT-33型水平定向钻机
水平定向钻机工作原理是通过钻头连接钻杆，在发动机系统作用下以一定角度（设计给出）从地面入土坑进入地下，然后在地下以设计图纸给定的设计管线路径进行导向孔钻进和扩孔作业，直至孔道大小满足管道回拖要求，接着将扩孔器的单动接头与已连接完成管道的回拉接头进行连接，最后将管道从出土工作坑回拖至W25～W26位置，即完成水平定向钻管道施工。
2.2 水平定向钻设备选型及施工流程
2.2.1 设备选型
现状苏民河桥南侧过河段W25～W26污水管管径为DN300mm，管段长55m，最大埋深约7.5m，采用HDPE（高密度聚乙烯）直壁管道，热熔接口，环刚度不小于16kN/m2。根据以往工程经验，W25～W26污水管水平定向钻施工选用ZT-33型钻机。
2.2.2 水平定向钻施工流程
水平定向钻的工艺流程如图3所示[gf]ff61[/gf]
图3 施工工艺流程图
2.3 场地布置
水平定向钻施工场地布置分为入土侧场地和出土侧场地。现状苏民河河道两侧为天然土质驳岸，现状苏民河桥东南侧W26检查井位置为一片空地，现状苏民河桥西南侧W25检查井位置是一片农作物种植地，为了减少对西南侧农用地的破坏，水平定向钻钻机放置于现状苏民河桥东南侧空地，西南侧社会道路路边南侧可提供较大的管材焊接场地，同时借用较少面积农用地设置出土工作坑。
本工程定向钻施工入土侧场地布置主要内容有：水平定向钻机（ZT-33）、钻杆堆放场地（堆放4.55m长钻杆共计35根）、泥浆泵（3LM型）、泥浆混合桶（容积约2.5m[gf]b3[/gf]）、膨润土堆、发电机（150kW）、入土工作坑。
本工程定向钻施工出土侧场地布置主要内容有：出土工作坑、已热熔焊接完成的成品HDPE管道共计约108m（由6m长的管节共计18节焊接而成）。
2.4 本工程水平定向钻施工步骤
2.4.1测量放线
按照场地布置图要求，将定向钻机及其配套设备布置在指定位置上，使钻机中心线与苏民河桥东南侧入土点、苏民河桥西南侧出土点在一条直线上，以确保位置准确满足钻进要求。
2.4.2开挖工作坑
入土工作坑及出土工作坑均按长3m宽1.5m深1.2m的尺寸进行开挖。
2.4.3机具就位
钻机设备进场后，及时检查并记录其运作情况。钻机及其附属设备放置在工作坑东侧直线距离2m外的位置，以防止钻进过程中由于震动导致坍方，钻机就位和管道设计曲线在相同轨迹上。钻机就位后先进行了系统调试，保证钻机各系统运转正常后开始进行试钻，试钻的各种参数满足设计要求后按次序进行钻进。
2.4.4泥浆的配备
泥浆的配备是水平定向钻施工的一个很重要的环节，应根据场地地层土质的不同而进行相应调整。例如在淤泥质土层中施工，泥浆可以起到降低管道周围土质的黏性，使孔壁保持润滑，进而减小钻头、管道与孔洞周围土体的摩擦力，可增加孔壁的稳定性，降低缩孔，塌孔的风险［1］。本工程钻机钻进主要经过砂质粉土和淤泥质粉质黏土层，故在每1m3泥浆中掺入30kg膨润土，这样配置的泥浆护壁效果也更明显（未出现坍孔现象）。
2.4.5管道连接
W25～W26段HDPE污水管共计55m，为保证管道回拖至入土坑时HDPE管在设计给定的相应井位位置，本工程共采用了18节6m长的HDPE管节进行热熔焊接，焊接管道成品共计约108m，其中55m为W25～W26段管道利用，剩余53m为辅助管段（W26检查井开挖到底时，用电锯截除后的辅助段管节用钻机拖出至地面，以供下次使用），分段详如图4所示。
图4 管道分段示意图
本工程管道热熔焊接严格按以下操作步骤执行：
（1）对口：将HDPE管放入夹具中夹牢固，将HDPE管管口的老化层、垃圾清理洁净。然后使2段管节的管端接口对正，2管节对口平齐后，将夹具夹紧。
（2）加热管道接口：同时用热平板模对需要焊接的2段HDPE管管口进行加热，本工程加热温度采用210℃± 10℃。然后按要求设定好设备系统的压力（本工程设定预热阶段压力1.5MPa，吸热阶段压力0.2MPa，保压冷却阶段压力1.5MPa）。当管道的吸热时间达约300s后，立刻松开夹具，取走加热板。HDPE管在热熔连接完成后进行保压冷却，在保压冷却时间内，应严防连接管段的移动，并禁止在连接的管段上施加任何外力。
（3）接口冷却：HDPE管接口热熔对接完成后，应让其在稳固的卡具上自然降温冷却15～20min，然后再放至地上继续冷却，冷却至与环境温度基本一样后再进行另一端对口的组对和熔热接口。
2.4.6钻导向孔
在苏民河东南侧入土点旁进行水平定向钻机具的安设，然后从拟定的入土点起始，顺着既定的钻进线路，从苏民河东南侧入土点到苏民河西南侧出土点形成1条钻进孔道，作为供扩孔及管线回拖使用的1条导向孔道。在进行导向孔钻进施工时，根据地质条件，本工程选用凹槽状扩孔钻头，钻头直径约20cm，钻头对准设定的孔位，启动钻机进行导向孔的钻进。同时可以通过钻机的导向探测仪核查钻头的姿态，为了保证穿越的精度，可在穿越过程中每安装1根钻杆，就根据导向探测仪反馈情况进行钻头位置的校正。
2.4.7预扩孔
导向孔施作完成后，拆卸钻头，然后更换上桶式扩孔器（图5，直径为400mm）。使其在钻杆回拉时，将导向孔扩大到满足回拖管道要求的尺寸。结合地质条件，本工程采取一级一次性扩孔。
图5 桶式扩孔器
2.4.8管线回拖
导向孔在经过预扩孔且满足了管道回拖条件以后，开始进行回拖管线时，将扩孔器与钻杆连接在一起，然后使扩孔器的单向转动接头与焊接好的HDPE管段设置的回拉接头（图6）相连接，单动接头能够有效防止管段随着扩孔器旋转，进而确保HDPE管段可以平顺的回拖到钻孔里。本次钻机的回拖拉力为1.2～1.4MPa，回拖时应匀速缓慢进行，禁止用过大力拖拉。扩孔作业完成后，为减少塌孔等风险应尽快进行管线回拖。
图6 管道回拉接头
3.水平定向钻施工质量控制
3.1 定点测量
按照设计提供的检查井位置、管道轴线以及业主方提供的测量控制点位，使用校核合格的测量仪器进行现场定点放样，放样完成后先自行复核，自行复核完成后报监理复核验收，监理工程师验收合格的点位方可用作现场施工作业控制点；导向孔及扩孔回拖管段作业时，每安装或者拆卸1节钻杆，均采用导向仪对钻头的标高、轴线进行动态纠偏量测，尤其重视钻头入土（出土）时的直线段与管道直线段之间的造斜段（如图7所示），做到多测、勤纠。
图7 造斜段示意图
3.2 管道原材管理
严格控制成品管材（HDPE）出厂质量：管材务必在原材料报审且审批合格后才允许进场，同时进场的管材应按照管理程序及时安排验收，确保管道材质、技术指标符合设计要求，同时外观无磨损、破裂及凹陷。管道接头采用热熔对接，焊缝宽度和卷曲高度满足要求。
3.3 导向孔钻进
严格遵循设计管道轨迹线进行导向孔钻进、回扩孔、管道回拖施工，并确保导向孔作业时的入土角度、标高和出土角度满足规定要求。打导向孔时，一旦钻机钻进过程中扭矩达到最大值的70%，应马上停止钻进并回抽钻杆，本工程钻进过程中未出现此类情况。
3.4 扩孔
严格按照要求进行扩孔作业，扩孔结束后应马上安排进行管道回拖，有效防止了孔道塌方。
3.5 回拖管道
先对HDPE管段进行了长度、焊缝及防腐的检查，本工程连接完成的管段长度约108m，管节间焊缝均饱满圆顺，质量满足设计要求。
4.结语
本工程与传统施工围挡后开槽埋管的方法相比，水平定向钻施工速度快了约10d，且对周围环境影响较小，同时施工结束后进行该管段CCTV检测，检测报告显示该管段质量良好。水平定向钻施工技术，近些年在排水管道、通信管道、电力管道等施工中开始逐渐得到普遍应用，目前国家及行业也陆续发布了相关规范和标准，但其技术依然在探索与改进中。水平定向钻技术尤其在不具备开挖条件（如跨河）的中小管径（不大于800mm）的排水管道施工中应用较广。
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