1、HDPE 管在市政污水管道工程中的应用探讨摘要：HDPE 管道以其优越的耐腐蚀、耐冲性及经济性广泛应用于市政工程供水系统及其他领域的工业用水管。本文根据工程案例，对 HDPE管道在市政污水管道工程中的应用及定向钻孔拖拉法施工技术进行探讨，以供参考。 关键词：HDPE 管；市政污水管道；施工技术 中图分类号：TU74 文献标识码： A 文章编号： 一、工程概述 某市政道路下边新建污水管，管材采用 HDPE 管，原地面标高 440 m，管底标高一 130 m。有一段必须从 A 路已建的 DN800 雨水管底下穿过，接入井深 72 m 的 A 路 32 号污水井中，管线平面图见图 1。 图 1 污水
2、管道设计及现有管线平面图 二、定向钻孔拖拉法的施工原理和主要设备 （1）施工原理 非开挖水平定向钻孔技术是从石油钻井领域发展、演变过来的一项适用于快速铺设地下管线的先进非开挖施工技术。在天然气、自来水、电力和电信部门已得到广泛使用的施工工艺。最近随着在施工精度上的完善，也逐渐运用于污水管等重力管线的施工中。 水平定向钻孔拖拉法铺管一般分 3 步进行： 钻导向孔：大多数水平导向钻进使用一种辅助射流的切削钻头，在钻头前端带有斜面板，当钻杆不停地回转时，钻头钻出一个直孔；当钻头朝着某个方向推进而不回转时，钻孔轨迹发生偏斜，从而达到改变地下钻孔方向的目的。 在钻头钻进的过程中，安装在导向钻头内的探头发
3、出信号，信号被地表的接收器接收后，操作人员通过监测到的信号来观察钻头的前进方向和深度等，从而人工控制钻孔的轨迹，使钻孔按设计轨迹延伸。 钻进回扩：导向孔施工完成后，需要用一个扩孔器来扩大钻孔。一般是将钻孔扩大至成品管线直径的 1315 倍，以便安装成品管线。如果铺设的管线管径较大，或地层情况比较复杂，可根据钻机情况分一次或多次进行回扩，直至达到可以安装成品管线的要求。一般最终的回扩直径的计算式为： D1=KD （1） 式中：D1 为最终扩孔直径，K 为安全系数，一般取 1315，当地层情况比较复杂时，取较大系数，当地层为均质黏土时，取较小值；D为成品管外径或集束管外径。 管线拖拉：钻孔回扩完成
4、后，一般是在出口处将待铺管线通过回拖头和扩孔钻头连接在钻杆上，利用定向钻机一边回转一边回拉，将管线拖入已扩钻孔中，完成管线的铺设工作。当出口处条件限制时，也可反向拖拉，如本案例。 定向钻孔穿越与大开挖施工法相比，优点如下：大多数的工作都在道路的两侧进行，不会阻断交通；对周围构筑物的影响小；适用于管道埋深大，对原有管线影响小，起到更好的保护作用；工期短，费用低。 （2）主要施工设备 表 1 主要仪器和设备 三、定向钻孔轨迹设计 定向钻孔轨迹的设计是非开挖定向钻孔施工的依据，设计方案的优劣直接影响到施工的质量、安全和成本。 设计钻孔轨迹的一般原则是在充分掌握地下地质资料、地下管线资料的基础上，确定
5、最优方案，保证最安全、最方便、最低成本地完成施工任务。 钻孔轨迹设计主要考虑的因素有：地表的覆土深度、关键节点的地表位置、地下管线及障碍物的位置、成品管材的类型、出入土角及管线的曲率半径、施工地点的特殊要求、地貌条件的限制等。 （1）造斜段曲率半径 R：本工程定向钻孔轨迹设计包括人孔、造斜段和水平段。造斜段曲率半径主要由钻杆和待铺 HDPE 管的曲率半径决定，选择时以曲率半径大的为设计依据。 铺设的 HDPE 管最小允许曲率半径： (2) 式中：E 为 HDPE 管弹性模数，为 960 MPa；D ：为 HDPE 管外径，为450 cm；为 HDPE 管弯曲强度，为 24 MPa。 钻杆的曲率
6、半径应由钻杆的弯曲强度值确定。 根据工程实践经验，一般情况下钻杆的曲率半径为钻杆外径的 1200 倍。即钻杆曲率半径 (3) 式中：D 钻杆为钻杆外径，为 8 cm。 定向钻孔轨迹造斜段曲率半径 R 取两者中大的值，即 96m。本工程取 100 m。 （2）造斜距离 Ll 和入土角 a 计算。 式中：h 为管道中心距入土点埋设深度，4m。 （3）定向钻孔轨迹设计参数。根据上面计算数据和铺设管道的要求，设计的定向钻孔穿越轨迹纵断面如图 2 所示。设计管中心高程为一 11 m，入土角为 l626。 ，人土端造斜距离为 28m，曲率半径约为 100m，穿越水平距离为 32 m(即在进入 631 号污
7、水井前 2 m 处把钻杆凋为水平)，水平钻进一直保持至 32 号污水井预留孔洞处，所以水平定向穿越导向长度预计为 60 m。 图 2 定向钻孔穿越轨迹纵断面 四、定向钻孔拖拉管施工 施工工艺流程见图 3。 图 3 施工工艺流程 （1）工作坑的开挖和钻机放置 在距 B 路 631 号污水井西侧 30 m 处预挖一个长宽深为 20 m 15 m 15 m 的工作坑。 定向钻机放置应符合下列要求： 钻机应安装在管道中心线延伸的起始位置。 调整机架方位应符合设计的钻孔轴线。 按钻机倾角指示装置调整机架，应符合轨迹设计确定的入土角。 （2）泥浆配制 本工程采用定向钻专用膨润土和有机聚合物，以提高造浆率和
8、成孔质量。膨润土作为制浆的基本元素，能提升泥浆悬浮钻屑的能力，使得钻屑能够浮在泥浆中，随泥浆循环流出钻孔，保持孔内清洁；能稳定孔壁，防止塌孔。有机聚合物能包覆粉砂土颗粒，抑制粉砂土松散坍塌，提高携带性和护壁性能。 泥浆黏度保持在 5565s 之间(用一个标准漏斗将泥浆倒入。每流出1 L 泥浆所需的时间即为泥浆黏度值)，pH 值应控制在 810 之间。施工现场每 2 h 应对泥浆黏度观测一次。 钻进泥浆应在专用的搅拌器中配置，并具有足够的供应量。从钻孔中返回的泥浆应妥善处理。 （3）钻导向孔 钻机应试运转并调整好符合本次施工的参数。按设计轨迹钻导向孔。在造斜段数据控制点按 0510 米长度设置；
9、水平段可按3050 m 长度设置，以控制导向孔不偏离轴线。每钻进 1 根钻杆，测量其深度及方向，做好钻进路径原始数据记录。要求每 1 根钻杆的标高偏差范围在80 mm 误差范围内，轴向偏差范围控制在100 mm 误差范围内。在地表测量点做好标记，以方便后期测量和核对深度及位置。导向过程中配合使用水准仪，保证到达污水井前 23 m 时，达到设计高程。 （4）多级扩孔 导向孔钻成后，在 A 路 32 号污水井中卸掉钻头及控向系统，安装扩孔器进行预扩孔。扩孔采用逐渐增大，扩孔器的规格为300mm、400mm 和 600 mm。为使扩完的孔成型较好，扩孔速度不能太快，扩孔时间应3 min根，在孔内保持
10、足够泥浆。 扩孔完成后，再用 600mm 清孔器对孔进行一次清孔处理，以排出孔内多余渣土，使成孔内壁进一步稳固。 （5）管道组对连接 HDPE 管的连接采用热熔对接技术。管材经相应机具切削、加热，使塑管断面熔化，在一定的压力作用下，使熔化表面接触，且在熔接过程中形成双环焊缝，成为加强圈。因此其焊缝系数1，其焊缝强度可超过本体。 焊接的操作步骤： 按塑管特性设定熔接温度。 启动电源，对电热板加热，当温度上升到设定点时，会自动把调温范围控制在设定点3 度以内。 将对接的管道放入对接架内并固定好。此时油缸位置在最左端，两管口间距应以能放入铣刀盘，且铣削后又能对接为准。 插入铣刀盘并固定好。先启动铣刀
11、盘，然后启动动力源油泵，逐渐进入切削状态，最终达到两端面铣平的目的(铣削时的油压3 MPa)。 取出铣刀推进活动架，检查两管面是否吻合，如有高低偏差，需采用夹具进行校正并重复、动作，直到符合要求为止。 退回油缸，取出铣刀盘，换入电热板。 再次启动油泵，推进管道于电热板两面，稍稍加压，当电热板两侧管端熔出合适熔缝时，停止加压，继续加热，待达到加热时间总和后，迅速退回活动架取出电热板。 一旦电热板取出，应迅速合龙对接，并加大压力，直至接口有适当的翻边。一般情况下，翻边的宽度应该相当于管子的壁厚。 停止油泵，管子熔缝自然冷却至环境温度。 除去固定夹具，取出对接好的管材，对接结束。 （6）回拖管材 在
12、清孔后，将已通过强度试验的管道固定在拖管头上，连接方式见图 4。 图 4 拖管头和 HDPE 管的连接 拖管头和 HDPE 管的连接必须密封，防止泥浆和其他物质进入管道内。在 A 路 32 号污水井中设置一个定滑轮，使水平牵引力转变为竖直牵引力，通过吊车的拉力将管线从工作坑拖入已扩钻孔，方式见图 5。 图 5 吊机牵引 HPDE 管 在拖拉管过程中，要严密观察拉力情况和出浆情况。拖拉过程必须连续进行，中间不允许有长时间的作业停顿，以防止钻孔缩径或塌孔，保证管线能够顺利铺设完成。 HDPE 管道拖至污水井，在井中拆卸拖管头，施工完毕，造斜段、管道外壁及窨井回填土中有空隙，都须注浆充填密实。 （7）质量检测 施工完工后，应进行闭水试验，检测管道接口是否渗水，窨井与管道口连接处也应密封牢固，洞口不得渗漏水。窨井处管道平面位置、管内底标高应进行测量，允许偏差应符合表 2 规定。 表 2 管道平面位置与管底标高质量检验标准 五、结束语 定向钻孔拖拉法作为一种新型的非开挖施工工艺，有其独特的优越性，应用越来越广泛。 在工程施工前必须进行充分调查、分析、设计，掌握所要穿越地层的水文地质资料、地下管线分布情况等，精确设计，以最快速度、最低成本完成施工任务。
