拉管施工工艺工法
QB/ZTYJGYGF-GS-0104-2011
市政环保公司 谢学武
1 前言
1.1工艺工法概况
城市道路管道施工，由于交通条件限制，现场无放坡开挖条件，不放坡全断面加强支护开挖的方式，对支护要求高，施工安全保障较低，造价很高，并且对交通影响很大，无法保证交通疏导要求。特别是埋深超过5.0m的管道开挖施工，属于危险性较大的深基坑施工。若对开挖深度较大或因交通疏导原因不具备开挖施工条件的路段采取非开挖拉管的施工方法，可有效解决市政道路管道施工难题。与传统的\"挖槽埋管法\"相比,它具有环境影响小、对交通影响小、对地层结构破坏小、施工安全可靠、周期短、社会效益与经济效益显著等优点。 1.2 工艺原理
主要是采用地下定位系统，通过导向，分级扩孔的方法，确保钻机按预定的轨迹完成导向孔，从而达到准确铺管的目的。导向孔的施工主要依据设计轨迹，采用导向钻头内的探头盒发射一定频率的电磁波传到地表。地面接收器收到信号，使用它可以随时测出钻头地下位置、深度、顶角、钻具面向角等基本参数。导向仪是导向钻进的眼睛，它能使操作人员能够及时、精确地掌握钻进情况，随时调整钻进参数，确保钻机按预定的轨迹完成导向孔，从而达到准确铺管的目的。工艺原理见图1、图2:
图1 施工工艺原理示意图
图2 监控装置示意图
2 工艺工法特点
非开挖拉管施工的优点，回避了开挖施工中存在的对交通、周边建筑及地下管线影响大，路面、房屋等需要大面积拆除并恢复而导致的资源浪费，并且施工周期短，可有效避免埋深4m以上沟槽开挖施工时的塌方等问题，从而避免了作业人员的施工安全等问题，缺点方面，对拉管管材的质量要求高，要求环刚度在12.5KN/M2以上的管材，从而使大于DN8OO以上的大管径管道管材目前还无法保证此环刚度而不具备拉管施工条件。另外，拉管施工将产生大量泥浆的需要处理，文明施工及环保方面要求很高，并且其施工费用相对开挖施工费用相对较高。
3 适用范围
天然气、给排水管等输送介质为液体或气体、管径φ80－φ1219的钢管和PE管等。 4 主要引用标准
《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268）、《顶管施工技术》（人民交通出版社）《输油管道工程设计规范》(GB50253)、《油气输送管道穿越工程施工规范》(GB50424)、《埋地聚乙烯排水管管道工程技术规程》（CECS164）、《钢质管道焊接及验收》(SY/T4103)、《油气长输管道工程施工及验收规范》(GB50369)、《管道下向焊接工艺规程》(SY/T4071)、《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第二部分：B级钢管》(GB/T9711.2)、《水平定向钻进技术规范》（中国非开挖协会）。 5 施工方法
根据设计轴线位置及管道埋深，在施工范围内通过现场调查、查阅资料、探测等手段调查清楚地下管线的分布情况后进行钻孔曲线设计，通过导向、分级扩孔后将焊接连通的管道一次性拖拉至孔内，然后进行后续的检查井等施工。 6 工艺流程及操作要点 6.1 施工工艺流程
施工工艺流程见图3：
测量放线地下管线探测钻孔曲线设计基坑开挖钻机就位试 钻钻导向孔反向扩孔反向拖拉管材管头分离现场泥浆处理钻机移位图3 施工工艺流程图
泥浆配置6.2 操作要点
6.2.1 测量放线
按设计轴线，结合坐标定位与相对定位法，将管道轴线标示与既有的路面等设施上。
6.2.2 地下管线的探测
在施工范围内通过现场调查、查阅资料、探测等手段调查清楚地下管线的分布情况。 6.2.3 钻孔曲线设计： 1 钻孔曲线设计：
1）满足规范要求的最小曲率半径。即：R=1500D。
2）满足穿越公路和河流安全规范要求；
3）选择最佳主力穿越层位。综合考虑入土角、出土角、曲率半径等因素，根据本工程综合考虑以上因素，确定导向轨迹。
4）定向钻孔轨迹线段由造斜直线段、曲线段、水平直线段（与管道排水坡度一致）等组成，为保证水平直线段精度要求，造斜段水平距离L可按图4计算确定。
H0HD02
L2AH0Asinasin2aAcosacoa2aN取值在3～5范围。
sinna/tgna
cosna
图4 定向钻孔轨迹计算示意图
5）入土造斜段与管道直线段之间及管道直线段与出土造斜段之间，至少应有一根钻杆长度达到管道直线段坡度要求。
6）入土角不宜超过10°，出土角按导向钻杆及拖拉管材允许曲率半径较大值确定，一般不宜超过20°。
7）相邻两节钻杆允许转向角根据土质条件，钻杆长度、材料等因素确定，土质越软，а角越小，а角的取值一般在1.5°～3.0°。
2 回拖力计算及最大拖拉长度
1）管道回拖力计算按图5所示进行计算：
图5 回拖力计算示意图
PtPyPfPyDk2Ra/4PfDLf
式中 Pt――回拖力（KN）
Py――扩孔钻头迎面阻力（KN） Pf――管周摩阻力（KN）
Dk――扩孔钻头外径（m），一般为管道外径1.3～1.5倍； D――管道外径（m）
Ra ――迎面土挤压力（Kpa）在上海地区，粘性土Ra在50～60Kpa；砂性土在80～100Kpa；
L――管道长度（m）
f――管周与土的摩擦系数（Kpa），在上海地区，粘性土f在0.3～0.4Kpa，砂性土在0.5～0.7Kpa；
2）定向钻孔拖拉法施工，最大拖拉长度宜控制在表1范围内：
表1 最大拖拉长度控制表
管道口径（mm） 所处土层 粘性土 最大长度（m） 250 180 200 150 160 120 备注 DN300 砂性土 粘性土 DN400 砂性土 粘性土 DN600 砂性土 采用特殊、有效的成孔及减摩措施时，最大拖拉长度可适当增加。 6.2.4 基坑开挖
在拉管施工机械的前部，开挖一个可供临时储存泥浆的基坑，基坑深度在2m以内，宽度在1.5m左右，长度在8m左右即可。
6.2.5 钻机就位及试运转
按施工布置图将钻机及附属配套设备安放在预定位置，进行系统连接、试运转，保证设备正常工作。施工由4000×2000×1500的钢板箱作为地锚,必要时装满沙子提高其稳定性,将钻机前端固定在地锚箱上。
6.2.6 钻导向孔 1 导向孔施工步骤： 1）探头装入探头盒。 2）导向钻头连接钻杆。
3）转动钻杆测试探头发射是否正常。 4）回转钻进2m左右。
5）开始按照造斜轨迹进行钻进。 6）完成直孔段钻进。 7）按照造斜轨迹进行钻进。 8）导向孔完成。
2 导向孔施工应注意事项：
1）确定管线入土点与出土点的位置和深度。 2）做好测量放线工作。
按照设计要求，做好穿越管线的测量放线工作，放线时要做好放线基准点的确认工作，并使钻机、入土点、出土点在同一直线上。
3）掌握穿越段地层特性
导向孔施工前，应对穿越的地层进行分析，以掌握其工程地质特性，保证钻孔施工时技术参数的合理性。
4）导向孔施工时，要保证导航员与钻机操作人员的协调一致。
5）导向孔钻进时，要随时掌握导向孔实际轨迹线，以使导向孔轨迹与设计轨迹之间偏差在设计要求的范围内，发现偏差超标要及时纠正。
6）合理使用泥浆作冲洗液，确保钻孔成型及钻具的安全。
7）选用优质的碱性电池，保证导向仪有足够的工作时间，确保导向孔施工时一次性完成（见图6、图7、图8、图9）。
图6导向钻头入土 图7 导 向
图8 导向完成 图9 钻头分离
6.2.7 反向扩孔 1 施工步骤
1）卸下导向钻头，换上反扩钻头及分动器。 2）分动器后连接钻杆。 3）扩孔。
4）反扩钻头到达钻头工作坑后卸下反扩钻头及分动器，将前后钻杆连接起来。 5）按照扩孔级次重复施工步骤，直至最终孔径 2 扩孔
分级实施扩孔，故预扩孔施工最终扩孔寸径比设计要求大一级扩孔，清孔，例：
φ250mm、φ350mm、φ450mm、φ550mm、φ650mm、φ750mm、φ850mm。最终扩孔直径保证≥1.5倍的铺管直径，确保管线铺设通道通畅（见图10、图11、图12、图13、图14、图15）。
图10 安装扩孔器 图11 扩孔拉进（小管径、大管径需要提前分级扩孔）
图12 扩孔钻进、拖管 图13 扩孔钻进、拖管曲线
图14 扩孔、拖管到达接收坑 图15 扩孔头分离
6.2.8 反向拖拉管材
管道组焊完成，扩孔器清孔后，根据回拖力、扭矩的大小决定管道回拖．施工时
记录回拖中的扭矩、拖力、泥浆流量、回拖速度等数值，回拖数据时实报告。
回拖力计算公式
Ｆ拉＝ΠL2 f[(D2 /4)γ泥 – 7.85δ1（D-δ1）]+k粘 ΠDL2 式中: Ｆ拉——计算的拉力（t）；
L2——穿越管段的长度（m）； f——摩擦系数，0.1-0.3； D——管子直径（m）； γ泥——泥浆的密度（t/m3）; δ1——管子的壁厚（m）； k粘——粘滞系数，0.01-0.03
按照施工规范的要求，钻机应选择最大回拖力为理论回拖力1.5-3.0倍，可以完全满足施工要求（见图16）。
图16 造斜段拉杆收回（施工完成）
6.2.9 现场泥浆配置及处理 1 泥浆材料用量
根据一般土质情况，确定泥浆配制方案，实施泥浆开钻，开钻前配制好优质泥浆。泥浆在定向穿越中起关键作用，需要针对不同的地层采用不同的泥浆，若地质情况复
杂，则对泥浆要求比较高，为了对付不同的情况，需要将采取以下措施：
1）将施工用水存入水罐，在水中加入纯碱，加速粘土颗粒分散,提高水的PH值； 2）按照事先确定好的泥浆配比用一级膨润土加上泥浆添加剂，配出合乎要求的泥浆。
3）根据不同的地质条件，和不同的施工工序,确定加入不同的添加剂。 4）为了确保泥浆的性能，使膨润土有足够的水化时间，在用量不能改变的情况下，将采取增加泥浆储存罐的数量。
5）废泥浆的处理：在焊接场地挖一个废浆收集池，收集废泥浆，经沉淀之后处理；在钻机场地也挖一个的泥浆回收池，泥浆经过回收池沉淀后，再经过泥浆回收系统回收；回收不了的泥浆排送到指定的地方。
2 泥浆在各个施工阶段的配制方法：这些泥浆配制方案都是针对一般土质得出的，若地质条件改变，其配制方案也随之改变：
1）钻导向孔阶段要求尽可能将孔内的物质携带出孔外，同时维持孔壁稳定较长的时间，保持孔内泥浆面,减少阻力,其基本配方是：7—8%预水化膨润土+0.2—0.4%增添剂+0.3%降滤失剂+0.2%固体润滑剂。两端砂层加0.2%单项压力封闭剂
2）预扩孔阶段要求泥浆一定的动切力和良好的流动性,提高泥浆携带能力，其基本配方为：7—8%预水化钠基膨润土+0.2—0.4%提粘剂+0.2%降滤失剂+0.2-0.3%泥浆流变剂。
3）扩孔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；其基本配方如下：7—8%预水化钠基膨润土+0.2—0.3%提粘剂+0.3%降滤失剂+0.4—0.6%的润滑剂（RT—988）+0.2-0.3%泥浆流变剂。
3 泥浆排放
施工时废浆的排放必须符合文明施工要求，采用泥浆排放车，随时处理施工中产生的泥浆。 7 劳动力组织
人员数量及工种安排如表2。
表2 现场施工人员需求表（每台钻机配备）
岗位 项目经理 技术员 施工队长 施工副队长 质检员 安全员 吊机操作手 驾驶员 泥浆工 挖机操作员 机械﹑电工 技工 后勤 职责 负责整个项目的施工质量、进度、安全的控制 负责整个项目的控向等技术操作、资料管理工作 负责全班施工，协调各工序间操作 辅助队长负责全班施工，协调各工序间操作 负责工程质量检查 负责施工安全 操作钻机吊车施工 负责卡车和面包车的驾驶工作 负责泥浆配制 操作挖机 负责维修使机械正常运转 辅助施工 负责后勤保障 人数 1人 2人 1人 1人 1人 1人 2人 2人 4人 2人 1人 6人 1人 8 主要机具设备
主要机具设备如表3：
表3 主要机具设备表
设备名称 水平导向钻机 钻具 导向仪 泥浆车 工程\\运输车 发电机 污水泵 泥浆泵 高压泥浆泵 规格（型号） DL1500 9\"泥浆马达 月蚀 10吨 依维柯\\解放 50KW+130KW 5．5KW（3.5KW） 15KW/7.5KW 949 单位 台 套 套 台 辆 台 台 台 台 数量 1 1 1 1 2 2 4 2 1 生产国（厂）家 南京 廊坊 美国DCI公司 南京 国产 国产、国产 国产 国产 国产 9 质量控制
9.1 易出现的质量问题
易出现的质量问题主要有： 9.1.1管材的环刚度不能保证； 9.1.2 管材的焊接质量缺陷；
9.1.3 定向穿越偏差及泥浆的配置质量不能保证从而导致塌孔。 9.2 保证措施
9.2.1 材料控制
1 各种材料要有产品质保书、出厂检验合格证等，并经我公司检验人员及监理验收合格后方可投入使用。任何未经验收合格的材料不得投入使用。
2 组织专人进行材料采购，按照“质优、价廉、就近、及时”的原则进行。 3 现场材料验收合格后，按照公司有关要求贮存和使用，以确保整个过程中不损坏、不变质和不丢失。
9.2.2 定向钻焊接质量控制
1 焊缝检验合格、钻具及拉管头可靠连接后方可拉管。拉管中耐心细致，注意参数变化，集中精力，发现漏点及损伤要及时修补。
2 为保护补口防腐在拉管时不被破坏，在补口的拉管前进方向一侧增加半个热收缩带，且补口应在拉管前一天完成以保证拉管时补口强度。
9.2.3 定向穿越偏差及泥浆的配置控制
1 水源采用经净化处理后的当地河水，水经过沉淀池沉淀，沉淀之后的水存入水罐，在水中加纯碱，提高水的PH值。
2 根据不同地层，按事先确定好的泥浆配比用一级膨润土加上泥浆添加剂，配出合乎要求的泥浆，粘度控制在40～60s之间。
3 所用的泥浆添加剂有：磺化沥青（降滤失）、聚丙烯酰胺、改性聚丙烯酰胺[提粘]、防塌降滤失剂等。
4 废泥浆的处理：钻机场地内挖一个泥浆回收池，回收不了的泥浆用泥浆罐车及时运输到指定的位置。
5 钻机及配套设备就位准确可靠，导向孔不得急于求快，要认真复核，参数要求准确，偏差要符合规定，司钻、控向等操作人员要按照制定的方案钻进，如有异常及时汇报，必要时征得建设单位同意和支持。钻孔曲线要圆滑，扩孔要耐心细致，且要做好详细记录以便分析复核。 10 安全措施
10.1 主要安全风险分析
10.1.1 由于导向过程中遇到障碍物或信号干扰，容易出现导向偏差太大现象； 10.1.2 管线资料有误及钻孔偏差致使管线损坏； 10.1.3 扩孔器遇障碍引超卡钻；
10.1.4 上钻杆没有到位、钻杆质量缺陷及扭矩、拉力过大引起脱扣或钻杆断裂； 10.1.5 孔内塌方，成孔不好致使拉管阻力过大； 10.1.6 孔内泥浆压力过高引起路面隆起。 10.2 采取的措施
10.2.1 分析确定障碍物位置，修改导向轨迹避开障碍。
10.2.2 立即停止施工，保护现场，通知有关部门，制订补救措施抢修。 10.2.3 用挖机、顶拉式千斤顶把钻杆回拉；减慢回扩速度，必要时换小口径扩孔器回扩。
10.2.4 用挖机、顶拉式千斤顶把钻杆回拉；采用导向钻头在原孔位钻进至出土点，然后重新回扩。
10.2.5 用挖机、顶拉式千斤顶辅助拉管；用挖机、顶拉式千斤顶把已入孔管线拉回，重新扩孔。
10.2.6 挖孔泄压。 11 环保措施
11.1防止环境污染措施
施工现场泥浆专人进行清理、打扫，要及时清理出现场，并运到指定地点。 施工中不使用含有有毒、有害元素的材料。 禁止在施工现场焚烧垃圾。
11.2防止 噪音污染措施
严格控制人为噪音，进入施工现场不得高声喊叫，无故敲打、乱吹哨，限制高音喇叭的施工。
尽量选用低噪音设备和工艺代替高噪音设备和工艺。 12 应用实例 12.1 工程简介
甬绍金衢成品油管道线路施工第五标段定向钻穿越工程，本工程金东段JD029-JD031号桩管线原计划开挖施工，由于考虑到管线需穿过珍珠混养塘、水泥公路和沼泽地，所以施工难度较大，变更方案为定向钻施工。
此穿越里程桩号为（9+890—10+449），穿越处位于金华市金东区鞋塘镇，穿越长度为510m，穿越主管线采用Φ457×9.5 3PE防腐管，并行敷设一条光缆套管，管材采用Φ114×6.4 20#无缝钢管。穿越沿线主要为珍珠混养塘、水泥公路和沼泽地。 12.2 施工情况
根据地质勘查报告及实际穿越地质，本处穿越地质情况主要为⑤强-中风化泥质粉砂岩，其抗压强度较大，通过选用大吨位设备及高强度钻具，严格控制导向等施工措施，自2008年3月开工，5月完工，历时3个月圆满的完成了施工任务。 12.3 工程结果评价
该工程自开始施工至施工过程中，建设方领导及相关政府职能部门领导多次到现场莅临指导，在工期要求紧，施工协调难度大的情况下，保证工期的同时又减少了对附近居民的影响及生态的破坏，并为建设方节约成本近40万元。 12.4 建设效果及施工图片
图17 拉管定向钻孔设备
图18 拉管引孔施工
图19 拉管拖拉施工
图20 拉管拖拉施工
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