定向钻与顶管施工费用的对比分析
摘要：文章通过实际的案例，对比在施工工艺允许的条件下，定向钻穿越和顶管穿越的施工费用，并得出由此选择穿越工艺的一种思路。
0 前言
由于自然条件的限制，在敷设燃气管道的建设中，不可避免的要穿越铁路、公路、河流、城市街道等特殊地段，这使得非开挖穿越技术的正得到越来越广泛的应用。崇明岛为冲积平原，水网发达，土壤含水量较高，有流沙层，在崇明岛排管过程中非开挖工艺的使用更加广泛。
管道非开挖施工方法一般有3 种：
(1)顶管法；
(2)定向钻法；
(3)盾构法。
其中盾构法施工造价十分昂贵，一般只有在管道需要穿越大型河流或者河流入海口、甚至就是海域范围时，才会考虑采用盾构施工的方式。故在崇明岛上所采用的非开挖工艺主要是定向钻工艺和顶管工艺。为进行定向钻工艺和顶管工艺的比较，在此以崇明岛上鼓浪屿路、港东公路敷设的0.4 MPa 天然气管道为例，该段排管至一条规划河流时，因该河流为崇明岛上的通航河流，不允许开挖，燃气管线穿过该条河流时不得不考虑采用非开挖工艺。工程边界条件为：规划河道现状宽度为15 m，规划蓝线控制宽度40 m；道路与河流交叉处有雨水管、污水管等管线。在分析上述现场条件后，结合崇明岛实际情况可得出以下结论：
(1)通常认为0.4 MPa 主干管网可采用钢管也可采用聚乙烯管。但由于崇明岛为冲积平原，水网发达，土壤含水量较高，非开挖工程铺管，且为海水，含有盐分，容易造成钢管的腐蚀，故在此考虑采用聚乙烯管；
(2)从河道的规划条件分析，穿越长度大约需100 m 左右；
(3)根据崇明燃气规划，穿越管口径为D315 中压聚乙烯管；
(4)因崇明岛目前刚刚开始开发，大部分土地还在为农田，故规划河道两侧有较为开阔的施工场地。
在实际施工中，榆林非开挖工程，定向钻最深可以达到20 m，顶管最深可达10 m。上海崇明地区的土质情况：标高2.0 m 以上一般是现状填土；-1.0~2.0 m 为粉质粘土；-8.0~-1.0 淤泥质粉质粘土；-17.0~-15.0 m 砂质粉土。
根据上述条件，从工艺技术的角度看无论是采用顶管或者定向钻工艺，都可以进行穿越，故设计人员从施工费用角度比较，决定采用何种穿越方式更经济合理。
给排水管道中水平定向钻技术的选择与设计
设计方案及参数的确定主要包括管材的选择与穿越曲线的设计。水平定向钻拖拉法的常用管材为钢管与PE管，这两种管材使用水平定向钻拖拉法的技术、经济比较见表1。
根据钢管与PE管在水平定向钻拖拉法应用中的各自特点，一般情况下两种管材主要的适用场合如下:钢管一般用于施工场地开阔、拖拉距离长的场合;PE管适用于施工场地相对受客观条件限制、拖拉过程中要求更加灵活的场合。相比较而言，PE管在水平定向钻拖拉法中更为常用。
2.3 穿越曲线的设计
穿越曲线的设计是水平定向钻拖拉法设计的核心，通俗地讲就是寻找最理想的钻进路径。拖拉管的穿越曲线由造斜段与水平段组成，图1为水平定向钻拖拉管穿越曲线示意。
水平定向钻拖拉法穿越曲线的设计过程主要如下:
(1)通过对管道的技术、经济比较与论证，并对工程特点进行分析，选择最为适宜的管材。
(2)根据流量及试验压力确定管道的壁厚和管道外径D(m)。
(3)确定拖拉管水平段的埋深h(m)及长度l3(m)。l3一般是穿越障碍物的实际需要长度。拖拉管的覆土需满足以下要求:①穿越公路、铁路、河流时，其覆土厚度满足有关部门专业规
范的要求，当无特别要求时，应符合表2的要求，以及有关专业规范和主管部门的要求;②敷设在建筑物基础一侧时，管道与建筑物基础的水平净距必须在持力层扩散角范围以外，尚应考虑土层扰动后的变化，非开挖工程钻机，扩散角不得小于45°;③敷设在建筑物基础以下时，必须经过验算对建筑物基础不会产生影响后方可确定埋深;④与现有地下管线平行敷设时，扩孔与地下管线水平净距不得小于0.6 m;⑤与现有地下管线交叉敷设时，扩孔与地下管线垂直净距在粘性土中不得小于0.5 m，在砂性土不得小于1.0 m;⑥遇可燃性管道、特种管线，应考虑加大水平净距和垂直
净距。当达不到上述距离要求时，应增设有效的技术安全防护措施。
(4)确定拖拉管的曲率半径。拖拉管的曲率半径包括造斜段(钻杆进入敷管位置的过度段)曲率半径R1及第二造斜段(钻杆钻出地表的过度段)曲率半径R2。拖拉管的曲率半径R通常是由钻杆的曲率半径与管材的曲率半径共同确定的。钻杆的曲率半径Rz由钻杆的弯曲强度所确定，因钻杆制造厂家不同也有差异，通常根据经验取Rz≥1 200Dz(Dz为钻杆外径)，这是保证钻杆不至于过载的转弯限制。
拖拉PE管的曲率半径Rmin(m)为:Rmin=1 000ED/(2σp) (1)式中E———管道弹性模量，MPa;D———管径，m;σp———管道弯曲应力，MPa。通常拖拉PE管的曲率半径大于管材外径的40倍即可，故其曲率半径通常是由钻杆确定。钢管弹性模量较大，拖拉钢管的曲率半径通常是由钢管本身确定。根据经验，拖拉PE管的曲率半径通常取R≥800D～1 200D，拖拉钢管的曲率半径取R≥1 200D～1 500D。
(5)造斜段水平长度l1与l2的确定。造斜段水平长度是由水平段管道埋深h与R确定的。造
斜段水平长度值太大则导致拖拉管总长度增加，进而增加总投资;太小则导致难以达到要求的施工精度，且施工难度、风险增加。根据国内经验，造斜段水平长度值一般为h的8～10倍，国外则高达11倍以上。
(6)入土角α与出土角β的确定。入土角α不宜超过15°，出土角β由导向钻杆及拖拉管材允许曲率半径较大者确定，一般不宜超过20°。
(7)确定入土点A与出土点B。根据水平段埋深h、曲率半径R及入土角α与出土角β等参数可确定距障碍物最近的可能入土点与出土点，得到拖拉管总水平长度L(m)，进而得到拖拉管穿越曲线的实际长度L′(m)。L′可以根据穿越曲线计算，也可以采用经验值L′=(1.02～1.04)L。
(8)拖拉管段回拉力Pt的计算。根据拖拉管的回拉力复核管道壁厚是否满足拖拉要求。拖拉管段的回拉力Pt为:Pt=Py+Pf(2)Py=πD2kRa/4(3)Pf=πDL′f(4)式中Pt———拖拉管段的回拉力，kN;Py———扩孔钻头迎面阻力，kN;Dk———扩孔钻头外径，m，一般为管道外径的1.1～1.4倍;Ra———迎面土积压力，kPa，根据各地土质状况取值不同，如上海地区在护孔泥浆中粘性土Ra取50～60 kPa，砂性土Ra取80～100 kPa;Pf———管周摩阻力，kN;f———管周与土的单位侧壁摩擦力，kPa，根据各地土质状况取值不同，如上海地区粘性土f取0.3～0.4 kPa，砂性土f取0.5～0.7 kPa。拖拉管应进行必要的压力试验，通常包括拖拉管材连接完成后的压力试验以及拖拉管施工完毕后的压力试验，这是确保拖拉管施工质量的重要手段。
3 结语
水平定向钻拖拉法是近年来开始逐渐得到广泛应用的一种非开挖管道施工技术，目前国内尚无相应的国家规范和标准，非开挖工程顶管，其技术仍在不断地摸索与完善之中。水平定向钻拖拉法对于不具备开挖条件的中小口径给排水管道较为适用，也适用于煤气管、各种线缆及其套管穿越障碍物，实用性很强，具备广阔的推广与应用前景。
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