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，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，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。

施工工艺

1、机头选型：

根据地质报告，并结合本公司的施工经验，顶管机头决定采用气压平衡网格（水冲）式机头进行施工。该机头在顶进过程中，通过气压平衡正面土压稳定机头，减少外部土体对周围地面的影响。

2、顶进设备及顶进工艺

（1）主顶：

采用4台200吨/台千斤顶作为主顶，千斤顶行程为1.4米。千斤顶动力由油泵提供。千斤顶后端用道木和分压环将反力均匀作用于工作井，前端顶进分压环，顶铁将顶力传至管节。分压环制作具有足够的刚性，与管端面接触相对平整，无变形。

（2）中继间：

在长距离顶进过程中，当顶进阻力超过容许总顶力时，无法一次达到顶进距离时，须设置中继间分段接力顶进。本顶管工程在顶进长度超过100米时，考虑在机头后设置一只中继间，并采用触变泥浆注浆工艺。

中继间由前壳体、千斤顶及后壳体组成。前壳体与前接管连接，后壳体与后接管连接，前后壳体间为承插式连接，两者间依靠橡胶止水带密封，防止管道外水土和浆液倒流入管道内。

每只中继间安装10个、每个顶力为30吨的千斤顶，千斤顶沿圆周均匀布置。千斤顶的行程为28厘米，用扁铁制成的紧固件将其固定在前壳体上。钢壳体结构进行精加工，保证其在使用过程中不发生变形。中继间壳体外径与管节外径相同，可减少土体扰动、地面沉降和顶进阻力。

当管道顶通以后，拆除千斤顶及各种辅件，外壳与管节内壁之间的间隙用细石混凝土填充。

（3）接口：

管节接口主要由外套环（钢套环）橡胶止水带和软土衬垫组成。钢套环在加工处至现场运输吊装过程中不能变形，接口不损坏，以确保管节在对接过程中，橡胶带不移位、不翻转，确保管节的密封性。同时，钢环套在进场前还必须做好防腐处理。

橡胶止水带应保持清洁、无油污，并存放在阴暗处，防止老化。施工中，将橡胶止水带用强力胶水粘贴于混凝土管口凹槽处，并粘贴牢固，在管节对接前涂无腐蚀性润滑油以减少摩阻，防止止水带翻转、移位和断裂。

软木衬垫采用多层胶合板（厚度1cm左右），将其夹于前后管节钢套环间，以均匀管节间的相互作用力，减少接口损坏。管道顶通后，管道须作内接口处理，将管节间的胶合板凿至同样深度（深度2～3cm即可），并用沥青弹性嵌缝膏或水泥砂浆抹平。

（4）注浆工艺：

在长距离（大于100米）管道顶进过程中，必须采用注浆工艺，利用触变泥浆套减少顶进过程中管壁与土体之间的磨擦力，并填充流失的土体，减少土体变形、沉降和隔水。

触变泥浆由膨润土和水搅拌而成，配合比为1：8。触变泥浆经搅拌后存入储浆箱，通过注浆机经管道输送至混凝土管注浆孔，注入土体形成泥浆套。

非开挖定向钻施工不得不知的问题

非开挖定向钻穿越铺设地下管线技术是指利用钻凿手段在地表不挖槽的情况下，铺设地下管线的施工技术，非开挖技术在我国能源、通信及城市市政工程建设中的应用越来越广泛，尤其是在天然气、成品油、电力、自来水、管棚支护、水平降水等方面都得到了很好的应用。其特有的经济性、环保性以及较短的施工周期得到市场的认可。下面小编对三大工艺遇到的技术问题和大家一起探讨。

硬质土层、砂、卵石层的导向问题

导航钻头的选择

在选择导向钻头前，必须先了解周边地层的地质情况，很多建设单位对小型定向钻施工铺管前，都不采取地质钻探，只能通过长期在这一地区积累一些资料做为参考。当了解这一地段主要是以软地层为主，那么就采用导向板面较大的导向钻头，以尽快控制导航方向，当了解施工段是主要以砂、卵石及硬质地层为主应采用鸭嘴式，板面面积小的导向钻头并镶焊一定数量的合金片，且镶焊刃角不能过长以保护导航钻头的磨损，使其顺利通过硬质地层、砂、卵石层。

开机操作的技巧

当导向钻头穿越砂、卵石层及硬质地层时，想改变轨迹方向时，如果一昧地想顶进，就会产生钻杆弯曲，导向钻头出水口堵塞等情况，根据工作经验，应采用边顶进带回转的操作方法，例如想将方向朝上，那么操作人员就应将给进顶力控制在钻杆将要弯曲时，另一手控制回转手把，使导向钻头方位在11――1方向之间，使导向钻头在这区间左右转动，使其缓慢钻进但效果很好，这种方法一定要注意泥浆的配制，特别砂、卵石难成孔，应配置较大比重泥浆保护孔壁，硬质土层孔壁与导向钻头外径间隙较小，需及时把岩霄排出孔外，防止导向钻头、钻杆抱死。

扩孔中存在的问题

缩径

软土层扩孔，容易产生缩径现象，从表面上看：卸钻杆时，孔内泥浆通过钻杆倒流压力大，说明孔内有缩径现象，此时，扩孔钻头回拉艰难，机械负荷变大，操作不当时可能产生抱钻事故，此时的司钻手操作时应采用轻拉慢转，紧盯仪器表盘，根据情况操作，泥浆师就要选用固相泥浆护壁，使孔内压力平衡，保持成孔。

坍孔

沙质粘土层、沙层、松散回填土层扩孔易坍孔、抱钻、卡钻，严重时可能出现路面裂缝下陷。选用固相泥浆、重胶质固相泥浆护壁。可有效的防止坍孔。如果块石堆积处坍孔，只有将块石清除都方可继续扩孔，此时的司钻手操作方法是：轻拉慢转，密切关注仪器表盘，待扩孔通过坍孔处时，钻头向后推，重新扩孔一次或多次，直至此孔较达到正常扭矩，如发现石头在钻头后部可采用将推向尾部工作坑取出石头。

泥浆漏失或不返浆

在松散的回填土层、地下水位较低、沙质粘土层、沙层、河床底的软土层扩孔，泥浆不从孔口返出，而是从孔内漏失，此时司钻手要适当控制泥浆泵量，泥浆师就要调制：增大泥浆浓度和粘度，在孔壁上形成泥皮阻漏，有效地防止泥浆漏失，在穿越河流时，泥浆漏失严重可在泥浆中加水泥或粉煤灰来控制漏失。

在扩孔或回拖铺管时，常见泥浆从孔内中渗出地面，泥浆渗出的原因一是扩孔、铺管中残留泥浆过多阻塞钻孔，泥浆无法从孔口返出，泥浆在孔内形成高压面从地面渗出；二是当地层松散给泥浆留出通道，