广州汇隽电力工程设计有限公司 511400
摘要：在城市电缆建设中，存在对市政道路反复开挖的现象，严重妨碍了市区的交通，不仅降低了道路使用寿命，还困扰居民生活，严重破坏了城市整体形象。由于上述原因，不少城市出台市政工程管理要求，新建道路五年内不批准路面开挖工程，因此在电力建设时，水平定向钻技术的应用增长迅速，也逐渐成熟，本文根据实际工程案例分析了长距离水平定向钻技术的应用。
1. 技术工艺
水平定向钻进穿越铺设施工普遍采用：首先钻进导向孔，然后扩孔，最后回拉铺管的施工技术工艺。
导向孔：导向孔钻进一般采用小直径全面钻头，进行全孔底破碎钻进。在钻头底唇面上或钻具上，安装有专门的控制钻进方向的机构。在钻具内或在紧接其后部位，安装有测量探头。钻进过程中，探头连续或间隔地测量钻孔位置参数，并通过无线或有线的方式实时地将测量数据发送到地表接收器。操作者根据这些数据采取适当的技术措施调整孔内控制钻进方向，从而人工控制钻孔的轨迹，达到设计要求。
扩孔：导向孔完成后，必须将钻孔扩大至适合成品管铺设的直径。一般，在钻机对面的出口坑将扩孔器连接于钻杆上，再回拉进行回扩，在其后不断地加接钻杆。根据导向孔与适合成品管铺设孔的直径大小和地层情况，扩孔可一次或多次进行。推荐最终扩孔直径按下式计算：
Ｄ’＝ K1Ｄ
式中：
Ｄ’——适合成品管铺设的钻孔直径
Ｄ——成品管外径
K1——经验系数，一般K1=1.2～1.5，当地层均质完整时，K1取小值，当地层复杂时，K1取大值。
拉管：扩孔完成后，即可拉入需铺设的成品管。管子最好预先全部连接妥当，以利于一次拉入。当地层情况复杂，如：钻孔缩径或孔壁垮塌，可能对分段拉管造成困难。拉管时，应将扩孔器接在钻杆上，然后通过单动接头连接到管子的拉头上，单动接头可防止管线与扩孔器一起回转，保证管线能够平滑地回拖成功。
2工程实例
110千伏草河输变电工程：设计范围从110kV太石站站前新建电缆走廊至市南路口接入110kV草河站，其中在穿越沙湾水道时采用定向钻孔牵引管施工工艺，管材采用9根φ225x20.5mm，2根φ75x6.8mm的PE100 SDR11级聚乙烯管，接口采用热熔接对接，定向钻施工全长约为650米，穿越深度为河床下约6.5米。
图2.1 110千伏草河输变电工程过沙湾水道水平定向钻断面示意图
110千伏清河扩建(含线路)工程：设计范围从110kV清河站站前新建电缆走廊至市南路口接入110kV草河站预留电缆T接点，其中在穿越市桥水道时采用定向钻孔牵引管施工工艺，管材采用9根φ225x20.5mm，2根φ75x6.8mm的PE100 SDR11级聚乙烯管，接口采用热熔接对接，定向钻施工全长约为430米，穿越深度为河床下约7米。
图2.2 110千伏清河扩建(含线路)工程过市桥水道水平定向钻断面示意图
在上述工程可研阶段时，在电缆路径规划设计已将方案上报广州规划局，并获得规划方案同意意见，同时分别获得航道部门、水务部门、桥梁业主单位同意意见，并对穿越河道水平定向钻进行了防洪影响评价报告，经专家评审，水平定向钻穿越河道满足防洪要求，出入点满足河道管理条例，满足施工条件。在设计时，对沙湾水道、市桥水道进行水下地形探测，根据河道深度及淤泥厚度，确定水平定向钻穿越出入钻角度，穿越深度，以满足河道航运要求，提高电缆线路的安全。
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2.1地质情况
地质情况参考沙湾大桥、市桥二桥地质报告，管道施工范围内工程地质层自上而下主要为：
①淤泥层
②粘土
③风化土
本工程定向钻穿越主要通过的地层为粘土及风化土层。
2.2管材使用要求
本工程中采用PE100聚乙烯管材的物理性能符合下列规定：
质量密度：0.94～0.96g/cm3；
短期弹性模量：≧800MPa；
抗拉强度标准值：不小于20.7MPa；
抗拉强度设计值：不小于16.0MPa。
弯曲模量：≧300MPa；
环向弯曲刚度：不小于8kN/㎡
管材允许拉应力按不大于12MPa控制。
定向钻进敷设施工的平壁管采用对接热焊接口，且应符合下列要求：
①对热焊接缝焊接力学性能试验，确保焊缝力学性能不低于母材：
②对接热熔接后应形成凸缘，且凸缘形状大小均匀一致，无气孔、鼓泡和裂缝；接头具有沿管材整个圆周平滑对称的翻边，翻边最底处不低于管材外表面；对接错边量不大于管材壁厚的10%。
2.3 机械回拉力计算
回拉力计算示意图
Pt=Py+Pf
Py=πDk2Ra/4
Pf=πDLf
式中：
Pt—回拉力（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1.1～1.5倍；
D—管道外径（m）；
Ra—迎面土挤压力（kPa）。在护孔泥浆中粘性土Ra 在50～60kPa；砂性土在80～100kPa；
L—管道长度（m）；
f—管周与土的单位侧壁摩擦力（kPa）。粘性土f 在0.3～0.4kPa；砂性土在0.5～0.7kPa；
根据上述条件，考虑本工程实施难度较大，故按最差情况(Ra、f均取最大值，即Ra=100、f=0.7)：
Py= =176.63 kN
Pf= =1314.4 kN(650米水平定向钻)
Pf= =869.53 kN(430米水平定向钻)
(其中0.92为9条管的等效直径，扩孔直径按1.5m考虑)
Pt=Py+Pf=1491.03 kN(650米水平定向钻)
Pt=Py+Pf=1046.16kN(430米水平定向钻)
在地质情况最差的情况下机械回拉力(Pt)约为1491 kN，650米水平定向钻管材回拉力(Pf)约为1314.4kN， 430米水平定向钻管材回拉力(Pf)约为869.53 kN。
2.4管材计算
650米水平定向钻管材回拉力(Pf)在设计时考虑1314.4kN拉力的平均分配至每条管，即每条管受力为F=1314.4kN/9条=146kN。
430米水平定向钻管材回拉力(Pf)在设计时考虑869.53kN拉力的平均分配至每条管，即每条管受力为F=869.53kN /9条=96.6kN。
在工程实例中，根据管材受力情况合理选用管材厚度，以满足回拉力要求。
3.结束语
110千伏草河输变电工程、110千伏清河扩建(含线路)工程电力电缆采用长距离水平定向牵引管的方式分别穿越沙湾水道、市桥水道，是目前广州市电力电缆设计中采用水平定向钻穿越河道距离最长的工程实例。为今后电缆设计采用长距离水平定向钻技术提供了实际设计经验。
论文作者:吴梦宇
论文发表刊物:《基层建设》2016年27期
论文发表时间:2017/1/9
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