PE管材因其固有的諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于燃?xì)夤こ?。傳統(tǒng)敷設(shè)PE管材均是采用開(kāi)挖的方法，對(duì)城市交通、環(huán)境等帶來(lái)不良影響。而PE管水平定向鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。該技術(shù)相對(duì)于鋼管定向鉆施工技術(shù)起步較晚，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)目前也不夠完善，因此對(duì)該技術(shù)的探討也持續(xù)不斷。本文從對(duì)回拉PE管材受力分析的角度，提出一些改進(jìn)PE管水平定向鉆進(jìn)技術(shù)的措施，并列舉了該技術(shù)存在的問(wèn)題。
　　
　　1定向穿越回拉過(guò)程中總的回拉力
　　
　　在PE管材回拉過(guò)程中，管材承受摩擦拖動(dòng)阻力（由管材和鉆孔或泥漿之間的摩擦拖動(dòng)、地面上的摩擦拖動(dòng)產(chǎn)生）、沿鉆道彎曲產(chǎn)生的“絞盤(pán)力”、流體動(dòng)力學(xué)拖力產(chǎn)生的流體阻力等。根據(jù)美國(guó)塑料管協(xié)會(huì)PPI資料，其受力計(jì)算公式如下：
　　
　　Fp=fWBL（1）
　　
　　式中Fp——摩擦拖動(dòng)阻力，N
　　
　　f——管材與鉆探泥漿之間的摩擦系數(shù)（一般取0.25）或管材與地面之間的摩擦系數(shù)（一般取0.40）
　　
　　WB——單位長(zhǎng)度管材豎直方向上的合力，N/m
　　
　　L——管材長(zhǎng)度，m
　　
　　Fc=efβfWBL
　　
　　式中Fc——絞盤(pán)力，N
　　
　　e——自然對(duì)數(shù)的底數(shù)，e=2.71828
　　
　　β——管材的彎曲角度，rad
　　
　　      式中FHK——流體阻力，N
　　
　　p——流體壓力，Pa
　　
　　DH——鉆孔直徑，m
　　
　　DOD——管材外徑，m
　　
　　FT=Fp+Fc+FHK（4）
　　
　　式中FT——總回拉力，N
　　
　　2軸向拉伸應(yīng)力及扭應(yīng)力
　　
　?、佥S向拉伸應(yīng)力
　　
　　實(shí)際考慮問(wèn)題時(shí)，應(yīng)保證zui大的軸向拉伸應(yīng)力不超過(guò)管材的安全拉伸強(qiáng)度。zui大的軸向拉伸應(yīng)力等于由回拉摩擦拖動(dòng)阻力、流體阻力在管材中產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力和由于管材彎曲產(chǎn)生的彎曲拉伸應(yīng)力的總和。根據(jù)美國(guó)塑料管協(xié)會(huì)PPI資料，回拉過(guò)程中管材壁中的拉伸應(yīng)力計(jì)算公式如下：
　　
　　式中σT——軸向拉伸應(yīng)力，Pa
　　
　　δ——管材壁厚，m
　　
　　ET——隨時(shí)間變化的拉伸模量，Pa
　　
　　R——管材在鉆孔中的彎曲半徑，m
　　
　　②扭應(yīng)力[1]
　　
　　在擴(kuò)孔和回拉階段，可采用一個(gè)分動(dòng)器（或稱(chēng)旋轉(zhuǎn)接頭）將旋轉(zhuǎn)的擴(kuò)孔鉆頭與被拉的管材隔開(kāi)，減小扭應(yīng)力。對(duì)于SDR值等于7～17的厚壁高密度PE管，由于使用了分動(dòng)器，使得管材上的扭應(yīng)力很小，不需進(jìn)行詳細(xì)的工程分析。
　　
　　3PE管定向鉆進(jìn)施工中宜采取的優(yōu)化措施
　　
　?、贉p小f
　　
　　減小摩擦系數(shù)廠，即要在施工中減小管材與地面及鉆壁泥漿之間的摩擦，采取的方法有：a.地面上管道放在滾軸上拖動(dòng)，既可防止管壁損傷又可減小摩擦阻力。b.鉆進(jìn)線路盡量筆直。c.盡量采取連續(xù)回拖（只需克服動(dòng)摩擦力），減少間斷回拖（需克服zui大靜摩擦力）。d.回拉過(guò)程中注意保持穩(wěn)定的泥漿環(huán)流。e.保證在泥漿固化之前完成回拉任務(wù)。f.合理選用泥漿，確保鉆孔不塌陷，以減少在回拖過(guò)程中管道上的摩擦阻力。泥漿的配制在各個(gè)階段應(yīng)有不同的側(cè)重點(diǎn)，在擴(kuò)孔回拖階段要求泥漿應(yīng)具有很好的護(hù)壁、攜帶能力，同時(shí)還應(yīng)有很好的潤(rùn)滑能力，以減小摩擦阻力和力矩。
　　
　　②減小WB
　　
　　在鉆孔無(wú)塌陷、不存在土柱載荷的情況下，WB主要指管材自身重力及其在鉆孔中受到浮力的合力。因高密度PE管的密度與水相近，如果采取封閉的拉管頭進(jìn)行“干法”敷管，管柱會(huì)上浮至鉆孔的上方，由于浮力以及潤(rùn)濕性的黏土與管間的摩擦，管柱將受到側(cè)向載荷和摩擦阻力的作用。如果采用開(kāi)式拉管頭進(jìn)行“濕法”敷管，管柱中會(huì)充滿水（鉆進(jìn)泥漿更好），受到的豎直方向上的合力會(huì)急劇降低，總摩擦力可降低到低于PE管柱重量的10%[1]。因此，為減小WB，實(shí)際上采用濕法鉆進(jìn)更為合理。但對(duì)于輸送燃?xì)庥肞E管材而言，一般情況下管徑較小，因此在鉆孔中所受到的浮力也不會(huì)很大，并且采用濕法鉆進(jìn)施工完畢后還需要對(duì)管材內(nèi)部進(jìn)行處理，所以在確?？偫鞈?yīng)力小于管材安全拉伸強(qiáng)度的情況下，建議盡可能采用干法拖管。
　　
　?、蹨p小β（即增大R）
　　
　　減小β，在工程實(shí)踐中主要表現(xiàn)為對(duì)入、出土角α1、α2的控制，α1、α2愈小，β愈小。本文建議按圖1所示方案，在場(chǎng)地允許的情況下，合理選擇工作坑的位置，盡量利用開(kāi)挖距離較長(zhǎng)的下管工作坑替代第二曲線段（PE管曲率半徑≥125倍的管材外徑），使α2約等于零，在出土工作坑內(nèi)的管材拉伸應(yīng)力即可減至zui小。影響管材拉伸應(yīng)力的就只有*曲線段了，入土角取決于鉆桿曲率半徑（≥75m）[2]，按曲率半徑75m計(jì)算的α1約為20°，因此本文建議合適的α1取值宜為0°～20°[3]。
　　　　④減小p及DH
　　
　　流體壓力p與泥漿黏度及其流量有較大關(guān)系。在定向鉆施工中，泥漿黏度具有重要意義，施工現(xiàn)場(chǎng)每2h應(yīng)對(duì)泥漿黏度觀測(cè)一次。此外，按美國(guó)塑料管協(xié)會(huì)PPI資料，建議回拉速度為5.08～10.16mm/s，據(jù)此還應(yīng)合理選擇泵的輸送量，并采用勻速拉管，以保持穩(wěn)定的泥漿環(huán)流，這樣可避免出現(xiàn)孔內(nèi)瞬間真空現(xiàn)象從而造成孔內(nèi)坍塌。按上述要求控制好泥漿黏度及其流量，即可減小p的影響。
　　
　　擴(kuò)孔直徑DH不是越大越好，只要能使鉆孔容納所要敷設(shè)的管道即可，從減小流動(dòng)阻力方面來(lái)看，DH也是愈小愈好。擴(kuò)孔直徑還應(yīng)根據(jù)地層條件和管道類(lèi)型確定，對(duì)于回拉PE管材而言，擴(kuò)孔直徑宜為敷設(shè)管道外徑的1.2～1.5倍，也可按表1選用[3]。
　　　　
　　4對(duì)回拉管材長(zhǎng)度及回拉時(shí)間的控制
　　
　　以上針對(duì)如何減小管材的拉伸應(yīng)力作了分析。即使?jié)M足了上述條件，還應(yīng)關(guān)注回拉管材長(zhǎng)度及回拉時(shí)間對(duì)拉伸應(yīng)力的影響。由公式（1）至（4）可知，總回拉力近似為管材長(zhǎng)度的線性函數(shù)，因此要使總拉伸應(yīng)力不大于管材的安全拉伸強(qiáng)度，就要保證回拉管材的長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)。上述公式均為理論上的近似計(jì)算公式，實(shí)際施工中鉆機(jī)拖力的大部分被施加到擴(kuò)孔設(shè)備、工具的切削面上，很難預(yù)測(cè)總的回拉力中的多大比例傳遞到被回拖的管線上，因此如何讓總拉伸應(yīng)力在要求的范圍內(nèi)以確保回拉管材安全，是工程實(shí)踐中必須解決的問(wèn)題。本文*使用軟接頭的辦法，即在回拉管線前端接入一段軟接頭，見(jiàn)圖1。該軟接頭預(yù)設(shè)的斷開(kāi)拉力應(yīng)小于被拉管材的安全載荷，此安全載荷按CJJ63-2008《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》的要求，相應(yīng)拉伸應(yīng)力限值取管材屈服拉伸應(yīng)力的50%。增加軟接頭后，無(wú)論發(fā)生什么情況，都能確保管材的拉伸應(yīng)力在要求的范圍內(nèi)。
　　
　　由于PE管材具有蠕變特性，即PE管的安全牽引載荷與時(shí)間有關(guān)，在短時(shí)間內(nèi)作用屬安全載荷，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的拉管施工未必合適。軸向拉伸應(yīng)力沿著拉管長(zhǎng)度增加，在拖拉頭部的拉伸載荷作用時(shí)間zui長(zhǎng)，管材尾部受力為零，受力時(shí)間也為零。若能在24h內(nèi)完成回拖任務(wù)，一般能保證拖拉頭伸長(zhǎng)較少，避免PE管線的破壞。美國(guó)塑料管協(xié)會(huì)PPI資料提供了燃?xì)釶E管材允許的安全牽引載荷（安全回拉力），部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表2。PE管材在回拉完成后，其彈性應(yīng)變會(huì)很快恢復(fù)，粘彈性伸長(zhǎng)將會(huì)記憶住敷設(shè)管段的原始長(zhǎng)度。過(guò)一夜后，伸長(zhǎng)恢復(fù)和溫度達(dá)到平衡狀態(tài)的熱收縮可能會(huì)導(dǎo)致拖拉頭退回到鉆孔出口內(nèi)。為防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，在回拉完成后還應(yīng)將管頭拉出一段長(zhǎng)度，約為管材總長(zhǎng)度的3%。還可以對(duì)多拉出來(lái)的管材在清洗后檢查是否產(chǎn)生刮痕，檢查標(biāo)準(zhǔn)按CJJ63-2008《聚乙烯燃?xì)夤艿繲程技術(shù)規(guī)程》的第5.1.1條，管材表面劃傷深度不應(yīng)超過(guò)管材壁厚的10%。
　　
　　表2HDPE管材的安全牽引載荷（24h）
　　
　　5存在問(wèn)題及建議
　　
　　5.1存在問(wèn)題
　　
　　盡管PE管定向鉆施工技術(shù)已發(fā)展多年，但由于缺乏相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，目前對(duì)PE管定向鉆進(jìn)工程的設(shè)計(jì)、施工及質(zhì)量的評(píng)判只能參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。但在實(shí)際工作中參考這些相關(guān)規(guī)范時(shí)卻發(fā)現(xiàn)有一些矛盾之處，列舉如下：
　　
　?、侔碈JJ33-2005《城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉銽程施工及驗(yàn)收規(guī)范》第2.5.1條及CJJ63-2008《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》第6.2.6條的要求，埋設(shè)燃?xì)夤艿赖难鼐€應(yīng)設(shè)計(jì)示蹤線（帶）和警示帶。定向鉆進(jìn)施工中解決示蹤線（帶）的問(wèn)題比較容易，只要將示蹤線用膠帶捆綁后隨管回拉即可，但對(duì)于警示帶的敷設(shè)卻無(wú)法實(shí)施。雖然定向鉆進(jìn)的PE管埋地較深（多為3～5m），但現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)并未明確較大埋深的燃?xì)夤艿朗欠窨梢匀∠編Х笤O(shè)。
　　
　?、贑JJ33-2005《城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉涔こ淌┕ぜ膀?yàn)收規(guī)范》第7.1.11條和CJJ63-2008《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》第7.1.2條，均要求PE管材在回拉前應(yīng)預(yù)先對(duì)連接好的管段進(jìn)行強(qiáng)度和嚴(yán)密性試驗(yàn)。但在實(shí)際施工過(guò)程中，受場(chǎng)地影響，對(duì)回拉管道預(yù)先連接確有困難（除非采用盤(pán)管敷設(shè)），工程實(shí)踐中只能采取分段焊接、分段回拉的方法完成施工任務(wù)，因此無(wú)法預(yù)*行強(qiáng)度和嚴(yán)密性試驗(yàn)。
　　
　?、跜JJ63-2008《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》第6.2.7條提供了計(jì)算PE管材允許回拉力的公式，表示回拉力只與管徑及壁厚有關(guān)，實(shí)際上該公式忽略了PE材料的差異性以及PE管材的蠕變特性等因素的影響，因此采用該公式計(jì)算具有一定的片面性，需進(jìn)一步修正。
　　
　　5.2建議
　　
　　燃?xì)庥肞E管定向鉆進(jìn)施工中還存在凝水缸如何設(shè)置、分段焊接回拉施工過(guò)程中如何加設(shè)套管、局部地段的管基如何處理、以及對(duì)地下水的腐蝕性評(píng)價(jià)（尤其對(duì)溫泉地帶）等諸多問(wèn)題，需要業(yè)內(nèi)人士共同研究并探討。
　　
　　建議應(yīng)盡快出臺(tái)有關(guān)燃?xì)庥肞E管定向鉆進(jìn)施工的專(zhuān)業(yè)性規(guī)范，以改變目前設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收無(wú)據(jù)可依的局面，進(jìn)而推進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)在燃?xì)夤こ讨械陌l(fā)展及應(yīng)用。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　
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