PE管水平定向钻穿越深度的探讨

PE管水平定向钻穿越深度的探讨上海燃气工程设计研究有限公司何啸摘要：从两个工况下计算了燃气PE管水平定向钻穿越深度，分析了PE管水平定向钻穿越深度与最大竖向变形的关系，并根据计算确定了水平定向钻穿越深度的范围。逐一分析了在超过最大深度时采取几种常见的措施，最后分析了设计及施工在遇到水平定向钻穿越深度时应注意的问题。关键字：天然气，水平定向钻、PE管、穿越深度、最大竖向变形1、概述在城市天然气工程设计中，由于天然气为新型能源，在原来的城市规划中并未考虑燃气管道的管位，所以天然气管道沿道路敷设时，需要穿越的道路通常已经通车。传统的开挖直埋方式显然会对道路交通造成影响，所以越来越多的工程采用水平定向钻方式穿越道路①。水平定向钻穿越的管材可以采用钢管和PE管，考虑到经济、布管和施工条件等因素，通常采用PE管进行穿越敷设。城市道路下方管线极其复杂,定向钻穿越时往往会与现有管线交叉，为满足规范规定的安全间距要求，穿越深度的选取就非常重要。在《聚乙烯燃气管道工程技术规程》CJJ63-2006中，对于开挖PE管埋设的最小覆土厚度有明确的规定，在车行道下时，不得小于0.9m②。而在《水平定向钻法管道穿越工程技术规程》中提到水平定向钻最小覆土深度应符合各行业的标准的要求，当本行业标准无特殊要求时，最小覆土厚度应符合表1的规定③。表1最小覆土厚度项目最小覆土厚度城市道路与路面垂直净距大于1.5m公路与路面垂直净距大于1.5m；路基坡角地面以下大于1.2m高等级公路与路面垂直净距大于1.8m；路基坡角地面以下大于1.5m铁路路基坡角地表下5m；路堑地形轨顶下3m；零点断面轨顶下6m由此可以得出，PE管的水平定向钻穿越城市道路的埋深保证在1.5m以下就能满足规范的要去。那么，穿越的最小的埋深已经可以确定，而穿越的最大埋深怎么确定呢？众所周知，管道埋在土壤里会受到上方土壤自重的压力，以及道路上驶过的重车的压力，甚至在道路修复或拓宽工程中，会有起重车这样超重卡车长时间滞留在道路上，所以穿越深度越大，承受的上方的土壤重量和荷载也会越大。本文旨在探究各个口径的PE管穿越深度与其最大竖向变形的关系，为工程设计及施工提供一定的帮助。2、计算参数及公式2.1计算参数1）D管道外径0.063-0.315m2）Ed土壤变形模量4.59×106P3）土壤重18.5kN/m3（最不利考虑）4）C荷载系数1.22.2计算公式（1）土荷载F=CHDF---每延米管道上管顶竖向土压力标准值，KN/m（2.2.1）H---管顶到地面的距离，mD---管道外径，m（2）地面荷载qk=P/（C+2Htan30°）（D+2Htan30°）④（2.2.3）qk---地面车辆荷载传递到管顶的竖向压力标准值，KN/m2P---单个轮的压力，取98KNC---汽车轮胎在行车方向的着地长度，取0.2mD---汽车轮胎宽度，取0.6m（3）最大竖向变形Wd,max=DlKb（F+ΨqkD）/（8Sp+0.061Ed）⑤（2.2.3）Wd,max---聚乙烯管道的最大竖向变形，mmWd,max≤0.05DDl---变形滞后效应系数，取1.0Kb---管道变形系数，取0.096Ψ---准永久值系数，取0.5Sp---管材环刚度（N/mm2），取0.008N/mm23、计算结果根据上述公式及参数，将各数值代入至相应的公式中，计算结果见表2：表2管道竖向变形（一）管道口径（mm）0.0630.090.110.160.200.250.31510.791.131.382.012.513.133.9521.131.611.972.873.584.485.6531.532.192.683.904.876.097.6741.972.813.434.996.247.809.8352.413.444.216.127.659.5712.0562.864.095.007.279.0911.3614.3273.324.745.808.4310.5413.1816.6083.785.406.609.6012.0015.0018.9094.246.067.4110.7713.4716.8321.21104.716.728.2211.9514.9418.6723.53最大竖向变形3.154.55.581012.515.75竖向变形埋深由上表可以得出，管道的竖向变形量随着深度的增加而增大，在埋深7米和8米之间会达到管道的最大竖向变形量，而且各个口径的管道几乎是一样的，由此可知，PE管水平定向钻穿越城市道路的最大埋深应为7米，在某些二级公路或者重车较少的路段埋深可以设计为8米。上述计算的地面车辆荷载是普通重车的荷载，而当道路施工时，会有压路机等重车经过，甚至是长期停留在道路上，考虑到上述情况，则道路车辆荷载公式为：qk=0.478IP/H2P---集中荷载，以50吨压路机为例，按500KN计算I---冲击系数，取1.5结合上述公式计算得出结果详见表3表3管道竖向变形（二）管道口径（mm）0.0630.090.110.160.200.250.31514.256.077.4110.7813.4816.8521.2321.882.693.284.785.977.469.4031.822.603.184.635.797.249.1242.113.013.685.356.698.3610.5452.493.564.356.337.919.8812.4562.914.165.097.409.2511.5614.5673.354.795.858.5110.6413.3016.7683.805.436.649.6612.0715.0919.0194.266.087.4310.8113.5216.9021.29104.726.748.2411.9814.9718.7223.58最大竖向变形3.154.55.581012.515.75由上表可以看出，在埋深1米的时候，所有口径的管道竖向变形均超过了改口径下得最大竖向变形，这也符合了规范里要求最小1.5m的穿越深度；而在埋深6米和7米之间也会达到管道的最大竖向变形量，比正常荷载下得工况少了1米，所以在穿越正在施工的道路时，应将穿越深度定为1.5-6m。4、埋深过大时的有效措施经了解，现在大多数城镇水平定向钻穿越道路时的埋深为4-7米之间，基本可以满足上述计算结果的要求。但由于城市地下管线众多，且错综复杂，往往为了避开某些重要管线，不得已只能将穿越深度增大，甚至超过8米的临界线，那么这时可以采取什么措施来防止PE管因上方土壤及车辆的挤压而产生竖向变形导致破裂呢？（1）在穿越管道外侧增设PE套管。在由上表中可以看出，各个口径的PE管在最大埋深的数值上并没有太大的区别，也就是说，这根套管如果也是PE材质的话，它也会因上方的挤压而造成破裂，而芯管则可以暂时受到保护，但经过长年累月的积累，套管因多处破裂而无法支撑时，那么芯管也将受到威胁。所以增设PE套管的措施并不保险，依然可能会有对穿越管道损害的情况发生。竖向变形埋深（2）在穿越管道外侧增设钢制套管。那么由于钢管的特性，在埋深20米情况下都不会超过自身的最大竖向变形，是可以起到保护芯管的作用。但由于钢管穿越的曲率半径较小，并且无法像PE管那样的蜿蜒敷设，所以在短距离穿越道路时钢制套管是无法穿越的。（3）将穿越PE管改为钢管。这应该是最好的一个措施，但由于钢管水平定向钻穿越需安装牺牲阳极，并要求开挖测试井，虽然费用上与增设钢制套管差不多，但施工难度与周期上将会大大的增加。综上所述，在长距离水平定向钻穿越中，在穿越深度较大时，可增设钢制套管，以保护PE管。而在短距离水平定向钻穿越中，可将原穿越PE管改为同口径钢管，这样可以满足上文表中的要求。4、结论燃气管道的水平定向钻穿越方式算是一种新的敷设方式，以前只是用在穿越大型的河流，高速公路等。而如今，在各个城镇中，在遇到无法开挖的情况时，都会采用水平定向钻方式穿越。诚然，水平定向钻穿越在施工周期，经济，对城市交通的影响上有着无可比拟的优势，但由于穿越深度较大，无法做到后期维护等工作，一旦出现问题，后果不堪设想。而现在某些施工队在未探明地下管线的情况下，一味地将穿越深度增大，以避开现有管线。虽然在施工时避免了意外地发生，但危险始终埋在地下，随着时间的积累，随时都会有被挤压破裂的可能存在。本文虽然只是以理论的角度分析了水平定向钻穿越的埋深与最大竖向变形的关系，得出穿越深度应控制在1.5-8m之间，但对于设计和施工依然一定的参考价值。在设计时，应尽量避免将穿越深度设置在临界值附近的数值，并应对穿越现场仔细勘察，包括来往通行的车的种类，道路上是否有重物堆积，并应该咨询有关部门是否有拓宽或者修缮的计划，以此来确定最终的穿越深度。施工时，则应对穿越道路地下管线进行物探和勘探，若遇到无法探明的管线或一些重要的管线时，采取增大穿越深度的方式前应询问设计人员，必要时应组织专家论证，并采取有效措施，将危险停留在萌芽中。参考文献：1.于文才.聚乙烯管应用于定向钻的探讨上海煤气2006年第五期2.《聚乙烯燃气管道工程技术规程》（CJJ33-2008）3.《水平定向钻法管道穿越工程技术规程》CECS382-20144.《公路工程技术标准》JTGB01-20035.《埋地聚乙烯给水管道技术规程》CJJ101-2004