淺析定向鉆施工技術(shù)在水利工程建設(shè)中的應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)性

近年來水利事業(yè)快速發(fā)展，對工程施工技術(shù)的要求日益提高，傳統(tǒng)明挖開挖方式在穿越復(fù)雜地層、公路、河流及既有建筑物時(shí)，面臨著施工難度大、環(huán)境影響顯著、綜合成本高等諸多挑戰(zhàn)，定向鉆技術(shù)作為一種先進(jìn)的非開挖施工方法，憑借其高效率、高精度及低擾動等顯著優(yōu)勢，在水利工程領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，對于優(yōu)化工程設(shè)計(jì)、控制建設(shè)投資、推動行業(yè)技術(shù)進(jìn)步具有關(guān)鍵的理論價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

一、定向鉆技術(shù)概述

長期以來，明挖開槽法是管線施工的主要方式，但該方法在穿越河流、建筑物、鐵路、公路及生態(tài)保護(hù)區(qū)等復(fù)雜障礙時(shí)，不但施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，還會對地面交通、周邊環(huán)境及居民生活造成嚴(yán)重干擾，甚至引發(fā)水土流失、生態(tài)破壞等次生問題。

在此背景下，以水平定向鉆（Horizontal Directional Drilling, HDD）技術(shù)為代表的非開挖施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并迅速發(fā)展成熟，HDD技術(shù)通過地表鉆進(jìn)，在地下障礙物下方鋪設(shè)管線，實(shí)現(xiàn)了“非開挖”與“少開挖”的施工目標(biāo)，能夠有效減少對地面活動的干擾與環(huán)境的破壞，完整的定向鉆施工流程通常分為三個(gè)關(guān)鍵階段：

 （1）導(dǎo)向孔鉆進(jìn)階段：施工人員利用安裝在鉆頭內(nèi)部的無線探頭發(fā)出的信號，地面上的手持式接收儀能夠?qū)崟r(shí)追蹤鉆頭的位置、深度、傾角和鉆具面向角等關(guān)鍵參數(shù)，通過對比設(shè)計(jì)軌跡，操作人員可及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)方向，確保導(dǎo)向孔能夠精準(zhǔn)、平滑地穿越障礙物，到達(dá)預(yù)定目標(biāo)點(diǎn)。

 （2）分級擴(kuò)孔階段：導(dǎo)向孔完成后，其直徑通常遠(yuǎn)小于最終管線所需尺寸，因此，需要使用不同直徑的擴(kuò)孔器，在回拉鉆桿的同時(shí)，由小到大逐級對導(dǎo)向孔進(jìn)行反向擴(kuò)孔，直至孔徑滿足管線回拖要求。此階段需根據(jù)地質(zhì)條件選擇合適的擴(kuò)孔器類型，并配置優(yōu)質(zhì)泥漿，以穩(wěn)定孔壁、攜帶鉆屑。

 （3）管線回拖階段：這是將產(chǎn)品管線（鋼管、PE管等）成功敷設(shè)到位的關(guān)鍵一步，將待鋪設(shè)管線通過旋轉(zhuǎn)接頭與擴(kuò)孔器、鉆桿連接后，在鉆機(jī)的持續(xù)回拉力和泥漿的潤滑作用下，將管線平穩(wěn)、勻速地拉入已擴(kuò)大的孔洞中，回拖過程需嚴(yán)格控制速度和拉力，防止管線受損或孔壁坍塌[1]。

二、定向鉆技術(shù)在水利工程中的具體應(yīng)用

2.1倒虹吸工程

    倒虹吸是水利工程中常見的交叉建筑物，當(dāng)渠道與河流、道路等障礙物高程相近時(shí)，通過設(shè)置倒虹吸管，使水流從障礙物下方通過，傳統(tǒng)倒虹吸管施工通常采用大開挖或沉管法，施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，定向鉆技術(shù)為倒虹吸工程提供了全新的解決方案。在某灌區(qū)改造項(xiàng)目中，一條主干渠需要下穿一條高速公路，設(shè)計(jì)采用定向鉆技術(shù)技術(shù)鋪設(shè)一條DN1200mm的鋼管作為倒虹吸管。施工前，通過物探技術(shù)精確探明了高速公路路基下的地質(zhì)情況和既有管線，制定了安全的鉆進(jìn)軌跡。最終，管道在不影響高速公路正常通行的情況下精準(zhǔn)鋪設(shè)完成，確保了灌區(qū)的及時(shí)通水，其非開挖特性顯著降低了對地面交通及周邊環(huán)境的干擾，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著[2]。

2.2大口徑輸水管道穿越工程

在跨流域調(diào)水、城市供水等大型水利工程中，輸水管道常常需要穿越大江大河，采用定向鉆技術(shù)，能夠在河床下部穩(wěn)定地層中鋪設(shè)管道，有效避免了水下開挖、圍堰等高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)，保障了河道行洪安全和航運(yùn)暢通，如：在某南水北調(diào)配套工程中，需要將一條直徑為2.2米的PCCP管道穿越一條寬度超過500米的河流，工程團(tuán)隊(duì)采用大型定向鉆機(jī)，通過精確的地質(zhì)勘察與軌跡設(shè)計(jì)，成功完成了總長680米的穿越任務(wù)，施工期間，河道未受任何干擾，工期比傳統(tǒng)圍堰方案縮短了近60%，且工程質(zhì)量與安全得到了充分保障。此技術(shù)尤其適用于生態(tài)敏感區(qū)，最大限度地保護(hù)了河流生態(tài)系統(tǒng)，達(dá)到工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)的和諧統(tǒng)一。

2.3防汛搶險(xiǎn)與應(yīng)急修復(fù)

在防汛搶險(xiǎn)等緊急情況下，時(shí)間就是生命。當(dāng)?shù)虊纬霈F(xiàn)管涌、滲漏等險(xiǎn)情，或輸水干管發(fā)生爆裂時(shí)，需要快速實(shí)施修復(fù)或搶建臨時(shí)排水通道，定向鉆技術(shù)因其快速部署、高效施工的特點(diǎn)，成為應(yīng)急搶險(xiǎn)的重要手段，如：在某次堤防搶險(xiǎn)中，為迅速降低堤內(nèi)水位，搶險(xiǎn)指揮部決定采用定向鉆技術(shù)在堤防背水側(cè)緊急鋪設(shè)一條大口徑排水管，從設(shè)備進(jìn)場到管道成功回拖并投入排水，僅用了不到48小時(shí)，為后續(xù)的險(xiǎn)情處置贏得了寶貴時(shí)間，充分體現(xiàn)了其在應(yīng)急管理中的巨大價(jià)值。其機(jī)動靈活的作業(yè)方式，使其成為現(xiàn)代智慧水利和韌性防災(zāi)體系中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

三、成本經(jīng)濟(jì)性對比

成本經(jīng)濟(jì)性是項(xiàng)目決策的核心依據(jù)，不能僅看直接工程費(fèi)，而應(yīng)綜合考慮直接成本、間接成本和社會成本。

3.1傳統(tǒng)開挖法

    直接成本：主要包括土方開挖、運(yùn)輸、回填費(fèi)用，溝槽支護(hù)（如鋼板樁）費(fèi)用，地基處理費(fèi)用，以及降水、導(dǎo)流、圍堰等特殊措施費(fèi)用，在復(fù)雜地段，這些費(fèi)用非常高昂。

   間接成本與社會成本：這是傳統(tǒng)方法成本被嚴(yán)重低估的部分，包括：（1）交通疏解成本：因施工導(dǎo)致的道路封閉或改道，產(chǎn)生的交通管制、繞行補(bǔ)償?shù)荣M(fèi)用。（2）環(huán)境影響成本：施工揚(yáng)塵、噪音、水土流失對周邊環(huán)境造成破壞，其治理和補(bǔ)償費(fèi)用。（3）地面設(shè)施恢復(fù)成本：對開挖破壞的路面、綠化、管線等進(jìn)行的修復(fù)費(fèi)用，往往比新建成本更高。（4）征地拆遷成本：大面積的作業(yè)面可能需要臨時(shí)征地，甚至涉及拆遷。（5）工期延誤成本：因效率低下導(dǎo)致的工期延長，會增加管理成本、財(cái)務(wù)成本和機(jī)會成本，此外，長期的社會負(fù)面效應(yīng)，如對周邊商業(yè)活動的沖擊、居民生活質(zhì)量的下降，雖難以量化，但構(gòu)成了巨大的隱性社會成本，影響項(xiàng)目的社會接受度和公共形象[3]。

3.2定向鉆技術(shù)

    直接成本：主要包括設(shè)備租賃/折舊費(fèi)、鉆具消耗費(fèi)、泥漿材料費(fèi)、專業(yè)技術(shù)服務(wù)費(fèi)等。對于短距離、小直徑管道，其單位直接成本可能略高于傳統(tǒng)開挖。但隨著穿越距離增加、直徑增大、地質(zhì)和環(huán)境復(fù)雜性提高，其直接成本優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，這是因?yàn)槠涑杀緲?gòu)成相對固定，受外部干擾因素少，成本可控性高。

    綜合經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢顯著：定向鉆技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在對間接成本和社會成本的大幅削減上：

    （1）節(jié)約恢復(fù)與補(bǔ)償費(fèi)用：由于地表破壞極小，幾乎無需支付高昂的路面修復(fù)、綠化補(bǔ)植和交通疏解費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了“微創(chuàng)施工”。

    （2）規(guī)避征地拆遷難題：作業(yè)面小，通常只需入土點(diǎn)和出土點(diǎn)兩個(gè)小區(qū)域，有效避免了復(fù)雜的征地拆遷程序和巨額補(bǔ)償，極大簡化了項(xiàng)目前期工作。

   （3）降低環(huán)境治理成本：施工過程封閉，泥漿可循環(huán)使用，有效控制了揚(yáng)塵和噪音，環(huán)保投入低，符合綠色施工和可持續(xù)發(fā)展的理念。

   （4）縮短工期帶來的效益：工期的大幅縮短直接降低了項(xiàng)目管理、設(shè)備租賃和人力成本，更重要的是使工程提前投產(chǎn)，提前發(fā)揮效益，其時(shí)間價(jià)值和經(jīng)濟(jì)回報(bào)巨大。

   （5）降低風(fēng)險(xiǎn)成本：安全事故的減少，意味著潛在的事故賠償和停工損失風(fēng)險(xiǎn)降至最低，同時(shí)，減少了對既有管線的擾動風(fēng)險(xiǎn)，避免了次生災(zāi)害的發(fā)生。

綜合來看，在穿越河流、公路、鐵路、建筑物以及環(huán)保要求高的區(qū)域，定向鉆技術(shù)的綜合成本（直接+間接+社會）遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)開挖法，其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢隨著工程難度的增加而愈發(fā)突出，它不但是施工技術(shù)的革新，更是項(xiàng)目全生命周期成本管理理念的實(shí)踐，為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和更新提供了更具前瞻性和經(jīng)濟(jì)性的解決方案[4]。

  四、結(jié)語

    定向鉆施工技術(shù)憑借其精準(zhǔn)的導(dǎo)向控制、高效的施工流程、可靠的工程質(zhì)量保障、優(yōu)越的安全性能以及顯著的綜合成本效益，在水利工程建設(shè)中展現(xiàn)出傳統(tǒng)開挖施工無法比擬的巨大優(yōu)勢，它不但是一種施工方法的革新，更是一種先進(jìn)的建設(shè)理念的體現(xiàn)，即以技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動工程建設(shè)向更高效、更安全、更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。

文章來源：《產(chǎn)品可靠性報(bào)告》http://www.00559.cn/w/kj/32519.html