各种回拖力计算方法辨析（经典）.docx

1、各种回拖力计算方法辨析（经典）1、荷拱土压力计算法1.1基本思路与计算公式卸荷拱土压力计算法的基本思路是：穿越管段在回拖过程中受到孔道上方塌落土的压力，管段本身的重量全部由孔底承担，即不考虑浮力作用。孔道上方塌落土的压力根据穿越地层天然卸荷拱的高度进行计算。基本计算公式为：Tma=2P1.+Ka+Pofe1.（31）式中：Tmax穿越管段的最大回拖力（kN）;P单位长度穿越管段所受的土压力（kN/m）;Ka主动土压力系数，一般取0.3;Po单位长度穿越管段重量（kN/m）;fe管壁和孔壁之间的摩擦系数（无量纲，一般取020.3）;1.穿越管段的长度（m）。图3-1管道穿越处土壤卸载拱示意图从（

2、31）式可知，穿越管段的最大回拖力取决于管顶塌落土对管段的压力P和摩擦系数fe的大小。管顶塌落土对单位长度穿越管段的压力P由垂直土压力PV和侧向土压力Ph组成，即P=Pv+Ph.其中，垂直土压力Pv按穿越孔道上方天然卸荷拱以下的垂直土荷载进行计算。同时考虑到泥浆的护壁和对土壤的胶结作用，引入孔壁稳定系数人进行修正。孔道上方天然卸荷拱的高度：2fkp（3-2）h=De1.+tg45o?1.2Pv=veDO=veDODe1.+tg45o?1.2fkp（3-3）2式中：Pv单位长度穿越管段所受的垂直土压力（kN/m）;Ve穿越地层土的容重（kNm3）Do穿越管段外径（m）;De最大扩孔直径（m）;h

3、穿越孔道上方天然卸荷拱的高度（m）;fkp穿越士层的坚实系数，各种土的坚实系数见表3.1;穿越地层土的内摩擦角，=arctgfkp;穿越孔壁的稳定系数（无量纲），根据经验取30.040.0表3-1土壕坚实系数及孔道稳定系数土壤类型坚实系数九P沼泽土、新填土、淤泥等不稔定土TCTBTA.即随着穿越管段被缓慢地拖入扩好的孔内，回拖力不断增加。当穿越管段被回拖至出土点D处，回拖力达到最大，这与工程实践是吻合的。2.2 公式分析公式（311）（315）的力学基础是阿基米德浮力定理和绞盘效应，实际上是净浮力计算法的修正。因此，它们成立的前提与净浮力计算法基本相同：（1）穿越管段在回拖过程中始终处于柔性状

4、态。除净浮力外，孔壁没有对穿越管段产生其它反作用力；（2）导向孔、预扩孔之后的成孔曲线非常理想，只有两个弯点，没有水平或纵向偏移或误差；（3）孔道完全稳定，没有塌孔现象。在实际工程中，以上前提条件除很难完全满足；（4）穿越管段本身总是具有一定刚度，不可能像缆绳一样柔软；穿越曲线不可能绝对平滑、完美，有时会存在多个弯点，孔壁也不可能绝对稳定.因此，在应用公式（3-11）（3-15）时需要根据实际情况进行必要的修正.特别是出现以下情况时，需要慎重处理：1）犹豫操作原因或实际穿越需要（如绕避障碍物、纠偏等），穿越曲线出现多个弯点。此时，需要根据实际穿越曲线采用前推方式逐步对各弯点处的回拖力进行计算，

5、并最终确定最大回拖力；2）穿越的曲率半径偏小（小于800Do）且弯点较多时，钢管的刚度将成为影响穿越的重要因素。此时，回拖力会急剧上升，甚至导致穿越工程失败。因此，有必要严格控制穿越孔道的曲率半径（直达到1200D。以上），尽可能减少孔道的弯曲，并保证扩孔质量；3）穿越地质恶劣，容易出现塌孔现象（如中粗砂、卵石、淤泥等)此时，需要借鉴卸荷拱土压力计算方法对回拖力进行估算。结论通过以上的计算和分析，可以得出：(1)卸荷拱土压力计算法的计算结果都较实际回拖力大，这主要是由于此计算法将扩孔后的卸荷拱土压力全部施加在穿越管段上，且不考虑穿越管段在孔内所受的浮力，因此计算结果偏于安全。这种计算;去较适应

6、于孔壁稳定性较差的地层，如中粗砂和淤泥质土层等.(2)静浮力计算法计算结果变化幅度较大，但当在一些特定的情况下，计算值与实际值又较接近。这主要是由于此计算法只考虑了孔道内泥浆浮力的作用，而完全没有考虑管顶土压力作用在管道上的压力作用。所以这种计算方法较适用于孔壁稳定性较好，且穿越曲率半径较大的工况。适用的地层包括粘土、亚粘土、黄土、岩石层等.(3)绞盘计算法的计算结果都较实际值小，且结果比较稳定，变化幅度不太大.这主要是由于此计算法充分考虑了各弯点的绞盘效应,但未考虑管顶土压力作用在管道上的压力作用。这种计算法由于考虑了弯点的绞盘效应，并且分段计算，所以对于粘土、亚粘土、黄土、岩石层等孔壁稳定

7、性较好的地层适应性比较好。(4)虽然卸荷拱土压力计算法的基本出发点是粘土、亚粘土、黄土、岩石层中存在的卸荷拱作用，但由于水平定向钻穿越的工艺特点和泥浆的护壁作用，此公式不宜用于这些地层的回拖力计算。但对于塌孔可能性较大的砂层、卵砾石层，公式的符合性还是较好，说明泥浆对穿越地质有一定的改良作用.(5)在轨迹曲线和扩孔质量良好的情况下，采用净浮力计算法和绞盘计算法计算回拖力都可以取得较满意的效果。而且，从两种方法的对比可以看出，绞盘效应对估算回拖力的影响客观存在。合理确定净浮力计算法中的各项参数可以使两种计算方法达到等效的水平。实践证明，在水平定向钻穿越施工中，最大回拖力是各种因素(包括地质条件、穿越曲线、扩孔工艺、泥浆性能、管道规格、发送方法等)共同作用的结果.完全的卸荷拱作用或单纯的净浮力作用都不太可能.本文所论述的三种计算方法都是属于估算，对工程施工具有一定的指导意义。其中，绞盘计算法的力学模型和计算结果都与实际工况比较接近，如果穿越曲线出现偏差或需要绕避障碍物，要根据实际穿越曲线用逐点前推的方式对各弯点处的回拖力进行计算，并最终确定最大回拖力.经适当的改进后，对于特定的土层，采用这种方法进行穿越管段的回拖力估算，能够取的比较理想的效果。所以本文推荐在地层适应的条件下，优先使用绞盘计算法估算回拖力。