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1、http:/ 某通信工程中的非开挖水平定向钻进技术应用探讨 熊勃 隆威 （中南大学勘察与基础工程研究所，长沙 410083） E-mail：lsh_ 摘摘 要要： 非开挖水平定向钻进技术在通信工程中的应用越来越多， 施工中经常产生的事故 包括：卡管、拉管设备不良等，本文对其原因进行了分析，并提出了在扩孔头与拉管头之间 加上铁罩、选择最优泥浆压力等解决方法。 关键词关键词： 水平定向钻进，卡管，泥浆，铁罩 1 引言 1 引言 非开挖水平定向钻进技术是按照设计的钻孔轨迹（一般为弧型） ，采用定向钻进技术先 施工一个近似水平的先导孔， 待先导孔钻具在被穿越障碍物的另一侧露出后， 卸下导向钻头 换上大
2、直径的扩孔钻头进行两次或三次反向扩孔， 最后卸下扩孔钻头换上待铺设的管线， 将 其拉入钻孔，完成铺管工作（如图所示） 。由于非开挖水平定向钻进具有不破坏环境、不 套洗钻管 导向钻杆 钻头 设计的钻孔轨迹 （ ）钻进先导孔 套洗钻管扩孔头 回拉钻杆 （ ）扩孔 成品管道 扩孔头 回拉钻杆 旋转接头 拉管头 （ ）回拉铺管 图 非开挖水平定向钻进施工顺序 1 http:/ 影响交通、施工周期短等优点，近年来，它广泛应用于通信工程中的管道铺设。 2 水平定向钻进技术基本原理 2 水平定向钻进技术基本原理 采用水射流和鸭嘴式钻头（斜面钻头）成孔，高压水射流切割土层，同时起冷却钻头和携带 钻屑作用。斜面
3、钻头用来控制钻孔轨迹方向，若同时给进和回转钻杆，斜面失去方向性，实现直 孔钻进；若只给进不回转，通过斜面的反力，使钻头改变方向，实现造斜钻进。在钻进时，孔底 探头发出电磁波信号，地面上的导向仪接收孔底探头发出的信号，并显示探头深度、倾斜度、工 具面向角等参数，供操作人员掌握孔内情况，并随时按设计的钻孔轨迹进行调整。 3 应用于通信工程中的几个关键技术问题3 应用于通信工程中的几个关键技术问题 非开挖水平定向钻进应用在通信工程的管道铺设中,管线回拉是最容易出现事故的环节,这其 中有两种反复出现的事故类型：拉管设备不良与卡管1。 （1）对拉管设备不良来说，许多钻进事故都发生在拉管设备的缺陷部件或不
4、当安装的部件。连钩 的强度通常被过高的估计，而用于回拉过程的连钩尺寸通常又太小，这就导致旋转头和连钩是最 有可能发生事故的地方。故在非开挖设备中所有的部件均应具有适当的安全系数，要对所有部件 定期保养，并在每次回拉作业之前进行全面检查，回拉设备的组装要有专业人员监督以确保在这 一阶段避免组装错误和部件损坏。 （2）在回拉过程中，如果所需的实际拉力超过了所使用设备的最大拉力，管子停止前进则可认为 发生了卡管事故。分析其原因，不外乎两个： 其一，当扩孔完成以后泥沙卵石等密度较大的碎屑逐渐回落到钻孔的底部堵塞了钻孔导致卡 管2。在许多工程中，由于岩屑清除不充分，导致生产管承受的摩擦阻力较大，阻力会逐
5、渐增加， 直到最后达到钻机的最大拉力，导致卡管。管壁和孔壁的摩擦力W可由下式表示： LfPKPW a +=)1 (2 0 （1） P土对每米管道的压力（kN/m） ； a K主动土压力系数，一般取 0.3； 0 P每米管道的重量（kN/m） ； f管道和孔壁之间的摩擦系数（0.20.6） ； L管道长度（m） 。 由式（1）可以看出，W主要取决于土对管的压力P和摩擦系数的大小。土对管的压力由垂直f 2 http:/ 压力和侧向压力组成（ v P h PP=+） ，其大小主要与土层的性质和导向孔的曲率有关，一 般可按所铺管线直径 12 倍高度土的重量计算，侧向压力可按下式计算： v P h P
6、v P h P vh PP= tg2（450+/2） （2） 土层的内摩擦角（0） 。 砂层的粘聚力小，对管的压力大，同时砂石的摩擦系数也大，造成W的值很大以至超过钻机的最 大拉力形成卡管。解决这个问题的主要办法是选用优质泥浆护壁，泥浆不仅可防止孔壁坍塌，还 有一个重要的作用是可以减少管壁和孔壁之间的摩擦系数。一般选用优质的膨润土制备泥浆，视 地层条件也可在泥浆中加入适量的聚合物。 其二，当拉力突然增大时，钻孔一些区段突然坍塌。一个特别敏感的区域是介于扩孔器与回 拉头之间的区段，这种现象通常可在不稳定卵砾石层观察到。如何解决这个问题呢，实践证明： 在卵砾石层中，如在扩孔器与回拉头之间的区域加上
7、一个铁罩对于防止卡管很有帮助，但是这一 做法导致回拉设备各部件的组装较困难，维修不方便。另外，在粘土层中，用同一直径的筒状扩 孔器扫一次孔（清除岩屑）也非常有效。 （3）在软土层钻进中，由于软土具有很低的力学强度，饱和度高，流变性强，具有较高的侧压力 系数，一般大于 0.6，在施工中通常发生缩孔和上覆土体隆起等事故，导致孔内泥浆的不良循环、 泥浆压力的分布规律反常，给整个孔壁稳定造成危害。根据芬纳公式可知，增加泥浆压力可减小 软土孔壁的缩孔，泥浆压力达到一定值时，钻孔孔壁处于全弹性状态，此时泥浆压力为最优泥浆 压力。其计算公式如下： i pp=（1-sin）-c cos （3） p为静止上覆土
8、压力，kPa。从式（3）可以看出钻孔越深对钻孔的稳定性越不利，土的c、 值越大对钻孔越有利，最优泥浆压力的选择与孔径大小无关3。 （4）值得注意的是，由于非开挖工程经常在交通繁忙的地段施工，如何摆管将直接关系到工程的 成败。至于如何解决，由于场地条件各不相同很难提出普遍适用的解决方案，一般根据现场情况 采取由一名工人牵引管的一头，管的另一头绑在小货车的车厢上，货车倒退推动管，同时管 另一头的工人牵引管使之沿合适的路线前进，直到小货车差不多倒退到了孔口附近，再由工 人把管摆放到孔口。 4 某通信工程非开挖实例 4 某通信工程非开挖实例 4.1 工程概况4.1 工程概况 4 4 广州宽带主干网是广
9、州市重点工程，其中管道铺设工程在人街道上一般采用明挖开沟，横过 道路则一般采用非开挖。本工程位于黄洲大桥南，穿越科韵路，道路两侧为人行道中间是绿化带。 3 http:/ 拟采用一台 （套） 美国先进的的 Ditch Witch JT2720 March 1 水平定向钻机、 Subsite 950R/T 地下管线探测仪和 750R 电子轨迹导向仪进行施工。本工程具有以下特点： （1）交通流量大。地处广州城市中心闹市区，人口密集，交通繁忙，摆管困难。 （2）地下管线众多。场地内地下埋有自来水管、煤气管、电力电缆、市政排污管等，各管线埋设 错综复杂。 （3）文明施工要求高。不能破坏场地道路、绿化植被
10、，泥浆不能污染环境。 4.2 采取的技术措施 4.2 采取的技术措施 （1）本工程采用 Ditch Witch JT2720 March 1 水平定向钻机进行施工，施工时，先按设计入 土角度调整钻架的倾斜度， 第一杆钻进直孔， 第二杆开始按每根钻杆的设计倾斜度进行造斜钻进， 每根钻杆的倾角改变量不准超过 6%。探测员用导向仪进行钻孔轨迹同步跟踪，并通过导向仪所 反馈的信息指挥钻机操作员进行对钻孔轨迹的方向控制。每钻完一根钻杆由记录员记录钻孔轨迹 各数据参数，并在地面上用油漆做出实际轨迹的平面位置标记。钻机操作员做好钻进参数（钻速， 扭矩，推或拉力，泥浆流量）记录。 （2）扩孔的孔径一般为要回拖
11、管道的外径的 1.21.5 倍。本工程一次回拖 4 根外径140 的 PE 管（排列捆绑在一起的外径约为 400 或 420mm） ，设计扩孔直径为 600mm，进行三级扩孔，即按 250mm、450mm、600mm 的直径顺序扩孔。在扩孔的同时要不断向孔内泵入泥浆。泥浆的作用主 要是：护壁；冷却钻具；排渣；切削泥土；润滑减阻。不同地层使用不同的泥浆配比，通过调整 泥浆的粘度、比重、失水量、和稳定性，达到护壁、防坍塌等效果。本工程使用泥浆马氏粘度值 为 40s/qt。 为使膨润土的膨化效果更好， 可加入适量的小苏打粉， 使其 PH 值保持在 89 的范围内。 泥浆的使用量以孔口有泥浆流出为宜，
12、其配比要根据实际情况进行调整，以满足钻孔的需要又不 至于造成浪费。泥浆的压力按前述公式（3）进行调整。从孔口排出的泥浆应及时用专车运送到指 定地点以免污染环境。当钻孔扩至设计直径后，将 PE 管连接在扩孔钻头后面，回拖至入土坑， 完成铺管工作。 （3）本工程曾两次发生卡管事故，分析其原因认为是钻孔在扩孔头与回拉头之间坍塌，后来在扩 孔器与回拉头之间的区域加上一个铁罩(如图所示)，铁罩厚度并没有特别要求，以利于焊接为 回 拉 钻 杆 扩 孔 头 铁 罩 拉 管 头 旋 转 接 头 图 回拉铺管时的钻具组合 准，由于有了铁罩的保护作用，施工顺利完成。同时，由于该工程位于交通繁华路段摆管较难， 4
13、http:/ 采取前述方法，由小货车推动，同时工人在另一头牵引，顺利摆管。 5 结论 5 结论 非开挖水平定向钻进技术在通信工程中的应用事故集中表现在：回拉设备的缺陷和对地层条 件了解不够以及如何摆管的问题。通过采取一些简单的措施，如确保回拉设备的部件具有正确的 尺寸并得到正确的维护；选用优质泥浆护壁并正确选用泥浆压力；卵石层中作业时给回拉设备加 上一个铁罩；在粘土层中作业认真清孔；根据场地条件因地制宜制定摆管方案是可以避免各种问 题和事故的。本工程运用上述技术手段很好的解决了施工中存在的问题。实践证明，在大多数情 况下，尤其是在繁华市区或管线埋设较深时，非开挖是明挖施工的极好替代方法；在特殊
14、情况下， 例如穿越公路、铁路、河流、建筑物等，非开挖施工更是一种唯一经济可行的施工方法。 参考文献参考文献 1 Rudiger Kogler，刘海翔从评价师的观点看水平定向钻进的主要风险因素非开挖技术，2003（23） ： 7779 2 刘刚，流砂地层的非开挖导向钻进工法探讨，探矿工程-岩土钻掘工程，20051：3234 3 李斌，李巨龙等水平定向钻进铺管水平孔段软土孔壁稳定性分析岩土工程技术，2005（2） ：8486 4 广州宽带主干网络通信顶管工程建设项目施工方案，广州市恒盛建设工程有限公司，200206 The Study of No Dig Horizontal Direction
15、DrillingTechnology in One Communication Engineering XIONG-BO LONG-WEI (Reconnaissance and Foundation Engineering Institute,Central South University, Changsha 410083 China) Abstract No dig horizontal direction drilling technology is more and more used in communication engineering,the accident usually
16、 occur in consruction includes:pipe locked、 the equipment aginged and so on.The paper analysis the reasons and give some suggestion such as add an iron cover between the extend hole and haul pipe、choose optimization slop pressure. Keywords: horizontal direction drilling, pipe locked, slop, iron cover 作者简介：熊勃(1981- ),江西高安人，中南大学勘察与基础工程研究所地质工程专业在读 硕士。 隆威（1962- ） ，重庆丰都人，中南大学勘察与基础工程研究所所长，教授，从事岩土工程 专业教学、科研、设计及施工管理工作。 5