柳州瑞通非开挖关于水平定向钻导向技术的研究

柳州瑞通非开挖技术有限公司
关于非开挖水平定向钻导向技术研究
导向孔工作方式及导向仪工作原理与技术：
导向孔：
导向孔就是用水平定向钻机从起始位置沿预先决定的路径向目标位置钻进的过程进行施工而形成的孔称为导向孔，是水平定向钻进第一道工序。

为了准确达到预定目标，需要用导向仪指引钻机钻头始终按预定的施工轨迹前进。

控
向人员的作用之一就是操作导向仪，根据导向仪传回的各种信息，发出调整钻进方向的指令，并与司钻工配合，始终保持钻头在预定的轨迹上，并记录导向数据，司钻手根据控向人员的指令，操高控钻机使钻头体沿指定的路径钻进。

变向的简单原理是：当钻头体边旋转边推进时，钻头体直线行进；当钻头体只推进不旋转时钻头体沿弧线行进。

实质上，一个完整的导向钻孔是由一系列的直孔通过变向推进连接而成的。

(见图一)。

图一导向孔
导向仪：分无线系统、有线系统和地磁系统，三种类型，多个品牌。

无线导向系统由探测棒、接收仪、远程显示器组成，它具有操作简单、导向速度快、价格低的优点，但有容易受干扰、受电池电量的限制、不易长距离长时间工作的缺点。

无线导向系统由导向人员手持接收仪，沿钻进路线寻找接收从地下钻头内信号棒发出的信号。

一般应用于短程和中等深度导向孔钻进。

有线导向系统由有线探测棒、远程显示器、接收仪组成，它具有较好的抗干
扰性，可以不受电池电量的限制、深度可达15 米以上，可以在人员无法达到的地方工作；但也受深度限制，不能控制左右方向以及工作时钻杆之间接线比较麻烦的缺点。

有线导向系统是利用电缆线进行信号传输，由远程显示器来显示信号棒在地下的工作状态，并完成导向孔施工。

有线导向系统应用在长距离，大口径管道铺设中。

地磁导向系统由地磁探测棒、远程显示器、接收仪及专用电脑组成，它利用地球磁场作为基准参照物原理进行工作的，利用地球磁场的磁力线来进行导向施工。

具有良好的抗干扰能力，不受外部环境影响，可以控制方向和工作距离长及深度深的特点，电脑能随时显示、计算钻头在地下的位置、方向和深度、精确导向。

导向仪有月蚀、马克、向导等系列。

向导系列导向仪具有操作简单，性能稳定，界面直观，易学易懂，有两种频率可选择。

（见附表）
信号棒和接收仪的频率要一致，工作前必须按规定进行标定（校准）。

标定就是在规定的范围内给接收仪提供一个标准信号强度值，标定时把信号棒放入钻头体内进行，按规定的尺寸在地面上进行标定。

向导系列标定是以钻头中心到接收仪中心，距离为 3 米。

月蚀是以钻头中心到接收仪下部边缘，距离为3 米。

马克系列是以钻头边缘到接收仪下部边缘，距离为 3 米。

工作前还要进行抗干扰测试，掌握主、被动干扰数据，有利于以后设计施工。

干扰：
主动干扰：无线电电台，无线电中转站、基站，电视发射台，电缆，通信等等有源体发射的各种不同频率。

被动干扰：金属（钢筋、钢筋混凝土、发电机组等），含盐的土壤、导电质等等能吸附无线电电波的物质体。

钻头斜度：
斜度是指钻头在地下与地平线的水平夹角。

斜度单位用（°）度数或（﹪）百分比来表示。

钻头在地下与地面平行时为零度，零度钻进时保持深度不变。

钻头在零度以下时为负数，负数时越钻越深。

钻头在零度以上时为正数，正数时越钻越浅。

钟面角：
钟面角是用钟表的点位来表示目前钻头在地下的方向和位置(如下图)，即12 点、3 点、6 点、9 点和我们的手表用法是一样的，即12 点向上，6 点向下，3 点向右，9 点向左。

在12、3、6、9 之间还有1、2、4、5、7、8、10、11、几个点面，我们把钟面平分为4 个区即左上半区（包括10、
11 两个点面），右上半区（包括1、2 两个点面），左下半区
（包括7、8 两个点面），右下半区（包括4、5 两个点面）。

图二钟面角
在这每个区域中还分可分为上右，右上（1、2），右下，下
右（4、5），下左，左下（7、8），左上，上左（10、11），
这样工作时就可以用不同的钟面点位来控制钻头的上、下、左、右、各种方位。

钻头可在任意钟面点下向前顶进来改变斜度和方向，完成钻进工作，钻头钻进时形成的轨迹就是我们导向孔形成的轨迹。

位置、方向、深度：
钻头在地下工作时，随时会发生变化，每次测量时要找准位置，（向导系列导向仪具有前后自动指引功能），马克、月蚀系列要找后点、前点、中位线才能
确定位置和方向，在前点位置可以预测下根钻杆到达时的深度，只有找准位置才能确定钻头当前深度和方向，确定了当前深度和方向才能较好控制以后方向和深度。

（仪器操作见附表）
探棒：
信号棒是有高精度无线电电子元件组成的传感器，信号棒中间是一组磁场线圈（天线），工作时不断发出磁场信号，怕敲击，装卸探棒时不要敲击。

怕水，为防止内部进水，有条件可用簿膜包裹。

拆装电池时要抓住金属部分，不能抓在金属以下部分，防止接口松动进水。

探棒也是一种不耐高温的元件，对温度很敏感，在40 度以下正常工作，一旦超过40 度就会出现数据不准，60 度以上就会报警，有可能烧坏，所以在工作时要不断注意观察，防止温度升高。

导向孔施工工艺：
非开挖导向孔施工流程：施工线路勘查、导向孔设计、钻机安装、泥浆配制、导向孔施工、扩孔、清孔、铺管。

图三导向仪操作(云南省昆明市非开挖工程现场)
施工线路勘察：包括地下隐埋物（各种管线等）、地质、水源等。

地下隐埋物种类繁多，关键要查清地下各种管线，如：通讯、供水、煤气、天然气、电力、照明、交通、化工、供热、排水、地下城墙、防空洞、桩基、暗渠、综合通道等等。

要查清管线的位置、深度、走向并做上记号，绘制管线分布平面图、剖面图备用，查不清楚的需要请管线业主帮忙收集资料，或者借助管线探测仪等查找。

进场前，施工场地要做初步调查，查清地形地貌、地质结构、地质成份、地下水埋深等情况。

管线穿越河流时要查清水深、河底深、河床情况，如果在沙、卵石地层必须使用膨润土和各种添加剂，在岩石中施工需用其它钻进工具（如牙轮钻等）。

水是施工的必须条件，查清施工现场的用水源是必须要做的，如果没有水源需要从其它地方接水。

工作时不可缺水，否则一旦缺水或堵塞水眼温度升高，就会烧坏信号棒。

导向孔设计：
根据现场勘察的情况绘制施工曲线图。

不同的地质条件，设计要求和铺设管径大小及不同的材料，以及地下各种管线的位置，设计完成不同曲线的导向孔。

还要根据前面测试抗干扰情况，选择适当的地方，可以用改变曲线、改变时间、标记钻进、有线导向等方法，尽量避开干扰源。

钻导向孔之前，要做好施工路线图。

根据地下管线和地下障碍物的分布以及地
质环境制定可行的导向孔钻进轨迹图，并在地面上标记理想工作路线，理想工作路线是起始工作坑与目标工作坑在地面形成的中心连线。

施工时应在地面上用彩色笔画出此线。

重要的导向孔轨迹图包括起始工作坑和目标工作坑的距离，钻头入土出土倾角，水平段位置距地面深度等。

图四导向孔钻进轨迹图
导向孔设计必须满足三个条件:
1)避开地下管线，
2）满足甲方要求，
3)满足施工工艺要求，如果不能同时满足三个要求，需统筹解决，如：修改设计方案，改变路径，更换材料结构等。

原则上就直不就曲，避免或减少拐点，避开地下管线，避开干扰区域，但必须确保施工安全，地下管线的安全。

导向孔设计的重要参数：（见附表1；仅供参考）
入土角：钻机导轨与地面夹角即为入土角。

通常入土角取0—24 度，不大于钻机厂家规定的入土角，根据实际情况也可以作适当调整。

钻头斜度：当钻头造斜板向下时，钻头往深处钻进，越钻越深。

当钻头造斜板向上时，钻头往浅处钻进，越钻越浅。

钻头呈水平钻进，深度基本不变。

注意：钻头呈水平状态时为零度，零度以下为负数，越钻越深，零度以上时为正数，越钻越浅，水平状态时深度基本不变。

每一根进入地下的钻杆实际上和地面形成一个三角形，当钻头斜度确定以后，每钻进一根钻杆就可以根据有关公式可以估算出钻进的大概深度。

根据斜度计算深度：
利用斜度可以计算出传感器深度，依照以下步骤，从第一根钻杆开始计算深
度。

每钻进一根钻杆，就用仪器显示的斜度（百分比）乘以钻杆的长度，所得到的数就是当时传感器在地下的大概深度。

当斜度读数为负值时，深度增加。

当斜度读数为正值时，深度减小。

如斜度读数随钻杆长度波动，就必须取斜度读数的平均值。

例如：如果钻杆开始的斜度读数为8％，中间读数为6％，末端读数为4％，那么该钻杆斜度的平均值为6％（8+6+4）÷3=6
注意：这些值都是近似值，其准确度取决于斜度和其他测量值的准确度。

下面是钻杆斜度变化示意图：钻杆斜度变化形成的轨迹就是我们说的曲线，
也就是导向孔的形成。

图五根据斜度计算深度示意图
计算公式：H=L*α，或H= L*sinα，H＝增加或减少深度的值，L＝钻杆的
长度，α＝斜度（可以是﹪数也可以是°数）。

注意：用度数时不能直接乘钻杆长度。

例：① H=L×-α（-α为负角度时，下同） H=L×α（为正角时，下同）
② H1=L×-α+H H1=L×α-H
③ H2=L×-α+H+H1 H2=L×α-H-H1
④ H3=L×-α+H+H1+H2 ……H3=L×α-H-H1-H2……
钻孔深度：钻头距地面或水面的垂直距离。

每根钻杆钻进的深度值＝钻杆长度×斜度的百分比。

（如用度来表示则每度/米为1.7cm）.角度为负数时累加，角度为正数时累减。

导向孔长度：入土点到出土点的距离。

出土角：钻头在预定出土点出土时的角度。

导向孔设计的注意事项：
导向孔不仅要避开地下管线，而且要留有足够安全距离。

我们在勘察地下管线的深度和位置时只是一个估值，有一定的误差，导向测量时有误差，扩孔时有误差，三种误差叠加在一起就会有较大的误差，所以在设计导向孔时必须留出安全距离。

穿越河流时，水面下的导向孔应该尽量成水平状态，便于控制钻进，导向孔距离河床底面至少3米。

穿越桥墩、铁塔等时，导向孔应该尽量避免穿越，采取绕行；如果需要，则导向孔距离桥墩底部至少保持9米。

穿越铁路时，导向孔距离铁路路基面至少保持6米，如果土层较软和孔径大于300mm 时，还应该加深，确保铁路安全。

（柳州瑞通非开挖技术有限公司成功应用于京九高铁、黎湛铁路、柳州钢铁物流园铁路等铁路穿越非开挖工程）。

铺设钢管时，导向孔的曲率半径应大于钢管的曲率半径。

钢管曲率半径的计算：R=1200D—1500D，R 为钢管曲率半径，D 为钢管直径求每一根钻杆的变角：[（2×3.14×R）：360°=钻杆长度：α ]。

α——为钻杆的变角。

注意：导向成孔前，预留一定的成孔半径，必须大于需要水平定向钻机回拖铺设的管线的直径。

必须避开其它地下的管线和障碍物，确保工程中的安全。

总结：导向技术是水平定向钻进非开挖工程质量的最重要影响因素！
图六柳州固瑞非开挖钻机穿越京九高铁
附表1
编者：柳州瑞通非开挖技术有限公司工程部日期：2013年10月25日。