水平导向钻进法施工

水平导向钻进法施工

1 概述

水平导向钻进法是一种能够快速铺装地下管线的方法。它的主要特点是, 可根据预先设计的铺管线路, 驱动装有楔形钻头的钻杆按照预定的方向绕过地下障碍钻进, 直至抵达目的地。然后, 卸下钻头换装适当尺寸的扩孔器, 使之能够在拉回钻杆的同时将钻孔扩大至所需直径, 并将需要铺装的管线同时返程牵回钻孔入口处。

水平导向钻进的钻孔轨迹可以是直的, 也可以是逐渐弯曲的。在导向绕过地下管线等障碍物,或穿越高速公路、河流和铁路时, 钻头的方向可以调整。

钻孔过程可在预先挖好的发射坑和接收坑之间进行, 也可在地表发射, 以小角度直接从地表钻进。

工作管或导管的铺设通常分两步进行。首先是沿所需的轨迹钻导向孔, 然后回扩钻孔加大孔径以适应工作管的要求, 见图1。

图1 水平导向钻进施工方法

在复杂地层条件下、或孔径需增加很大时, 可采用多级扩孔的方法将孔径逐步扩大。坑内发射钻机固定在发射坑中, 利用坑的前、后壁承受给进力和回拉力。地表发射钻机将钻机锚固在地面上。多数水平导向钻机采用钻进液润滑钻头、输送钻屑回工作坑和稳定孔壁, 也有些钻机采用干式钻进。干式钻机施工导向孔时采用钻头上的高频气动锤钻进。

水平导向钻进法的优点主要表现在：特殊设计的回程扩孔器和泥浆混合泵, 保证新铺管线不受损坏；根据施工现场条件, 可以不挖掘工作井,能铺装直径为

51mm～1000mm 的各种材质的管线；钻进设备采用集成式设计, 安装速度快；钻进系统适用各种地质, 不会出现卡钻情况；特殊设计的楔形钻头可随时调整钻进方向, 绕避障碍；一体式钻杆可为钻进各种地质提供足够的强度和韧度；钻杆自动装卸系统, 可使操作效率更高, 工作更安全；导向定位系统可测至30 多米的深度, 确保施工路线准确无误；导向钻进长度可达600m。

水平导向钻进过程受三维控制, 它通过钻杆和一个特殊设计的楔形钻头的旋转钻进完成线性前进, 当需要改变前进方向时, 只需暂停钻杆的旋转并将钻头的楔形固定在相应的位置上即可。

在进行水平导向钻进前, 首先要根据实际钻进需要、工程地质情况等绘制总设计图, 即钻孔曲线图。在钻进时, 要让钻孔路线尽可能保持直线, 以简化作业并减少钻孔时间和成本。需要特别注意的是曲线弯度不要小于钻杆的最小弯曲半径。如果曲线弯度过小, 钻杆会永久弯曲或断裂。

在钻进过程中需经常进行纠偏, 纠偏所需的钻进长度取决于工程地质状况和所用的导向板。根据需要尽可能平繁地停止钻进进行纠偏, 以确保钻孔路线准确。

2 结构原理

目前, 在非开挖施工技术领域进行水平导向钻进, 常用的进口设备由美国及德国生产。本文以美国威猛牌D33×44 型水平导向钻机为例, 简要介绍水平导向钻机的结构原理以及施工情况。

D33×44 型水平导向钻机的最大扭矩为5957Nm,装有一套189L/min 的钻液供应系统, 具有14969kg的回拖力, 主要组成部分是定位设备、钻机和泥浆混合系统。钻机是设备的主体, 它包括动力装置、钻架、钻杆和钻头等。主要技术参数如下：

最大主轴扭矩 5957Nm

实际回拖力 14969kg

发动机功率 93kW

最小钻进孔径 89 mm

最大扩孔直径 600mm

钻杆最小弯曲半径 33m

2.1 导向定位系统

给钻头定位的能力是成功完成钻孔任务的关键。定位不当会导致偏离预定的目标。多数水平导向钻进技术要依靠准确的钻孔定位和导向系统。导向系统有几种类型, 最常用的如“手持式”系统, 它以一个装在钻头后部空腔内的探测器为基础。探头发出的无线电信号由地面接收器接收,除了得到地下钻头的位置和深度外, 传输的信号还包括钻头倾角、斜面面向角、电池电量和探头温度。这些信息传送到钻机附属接收器上, 以使钻机操作者可直接掌握孔内信息, 从而据此作出必要的轨迹调整。

2.2 泥浆泵

流量为189L/min 的随机泥浆泵, 可为大孔径回扩及时提供充足的泥浆、增加回扩的效率；安装有一个内置流量表使用户能随时监测泥浆流, 以便为安装新管提供最佳的孔道环境。

2.3 钻杆

钻杆是无焊缝钻杆, 具有极强的可控性和可靠度, 可以随着钻头方向的变化, 适时改变潜行的角度。有足够的轴向强度承受钻机给进力和回拖力, 足够的抗扭强度承受钻机施加的扭矩, 足够的柔韧性以适应钻进时的方向改变。

2.4 自动装杆系统

钻机配置有钻杆自动装卸系统, 定长的钻杆装在一个“传送盘”上, 随钻进或回扩的过程而自动从钻杆柱上加、减钻杆, 这种操作与一个自动的螺纹拧紧和卸开装置配合进行。加快了施工速度、提高了施工安全和减小了劳动强度, 从而降低成本。

2.5 钻进液

钻进液俗称“泥浆”, 其作用是润滑钻头, 减少磨损；软化地层, 易于钻进；携带碎屑返回工作坑；在回扩过程中稳定孔壁；在回扩和拖管时润滑管道。

2.6 扩孔器

扩孔器（如图2）的作用是分步将导向孔扩大至终孔所需的尺寸以便安装管道。扩孔器上装有碳化钨合金齿和喷嘴, 其后部有一个旋转接头与工作管的拉头相连。铺设小直径的管道、导管或电缆线, 可使用直接连接在钻杆上的镶有碳化钨合金齿的锥形扩孔器, 铺设大直径管道, 采用气动锤扩孔器, 同样在其后部

用旋转接头连接管道。此时对扩孔起主要作用的是气动锤扩孔器的冲击作用, 而不是钻机的回拉力, 而且回扩过程中也无须回转。

图2 扩孔器

2.7 气动岩石钻孔

工程地质情况不同, 选用的钻头和采用的钻进方法也不相同。气动岩石钻（见图3）设计成使其在不施加向前的压力时让空气流过钻头的排气孔。当大于360kPa 的推力施加于钻头时, 岩石钻开始工作。当岩石钻内的冲击器打击钻头①的后部时,能量被传递到硬质合金刀头。硬质合金刀头依次打击岩石, 产生切削。

图3 钻头

岩石钻必须与泡沫输送系统一起使用。必须特别注意切屑的大小, 因为泡沫所能承载的切屑尺寸是有限的。切屑尺寸过大会使得切屑沉降而非悬浮, 而且会聚集在钻头的后面, 最终会导致难于从孔洞中拖回岩石钻。

2.8 辅助设备

辅助设备在水平导向钻进施工的成功中起着重要的作用。包括聚乙烯管焊接机、管道支护滚筒和电缆牵引器以及用于聚乙烯管的拉头等。拉头的作用是防止