非开挖施工中导向孔轨迹的简易设计计算

非开挖施工中导向轨迹的简易设计计算

摘要：就一些非开挖施工人员在现场凭经验打导向造成工程失败的现象，本文介绍简易实用的钻轨迹设计计算法并举例说明，确保非开挖施工现场人员容易理解、掌握并便使用,对于大直径PE管和钢管的铺设施工更值得参考。

To avoid being stuck or complete failure when install steel pipe or large dia meter HDPE pipe with HDD technology, a simple way of pilot bore path desi gn is recommended. Examples are also given so that those who work on jo bsite can easily master the way and use for practice.

关键词：钻轨迹、造斜、转弯半径、开角、倾角

Key Words: Pilot bore path, Set back distance, Bend radius, Start bore angle, Pitch

从多年客户培训时反馈的信息得知，多水平导向钻机使用者在实际施工时多凭借经验估计开角度和造斜距离以及钻角度变化。这在一些小直径软管的施工时都能侥幸成功，但在施工大直径管或钢管时这种凭经验的做法往往就会遇到多麻烦，出现拖管时卡死、工程失败等重大工程事故，造成巨大经济损失。有的在事故之后找一个懂行的人帮助设计一个新轨迹，问题立即得到解决。其实这种基本的设计并不麻烦，只要稍微懂得一些简单数学知识并查阅一些相关数据即可进行，这里我将平时给沟神（DITCH WITCH）客户理论培训课上讲授的一些简单设计计算的法容作一归纳与大家共享，期望能对一线施工人员有切实帮助。

导向是施工的第一步，随后的扩、拖管作业都是在此基础上进行的。导向的质量如造斜段转弯半径的大小、轨迹曲线的平滑程度、避让地下障碍物的位置等是否正确直接关系到后续拖管作业的成败，因此要认真做好导向的施工。

1 钻轨迹的结构

一般钻轨迹的结构如图1所示，包括三个部分：第一造斜段、水平段、第二造斜段。

其中水平段是管线埋设的主要段，两个造斜段则分别为管线进入水平段和露出地面顺利与否的关键段，钻轨迹设计计算的主要容也是指造斜段。

钻轨迹设计要参考多种影响因素：

（1）所施工产品管线的材料性能、尺寸大小；

（2）所用钻杆最小弯曲半径（或单根钻杆倾角允最大改变量）；

（3）地面、地下障碍物的状况；

（4）地层特点等等。

由于篇幅所限，本文将主要介绍一般条件下钻轨迹简单设计计算的法，对特殊地层、障碍物

状况等的影响因素不作过多讨论。

2 钻轨迹的容（以轨迹第一造斜段为例）：

2.1 开点：即钻机需要摆放的位置（图1中的A点）；

2.2 位深度：即管线要埋设的深度（图1中轨迹水平段距地面深度）。这往往由工程建设根据产品管线的作用特点和所穿越环境的要求来决定，作为施工者就应当根据地层条件和地面、地下障碍物状况看是否能满足要求，必要时需要与工程建设协调对深度进行改变。2.3 造斜距离：即造斜段的水平投影长度（图1中AB段）。这其实与开点表示相同的含义，造斜距离确定后，钻机摆放位置也就找到了。

2.4 最短造斜距离：即满足产品管线最小允转弯半径或钻杆最小允弯曲半径要求的造斜距离。如果单从施工的顺利程度来考虑，在产品管线埋深相同的前提下，造斜距离越长越好，因为造斜距离越长，轨迹曲线越平缓，越利于后续管线顺利回拖。但考虑到场地限制和施工工期、施工成本、施工风险的要求，造斜距离又不能太长，距离太长将需要更多的钻杆、更长的时间进行施工，这会提高施工成本且加重工程的风险性。因此在进行轨迹设计时，按最短造斜距离的要求考虑，实际施工时只要不小于该距离即可。该最短造斜距离其实是最节约钻杆和施工工期的安全距离。

这里提到的最小转弯半径是根据相应材料抗弯强度极限推算出来的几概念，其意义为：如果管线或钻杆实际弯曲半径小于该最小转弯半径就会造成管线或钻杆的变形损坏。如果施工中所设计钻造斜段的某点或某段处的弯曲半径小于管线或钻杆的最小转弯半径限制就会造成钻杆、管线损坏或造成回拖时管线无法沿钻轨迹行进而被卡死的现象。

实际设计时，对于电缆线、硅芯管和PE管等柔性管线的施工由于其最小允转弯半径都可以比钻杆的最小转弯半径小，因此多以钻杆的最小转弯半径为依据进行；对于钢管的施工由于其允最小转弯半径大于钻杆的允半径，因此不能仅以钻杆的允转弯半径作为依据。

下表分别列出钢管的允转弯半径和美国沟神（DITCH WITCH）公司各型钻机所用钻杆的最小转弯半径值供设计时参考。非沟神钻机的使用者设计时应参考所用钻杆的相应最小转弯半径值。

表1 常用钢管最小弯曲半径参数（表数据由美国沟神公司技术部门提供）

2.5造斜段每根钻杆端点所在的深度、倾角：这是设计计算时最终为操作者需要

使用的参数，实际施工时导向人员从导向仪上能读取这些参数，并以此作为

导向操作的依据。

3 简易设计计算步骤

3.1 计算最短造斜距离L（米）

设产品管线铺设深度（一般由工程发包给出并考虑地面、地下障碍物及地层条件以后确定的）为H（米），产品管线（或所用钻杆）的最小转弯半径为R（米），则第一造斜段的最短造斜距离L为：

L=[R2 -（R-H）2]1/2

公式说明：将造斜段拟合为几圆弧，以轨迹水平段起点处的垂直线上距起点R处一点为圆心，R为半径，作圆弧与水平线（地面）相交，该交点与轨迹水平段起点在水平线上的投影点间距离即为最短造斜距离L （如图2所示）。

3.2 造斜段所用钻杆的根数n（根）

设所用钻杆单根长度为S（米），则造斜段所需使用钻杆的大概根数为：

n = L/S （根）

公式说明：将轨迹造斜段圆弧曲线近似看作其在水平面上的投影直线（即造斜距离），这样可简化计算公式。在实际工程中由于开角度一般不大于20度（36%倾角），且每根钻杆倾角变化不超过10%，因此每根钻杆所对应轨迹圆弧曲线段长度与其在水平面上的投影长度相差不会太大，因而这种近似也是合理的，造成的误差可通过对计算出的n值稍作放大来进行修正。

3.3 计算开角

先采用反推法粗略算出开角，再以此粗略值为准从第一根钻杆开始往后顺序推算出造斜段每一根钻杆的具体倾角和深度。

反推法粗略计算：以造斜段每一根钻杆为计算单元，从轨迹水平段起点开始，按与钻相反的向逐根钻杆计算其深度改变量直至到达地面，最后一根钻杆相应的倾角值即位开角。

简化法：将造斜段每一根钻杆的轨迹弧线简化为直线，以简化的直线（即每一根钻杆）为斜边作直角三角形（如图3所示）