定向穿越技术及安全施工

1定向穿越技术和安全施工概述现今社会几乎所有的人类活动都离不开地下管线，大量的新管线需要铺设，现有的管线需要及时的检修、维护和修复。而传统的开挖技术具有很大的局限性，已经不能适应新时代的需要，如造成交通不便、影响环境、施工周期长、成本高等。此外，如古迹保护区、闹事区、农作物和植物保护区、穿越铁路、高速公路、建筑物、河流等地施工十分困难，甚至根本无法进行施工.因此非开挖技术运用而生。非开挖铺设地下管线技术是指利用岩土钻掘定向、测控等技术手段，在地表不挖槽和地层机构破坏及小的情况下，对诸如供水、煤气、天然气、污水、电信电缆等公用管线进行铺设的施工技术。它的技术核心是导向钻进、定向钻进、微型隧道掘进、冲击矛、夯管法和顶管等技术。非开挖铺管技术可用来铺设直径40mm至2500mm的各种地下管线，距离可达十几米至上千米。非开挖技术包括三方面内容：新管线铺设，现有管线的检查和维护以及陈旧管线的修复和替换，在动力电缆、通讯电缆和光缆、上下水道、输油输气管道、环境治理工程和基础工程等领域有着广泛的的应用。非开挖技术方法分类如下：非开挖铺管技术分类导向钻进定向钻进冲击矛夯管微隧道水平顶管空气干钻泥浆排渣泥浆马达气动液动人工挖掘机械挖掘螺旋排渣泥浆排渣非开挖技术有许多优点和巨大的应用潜力，主要表现在：1、不阻碍交通、不污染环境、不破坏植被、不影响周边建筑物、不影响居民的一切生活和工作秩序。2、可以按最短的合理途径穿越河流、湖泊、公路、铁路、城市建筑物等，施工效率高，节约材料消耗，降低施工费用，而传统的施工方法是无法做到的。3、由于使用了高精度的跟踪定位技术或MWD技术，可以控制铺管的方向和路径，从而避开地下原有的公共设施和施工复杂区。4、有较好的经济效益和社会效益。在可比性相同的条件下，非开挖管线铺设、更换修复的综合经济效益和社会效益均高于开挖施工，管径越大埋深越大时越明显。2第一章定向钻进工艺技术第一节施工原理一般施工分三步进行：1、导向孔施工图12、扩孔图23、管线回拖图33第二节导向钻头工作原理导向钻头回转并钻进时，导向钻头保直钻进;钻杆只给进不回转时，在土层反作用力的作用下，导向钻头斜进，即造斜。如图所示图4第三节定向钻进施工一、钻机锚固1、在做导向钻进前，首先要锚固钻机，因为钻机固定性差，一方面，因钻机的振动会引起钻杆发生弯曲或损坏，使钻孔轨迹无法按预先设计的轨迹完成；另一方面，钻机的控制能力降低，导致无法很好地按预定的计划完成钻进工作。2、风险提示：在钻机锚固前，防止将锚固桩打在地下管线上。3、风险回避：要仔细查清周围地下管线分布情况，必要时挖槽探线。4、钻机锚固受力分析当钻机处于顶推工况时，受力如图：钻机受力有：自重G，钻具的反作用力F，地面对钻具的支撑力f1和f2。假设f2=0，则有顺时钟弯矩M=f`×L，钻机后倾，相反回拉时，钻机产生逆时钟弯矩，钻机前倾。采取的措施：打锚固桩或用钢丝绳固定。二、钻头的选择依据对于不同的土层，须采用不同的钻头。实际施工表明：1、在淤泥质黏土中，一般采用较大的钻头；2、在干燥的软黏土中，采用中等尺寸的钻头；3、在粗粒沙层中，中等尺寸的钻头效果好；4、对于致密沙层，小尺寸锥形钻头效果最好；5、在砾石层中，镶焊小尺寸硬质合金的钻头使用效果较佳。当然，要根据实际施工选择钻头。三、导向孔施工导向孔施工步骤主要为：1。探头内装入电池并旋紧。2．探头装入探头盒内。3．将导向头放置在一片平地上，用卷尺标定导向仪测量误差范围。4．首先将接杆与钻杆连接，再将导向头与接杆连接。5．转动钻杆，测试探头发射是否正常。6．开动泥浆泵，检查钻头前喷水孔是否正常。7．回转钻进2米左右，开始按设计轨迹施工。4根据铺管设计标高、地形及地层情况和铺管材质及管径大小进行导向孔设计，确定导向孔的施工方案。四、对于在一般土层和原有管线较少的区域中铺设管线施工难度和风险相对较低；但在沙层或砾石层及原有管线较多的区域中施工难度和风险就加大。要回避施工中可能出现的风险，就须采取适当的措施：1、导向钻进施工过程中，操作人员在意识到钻头遇到硬物较难钻进等情况时，应马上停钻，检查钻头位置。查看周围是否有地下管线，不能确定该障碍物的性质情况下，应降低钻压，缓慢顶进，让钻头慢慢地通过该区域，并频繁检测钻头位置。如果该障碍物离出土点很近最好挖坑而不顶进，这样做尽管麻烦，但可将风险降至最小。2、钻导向孔时，要时刻注意泥浆池内返浆情况，如果不翻浆或悬浮有沙粒且导向仪显示探头温度升高，说明有沙层需要配制合适的成孔液，降低辅助作业时间尽可能快地完成导向孔，防止塌孔。3、如果将铺设钢管则每根钻杆的变化角度要小，不能有过多的曲线变化，控制好入土角和出土角。由于钢管允许最小转弯半径大于钻杆的允许半径。4、原有地下管线较多时，所铺管线尽可能从原有管线下方通过；若条件不允许，必须从管道之间通过时，应考虑最终扩孔头与原埋管线间距的余量，一般，间距应等于3~4倍最终扩孔头的直径。第四节定向钻进轨迹设计1.确定导向孔5项基本参数典型的导向孔位置形态由5项基本参数决定：（1）入土点（2）出土点（3）铺管深度（4）第一造斜段曲率半径R1，由钻杆最小曲率半径r和铺管深度h决定，一般取R1≥r，r=1200d，d为钻杆直径；5)第二造斜段曲率半径R2。造斜段曲率半径的确定由欲铺设的管线弯曲特性确定，铺管材质允许最小弯曲半径计算式：Rmin=206×D×S/K式中：Rmin----最小弯曲半径（m）D-------管子外径（mm）S--------安全系数，S=1--2K-------管子的屈服极限（N/mm²）实际施工中为了易于铺管，最小弯曲半径应尽可能大。2.确定导向孔其他参数根据有关公式推导如下关系：L1=[h（2R1-h）]½α1=2arctg[h/（2R1-h）]½L2=[h（2R2-h）]½α2=2arctg[h/（2R2-h）]½式中：R1、R2分别为钻杆、管道曲率半径，α1、α2分别为入口、出口倾角。8º～20º的入出土角适用于大多数的穿越工程。5图5钻机倾角的可调范围是限制入口倾角的主要因素，一般钻机的倾角可在10º～30º之间调节。对小口径的钢管考虑到焊接问题，出口倾角在0º～15º之间；对于PE管和，PVC管一般应控制在0º～30º之间。对大口径钢管，因弯曲半径大，第二造斜段增大，用挖工作坑下管来代替第二造斜段。如图所示：图6在铺设钢管的轨迹设计中，因钢管允许最小转弯半径大于钻杆的允许半径，设计轨迹时钻杆单根长度范围内角度允许最大改变为：α=（180/πRmin）×S式中：Rmin------钢管最小转弯半径S---------单根钻杆长度相应倾角改变量为δ=tgα×100%3．钻孔轨迹简易设计计算方法计算最短造斜距离L：L=[R²-（R-h）²]½式中：R-----铺设管线或钻杆的最小转弯半径（m）h--------管线铺设深度（m）2）造斜段所用钻杆根数n（根）n=L/S式中：S-----钻杆单根长度（m）3）计算开孔角简化方法：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）为斜边做直角三角形（如图所示）。图中的任意一个小直角三角形，其短直角边长度（实际为轨迹中单根钻杆的深度改变量近似值）为ΔH=S×sinα由于单根钻杆倾角改变量很小，所以6图7sinα≈tgαΔH≈S×tgαS---特定钻机是常数；tgα可从导向仪读取或换算得到。4)钢管重量计算：Q=0.02466S(Dw–S)L式中Q:管子重量,kgDw:管子外径,mmS:管子壁厚,mmL:钢管长度,mm5）计算举例（1）某工程铺设PE管，铺设深度3米，使用地龙DL150钻机施工，已知钻杆单根长度2.5米，最小转弯半径80米，请计算所需最小造斜距离和所需钻杆最少根数。解：最小造斜距离（即入土点位置）：L=[R²-（R–S）²]½=[80²-（80–3）²]½=21.7米修正为22米,则造斜段所需钻杆最少根数:n=22÷2.5=8.8n修正为9根.(2)待铺管线为钢管,直径300mm,假设钢管弯曲半径为280毫米,钻杆单根长度为3米,则单根钻杆长度范围内角度允许改变量和相应倾角允许改变量各是多少?解:钻杆允许改变角为α=(180/280π)×3=0.614º相应倾角改变量为δ=tg0.614º×100%=1.07%第五节扩孔工艺扩孔的目的主要是将先导孔孔径扩大至待铺管线的管径以上,以减少拉管时的扩孔工作量和铺管时的阻力.对直径较小的管线可不进行专门的扩孔钻进,而是在扩孔的同时将待铺设的管线拉入.一般情况下,推荐最终扩孔直径按下式计算:D=K1×D。式中:D:适合铺管的钻孔直径;D。:待铺管外径;K1:经验系数,一般K1=1.2～1.5一、扩孔钻具组合,如图:包括钻杆、接杆、扩孔钻头、分动器、公接头和回拉钻杆.7图8二、扩孔施工步骤：1、卸下导向钻头换上反向扩孔钻头及分动器；2、分动器后接公接头和回拉钻杆3、扩孔钻进；4、反向扩孔钻头达到取钻头工作坑后，卸下反向扩孔钻头及分动器公接头，将前钻杆与回拉钻杆连接起来。5、在回拉钻杆后接二级扩孔头，重复第一次扩孔的步骤。6、按设计要求多级扩孔直到符合要求。三、几种基本的扩孔工艺方法1、反拉回转扩孔法：是非开挖施工中最常用的方法，扩孔工作通过回拉并回转钻杆来完成。图92、正向回转扩孔法：是通过钻杆施加给扩孔钻头轴向推力和扭矩来完成。图103、反拉切割扩孔法：是通过钻杆或钢丝绳直接回拉环刀型扩孔钻头而不旋转的扩孔方法。四、扩孔后清孔非开挖施工孔基本上为水平或接近水平孔，大多数离地表浅，所钻地层一般针对较软土层，通常不能靠大泵量钻进液来悬浮出钻渣，因为大的冲刷会造成地表跨塌或沉陷等负面影响。在某种程度上讲，钻进液大部分功能是起到冷却钻头、软化土层、冲刷钻头以利于切割等作用。所以，非开挖钻孔中扩孔后形成的残土的清除也是非开挖铺管施工工艺中关键的一环，如果钻孔中残土过多势必增加铺管阻力，可能引起地表隆起和管道变形，孔内阻力过大增加了铺管风险，甚至造成铺管失败。清孔方法很多，可以根据现场实际情况灵活应用，施工中有可能采取多级扩孔多次8清孔的方法，也可能采取最后一次性的清孔方法，主要是根据孔壁的稳定程度来确定。主要有以下几种清孔方法：1、活塞式清孔扩孔后将软质材料包裹在该钻头上或采用专门清孔活塞，进行活塞式拉孔。可反复多次进行，以保证孔内无障碍。2、冲洗清孔在扩孔工序中，为了增加扩孔效率，钻头一般设计有数个水孔，向孔壁喷射高压水以利于碎土。同样，适量的钻进液冲刷流动有利于排出钻扫下来的土屑。3、挤压法清孔许多非开挖扩孔钻头为挤压型钻头，利用钻头结构形状和钻机的轴向力使钻孔得到径向挤密，从而使孔壁得到完好的保护，多余土体被挤压或拉出孔外。在工程实践中这种清孔效果良好。4、其他清孔法螺旋法清孔等。第六节管线回拖工艺回拉管线是定向钻进施工中最后一道关键工序，原则上要求计算回拉阻力来确定回拉铺管工艺，一般在回拉钻杆后接上扩孔头和旋转接头，在旋转接头后接上拉管头和待铺设的管线进行反扩铺管。一、回拉钻具组合包括：回拉钻杆、接杆、扩孔头、旋转接头和拉管头。如下图所示：图11拉管头与待铺管线的连接方式有几种，在后面的内容中讲道。二、铺管回拉力的计算回拖产品管线所需回拉力也就是管壁和孔壁之间摩擦力W，其由下式计算：W=[2P（1+K）+Pο]fL式中：W：管壁和孔壁之间摩檫力,KNP:土对每米管道压力，KN/mK:主动土压力系数，一般取0.3Pο每米管道重量,KN/mf:管壁和孔壁之间摩檫系数,0.2---0.6L:管道长度,m由上式可知,摩檫力主要取决于土对管道压力和摩檫系数f的大小。土对管道压力主要与土层的性质和导向孔的曲率有关。沙土的黏聚率低，对管道压力大，p一般按所敷管线直径1——2倍高度土质量计算；粘性土的粘聚力大，对管道压力小，p一般按所敷管线直径的0.5---1倍高度土质量计算。另外，导向孔曲率半径R对土压力的影响也比较大，一般取R大于1200D时可不考虑其影响。摩檫系数f是影响管壁和孔壁间摩檫力W的重要因素，降低f值是降低W的有效9方法。对于沙层，