水平定向钻机在管道精确定位施工中的应用

安徽建筑　２００６年第２期　水平定向钻机在管道精确定位施工中的应用　蔷燕因　－　一…’’一　（中铁四局集团公司，安徽摘合肥２３００２２）　要：根据天津地区的地理地质条件。天津中心庄路跨津滨高速上承式拱桥产生的水平推力需要通过设置在承台上的一组水平拉索进行平　衡。为保证拉索不受外力作用。在拉索外设置钢套管。且要求精确定位。通过经济技术比选。采用水平定向钻机进行铺管作业。取得了较好的社会效　益和经济效益。在工程实践中极具推广价值。　关键词：水平定向钻机：铺管作业；精确定位　中图分类号：Ｕ４４８．５１；Ｕ４４５．４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１Ｏ０７－７３５９（２ＯＯ６）０２—００９６－０４　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　Ｄｒｉｌｌｅｒ　ｉｎ　Ａｃｃｕｒａｔｅ　Ｌｏｃａｔｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｉｐｅ　Ｄｏｎｇ　Ｙａｎｎａｎ　（Ｃｈｉｎａ　Ｔｉｅｓｉｊｕ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈｅｆｅｉ　２３００２２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｇｅｏｇｒａｐｈｙ　ｇｅｏｌｏｇｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆＴｉａｎｊｉｎ　ａｒｅａ，ｔｈｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｔｈｒｕｓｔ　ｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　ｄｅｃｋ　ａｒｃｈｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ　ｏｆＺｈｏｎｇｒＳｎｚｈｕａｎｇ　ｍａｄ　ｉｎ　Ｔｉａｎｊｉｎ　ａｂｏｖｅ　Ｊｉｎｂｉｎ　ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙｐｒｅｄｕｃｅ８，ｎｅｅｄｓｔｏｂａｌａｎｃｅｂｙａｇｒｏｕｐｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｇｕｙｓ　ｓｅｔｉｎ　ｐｉｌｅ　ｃａｐｓ．Ｔｏｇｕａｒａｎｔｅｔｈｅｍ￣ｇａｌｎｓｔ　ｅｘｏｇｅｎｏｕｓ￣ｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｓｌｅｖｅ８　ｍｕｓｔ　ｈｅ　ｉｎｓｔａｌｌｅｄ　ｏｕｔｓｉｄｅ　ｔｈｅ　ｇｕｙｓ　ｗｉｔｌｌ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｉｔ　ｃａｒＩ　ｏｂｔａｉｎ　ｇｏｏｄ　ｓｏｃｉａｌ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｂｅｎｅｆｉｔｓ，　ｎｄ　ａｅｘｔｒｅｍｅｌｙｈａｓｐｒｏｍｏｔｉｎｇ　ｖａｌｕｅｉｎｐｍｊｅｃｔｓｔｏｕｓｅｔｈｅｈｏｒｉｏｎｔｚａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｅｒｔｏ　ｃ￣ｌ＇ｙｏｕｔｔｈｅｐｉｐｅｌａｙｉｎｇｗｏｒｋ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｄｒｉｌｌｅｒ；ｐｉｐｅｌａｙｉｎｇ　ｗｏｒｋ；ａｅｃｕｒａｔｅ　ｌｏｃａｔｉｎｇ　１水平定向钻机施工概述　１．１水平定向钻机结构简介　水平定向钻机一般由发动机、液压系统、走行系统、控制系　统、导向系统、钻杆、导向钻头、回扩钻头和附属及辅助设备等　组成，根据走行方式不同可以分为轮式和履带式２种。图ｌ为　用于本工程的由美国沟神（ＤｒｒＣＨ　ＷＩＴＣＨ）公司制造的　Ｊ　ｒ－４０２０型水平定向钻机。　圈２施工工艺流程　头与扩孔器连接，回扩钻头一边扩孔一边将钢管拉人扩大了的　图１　ＪＴ－４０２０型水平定向钻机　孔中。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。　定向钻机采用钻进液辅助碎岩钻头进行钻孔作业，从钻杆　尾部施加压力。钻头通常都带有一个斜面，所以钻头连续回转　时则钻出一个直孔；而保持钻头朝某个方向不回转静压时，则　使钻孔发生偏斜，此种方法一般用在导向孔纠偏上。用以测设　１．２施工工艺流程（见图２）　１．３水平定向钻机工作原理　水平定向钻机钻孔轨迹可以是水平孔，也可以由斜孔逐渐　转变为水平孔，钻孔方向可以通过鸭掌形的导向钻头进行调　整。钻孔可在预先挖好的发射坑和接收坑之间进行，也可在安　装钻机的场地，以小角度直接从地表钻进。　钢管铺设分两步进行。首先是沿所需的设计位置钻导向　钻头位置的探头一般安装在钻头内，探头发出信号，被地面接　收器接收或跟踪，从而可以监测钻孔的水平位置、深度和其它　参数。在那些从地表不能稳定跟踪钻孔轨迹的地方。或因钻孔　深度太大，在用无线电频率方法难以保证精度定位的地方，可　采用有缆式导向系统，其缆线通过钻杆连接。　孔；第二步即扩孔回拖过程。导向孔钻完之后，钢管通过旋转接　收稿日期：２００６—０２—２１　作者简介：董燕因（１９７０一），女，安徽合肥人，主要从事城市地下结构、污　水处理、建筑工程施工技术及研发工作，高级工程师。　定向钻钻孔过程中，一般由高压泵将钻进液通过中空钻杆　压到钻头的喷嘴喷出，钻进液一般为水或水和膨润土的混合　维普资讯 http://www.cqvip.com

————２００６　ＮＯ．２　道路－桥梁施工技术　物，有助于破岩、润滑和冷却钻头。导向孔施工完成后，触变泥　浆可保持孔壁的稳定，以便于回扩。工作管在扩孔的同时跟在　扩孔器后一起进人。　拉索立面图　水平定向钻机可大致分为２类：地表发射和坑内发射。坑　内发射钻机固定在发射坑中，利用坑的前、后壁或钻机本身的　自重承受推进力和回拉力。根据钻进地层的类型，选择定向钻　机的能力有很大不同。通常，均质粘土地层最容易钻进；砂土层　要难一些，尤其是其位于地下水位之下或没有自稳能力时；砾　石层中钻进会加速钻头的磨损，钻头会无法进尺或偏离设计轨　迹。　回扩钻具和辅助设备的选择范围非常广泛，许多都具有特　殊设计提高性能的特点。扩孔器大多为子弹头形状，上面安装　有碳化钨合金齿和喷嘴。扩孔器的后部有一个旋转接头与工作　管的接头相连。　定向钻进技术在钻进过程中要保持定位准确，必须要依靠　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（ｗａｌｋ—ｏｖｅ０”系统，它以一个装在钻头后部空腔内的　探头为基础。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，传输的信号还往往包括钻头倾　角、斜面面向角、电池电量和探头温度。这些信息通常也传送到　钻机附属接受器上，以使钻机操作者可直接掌握孔内信息，从　而据此做出任何有必要的轨迹调整。手持式系统的主要限制是　必须要到达直接位于钻头上部的地面。这一缺陷可采用有缆式　导向系统或装有电子罗盘的探头来克服。有缆式导向系统用通　过钻杆柱的电缆从发射器向控制台传送信号。虽然缆线增加了　复杂性，但由于不依靠无线电传送信号，对钻孔的导向就可以　跨越任何地形，并且可以用于受电磁干扰的地方，以保证数据　的精确性，从而正确的指导现场操作。　２工程概况　天津市开发区西区中心庄路跨津滨高速公路拱桥是开发　区西区基础设施一期工程的重要单体项目之一，位于天津市规　划中心庄路与津滨高速公路相交处，为中心庄路上跨既有津滨　高速公路，北接中心庄路Ｄ段，南连中心庄路与津滨高速公路　互通式立交。主桥采用双铰型上承式拱桥结构，如下列效果图　所示，主桥主拱净跨径６２ｍ，矢高８．８ｍ，拱上建筑总跨径７０ｍ，　桥面单幅宽度１３．５ｍ，一跨跨越津滨高速公路，斜交角度为　８２。，引桥采用钢筋混凝土百形梁，桥梁总长度为５１０ｍ，桥梁　总面积为１３２６０ｍ　。该工程所在地地貌单元为滨海平原，地形平　坦，地势低平，绝对高程ｌｍ一７ｍ。其与既有中心庄路基本重合，　在Ｋ５＋７　１０处横跨津滨高速公路。　由于其结构的特殊性，且受地形、地质条件的影响，拱桥产　生的水平推力无法通过通常所采用的大体积混凝土承台来平　衡，为解决此问题，在拱脚两承台之间设置了一组水平拉索，拉　索的规格为ＯＶＭＰＥＳ（ＦＤ）７一ｌ０９Ⅲ，锚头采用冷铸墩头锚，拉索外　设置保护套管（钢管），共设置ｌ２根。拉索布置形式详见下图。　２９９ｍｍ拉索及其保护钢管从津滨高速公路底下横穿高　速，钢管设计直径：跨路地段采　４ｏ２ｍｍ，非跨路地段　２９９ｍｍ。设计要求拉索保护钢管的施工误差控制在５ｅｍ以　内，以防止公路沉降对拉索产生压迫，改变拉索的受力状态。钢　拉索平面图　拉索结构布置示意圈（半●桥｝　管及拉索与高速公路的关系见下图。　嚣　说明：图中所示单位为Ⅻ。　拉索与高速公路位置关系圈　３水平定向钻机机型选择　目前国内外生产水平定向钻机的厂家比较多，且机型也比　较多，在进行机型选择时主要考虑钻机机械技术参数，根据施　工工艺的特点，在选型时应特别注意水平定向钻机提供的推拉　力、钻头及钻杆的力学性能和自重。　３．１推拉力的确定　推拉力性能指标控制值主要由拖拉钢管时的拖拉力来确　定，拖拉力计算如下：　本工程中使用的钢管长度最大为３８ｍ，其自重为：　尸　仃（　１　一Ｒ２２），４×Ｌ×ｐ＝订［０．￣２２一（０．４ｏ２—Ｏ．０１２×２）２　Ｊ　／４×３８×７．８５—４．４ｔ　根据施工队伍积累的经验，采用泥浆护壁时，钢管与孔道　之间摩擦系数一般考虑为２．０，故施工过程中最大摩擦力为：　Ｎ●攘＝Ｐ×　Ｌ＝４．４×２＝８．８ｔ　为保证施工的顺利进行，在选择机型时按２倍的安全系数　储备来计算，故需要的推拉力为：　Ｎ＝２Ⅳ●攘＝２×８．８＝１７．６ｔ　通过上述计算，水平定向钻机提供的推拉力要求≥２ｏｔ。　３．２钻头及钻杆的力学性能　目前国内生产的水平定向钻机一般为国外产品的复制品，　其主机的核心部分采用进口配件，其它配件采用国产，然后进　行组装而成，故在同等型号的条件下，国产机型各方面指标均　略逊于进口机型，特别在钻头和钻杆方面尤其如此。钻头设计　均为特种合金钢，其强度的好坏直接关系到施工过程中的磨损　程度和钻进速度及精度；钻杆的刚度直接关系到钻头的入土精　度及适应地层的能力。由于本工程地处高速公路路基，土层密　实度及强度较大。故选择采用进口机型。　３Ｉ３钻机自重　维普资讯 http://www.cqvip.com

９８　安徽建巍　２００６年第２期　由于定向钻机在拉拔管过程中主要靠钻机的自重来提供　反力。为防止钻机在施工过程中出现移位现象，在选择机型时，　在同等技术参数的情况下尽量选择自重大的机型。　根据以上几个技术指标，我们对美国生产的ＤＩＴＣＨ　ＷＩＴＣＨ系列水平定向钻机、ＶＥＲＭＥＥＲ系列、ＣＡＳＥ系列、瑞士　生产的ＴＥＲＲＡ系列、德国生产的Ｔｒ系列和日本生产的ＩＳＥＫＩ　系列进行了认真的比较，结论如下：　钢管坡口焊示意图　钢管焊接平台　说明：圈中所示尺寸单位为ｍｍ　仪采用坐标法测放出每根钢管的详细位置，并沿钢管中线方向　每隔２ｍ设一个观察点用以控制钢管的位置。　①美国生产ＤＩＴＣＨ　ＷＩＴＣＨ水平定向钻机公司（沟神公　司）是最早生产水平定向钻机的公司之一，技术先进，产品性能　⑤做好管道通过地段的地质情况的调查，查明地层分布情　稳定。　＠ＤＩＴＣＨ　ＷＩＴＣＨ系列水平定向钻机型号齐全，国内市场　中能够找到拥有该设备的施工单位。　③ＤＩＴＣＨ　ＷＩＴＣＨ水平定向钻机将钻杆搭载在主机上，这　无形中增加了主机自重，另外锚固系统和钻杆装卸均采用自动　液压方式，操作简单。　因此我单位选择了由美国沟神（ＤＩＴＣＨ　ＷＩＴＣＨ）公司制造　的ＪＴｒ＿柏２０型水平定向钻机进行钢管定位施工。其机械性能见　表１：　ＪＴ－４０２０型钻机主要技术参数　表１　项　目　指标　最大扭距　６８０ｏＮ・ｍ　最大推拉力　２０ＯｋＮ　钻机功率　１２７ｋＷ　动力头转速　Ｏｒｐｍ￣１００ｒｐｍ　钻机入射角　Ｏ　２２。　泥浆泵最高压力　８ＭＰａ　配套钻杆　小５０ｍｍ×２０００ｍｍ　标准回扩钻头　２５０、　３５０、￣４２６　４水平定向钻机作业的准备工作　为保证顶管施工的顺利进行，并保证其施工精度，在正式　施工前需要做好下列工作。　①备好无缝钢管材料。本工程使用无缝钢管，钢管使用前　需进行镀锌处理，具体方法为，在镀锌工厂先进行高压钢珠除　锈处理，随后对钢管进行热镀锌，为确保钢管防锈，镀锌的镀膜　要均匀密实，随后涂刷防锈漆。　②钻进前，配合有关单位认真检查是否有地下管线，若有　则提前进行迁移处理。　③对进场的无缝钢管进行配置编号。钢管加工长度一般为　８ｍ～１１　ｍ，采用坡口焊进行钢管接长连接，如下图所示。钢管变　径处采用同心变径管进行连接。钢管焊接后及时除去焊渣并打　磨平顺，涂刷防锈漆３遍。考虑到无缝钢管定位精度和施工场　地的限制，在地面上将钢管两两连接起来。为保证焊接的精度，　在施工现场做了一个钢管焊接平台。以便于钢管焊接直线度的　控制，焊接平台见下图。最后在接收坑内进行二次接长。　④做好中线水平放样工作。在发射坑和接收坑位置处分别　设立一个ＩＩ缶时水准点，以控制管顶高程。从控制网点利用全站　况和做好地质改良措施。　⑥使用［４０槽钢和　１００×１００×１０角钢加工无缝钢管滑动　平台，详见图１。　图１钢管滑道示意图　⑦根据现场施工条件，做好现场的施工布置，详见图２。　津　津　滨　滨　高　高　速　速　公　公　路　路　２５０ｏ　ＪＴ　定　图２顶冒施工平面及断面布置图　⑧组织机械设备和施工人员进场。　⑨钻一个试验孔，取得钻导向孔时的钻进速度、钻头的旋　转速度、回扩钻头的下沉参数等技术参数。首先通过在钻试验　孔过程中试用各种钻进参数，选取钻进精度最高的一组钻进参　数为钻进速度３５ｃｍ／ｍｉｎ、旋转速度８０ｒｐｍ；其次通过扩孔试验，　在本地层中回扩钻头的下沉量约为ｌＯｃｍ，为稳妥起见，取回扩　钻头的下沉量为１５ｃｍ。　５　铺管施工　根据试验孔确定的初始参数进行导向孔的钻进工作，并及　时用泥浆运输车将钻进过程中产生的泥浆运至指定场所。导向　钻头在进洞时采取静压的方法使钻头进入土层ｌＯｃｍ左右，然　后采取快速旋转和慢进尺的方法进行初始段的钻孔作业，直至　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６　Ｎｏ．２　道路・桥梁施工技术　钻头定位钻进正确后进行正常钻孔。同时，在接收坑内将钢管　滑道根据钢管的设计标高和中线位置固定，滑道下面采用垫方　木的方法进行找平，两侧采用打木桩的方法固定滑道的位置，　并将钢管吊至滑道上，进行中线、水平检查，根据检查结果进行　调整。　６施工误差预防及处理措施　由于土质等因素影响，在施工过程中不可避免的出现一些　超允许误差的现象，因此在施工过程中要及时处理，以保证施工　质量。　①由于地质不均匀等原因导向孔出现偏孔现象：可以通过　反向开导向孔或者对土质进行局部改良使土质达到均质效果。　当导向孑Ｌ施工完毕，导向钻头到达接收坑后，卸下导向钻　头装上扩孔钻头，并将钢管与扩孔钻头连接起来，回拉扩孔钻　②扩孔时出现向下弯孔现象可以通过以下办法解决：提高　导向孔的标高，然后再采取反复扩孔；分级扩孔；向弯孔位置注　头和钢管，在整个回拉过程中要遵循快旋转慢进尺（施工参数　为１５ｃ￣ｍｉｎ、８５ｒｐｍ）的原则进行，最大限度地避免弯孔现象的　发生。　无缝钢管精确定位后，将两端的孔采用土袋密封起来，及　时通过固定在钢管上的　４０ｍｍＰＶＣ管向钢管与孔道之间的空　隙内注浆，防止高速公路出现沉降，浆液采用微膨胀水泥浆，水　泥采用３２．５级矿渣水泥、膨胀剂采用ＵＥＡ，掺量为６％。　本工程１２根无缝钢管全部定位完成后，经测量结果如表２。　表２　浆使局部土质强度提高，使扩孔钻头向软基方向偏移。　③扩孔时出现向两侧弯孔现象可以通过以下办法解决：对　地质进行改良；分级扩孔；扩大弯孔同侧钢管并进行反复洗孔强　行纠偏。　④注浆过程中出现管道上浮现象可以通过以下办法解决：　向管道内注水增加管道自重；二次注浆避免管道上浮。　７经济技术比选　由于钢管及拉索横穿津滨高速公路，不可能采用明挖回填　的方式进行铺管作业，而必须采用非正常开挖手段进行铺管作　业。目前进行小口径钢管铺设作业的方法主要有２种形式：第一　种为常用于城市电力、通信等管道铺设的水平定向钻机进行管　道铺设；第二种为常用于给排水管道铺设的微型顶管机进行管　道铺设，此种方法又分为压人式、螺旋钻式、泥水平衡式和土压　平衡式４种。各种施工方法经济技术比选结果如表３。　表３　从上述比较的结果可以得出：在施工可行的情况下，采用水　平定向钻机进行铺管作业可以取得较好的经济效益和社会效益。　８结束语　通过水平定向钻机在本工程铺管作业中的运用，钢管定位　精度全部满足设计和施工规范要求。　①正式施工前需要对现场地质情况进行详细的调查，选择　合理的非开挖铺管作业施工方法和地质改良的方法。　②对施工现场的强弱电进行调查，据此选择合适的导向方　法，以保证施工精度。　③提前做好各种施工事故处理措施的预案，以避免施工事　故的发生。　④通过本工程的施工，拓宽了水平定向钻机的应用范围，为　类似工程的施工积累了宝贵的经验，具有较广阔的应用前景。