水平定向鉆機(jī)作業(yè)原理概述

薛尚文，焦志鑫，洪嘯虎，黃鎳

（解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇南京 210007）

0 前言

非開挖技術(shù)（trenchless technology）是指在不開挖地表的情況下，利用地質(zhì)工程的技術(shù)手段，進(jìn)行探測(cè)、檢查、修復(fù)、更換和鋪設(shè)各種地下公用設(shè)施（管道和電纜）的一種技術(shù)。作為近二十年來國(guó)際上新興的一種對(duì)環(huán)境無公害的地下管線施工技術(shù)，它在我國(guó)目前的經(jīng)濟(jì)建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。水平定向鉆機(jī)是基于該技術(shù)的一種成熟的施工設(shè)備，它現(xiàn)在已應(yīng)用在石油、煤氣、自來水、電訊、熱力等多種領(lǐng)域。

為了便于廣大科研工作者的進(jìn)一步研究，特在此分析研究了水平定向鉆機(jī)的工作原理。水平定向鉆機(jī)可用于新建管線鋪設(shè)、舊管線更換、舊管線修復(fù)等多種施工條件下，在此只分析最具有代表性的管線鋪設(shè)中的水平定向鉆進(jìn)法。

水平定向鉆進(jìn)的施工過程包括:現(xiàn)場(chǎng)勘察—鉆進(jìn)先導(dǎo)孔—擴(kuò)孔—回拉鋪管。如圖1所示。

圖1 水平定向鉆進(jìn)示意圖

1 現(xiàn)場(chǎng)勘察

除了其他機(jī)械施工前常做的例行勘察，比如地表測(cè)量等，水平定向鉆進(jìn)前還需要做地下勘察，除包括查閱有關(guān)部門的檔案，了解人防工事等基礎(chǔ)設(shè)施的位置外，還應(yīng)通過金屬探測(cè)器勘查以進(jìn)一步驗(yàn)證。

目前國(guó)內(nèi)外地下管線探測(cè)的主要設(shè)備有:管線探測(cè)儀、探地雷達(dá)、全球定位系統(tǒng)、陀螺儀檢測(cè)等。

2 導(dǎo)向孔軌跡的設(shè)計(jì)

根據(jù)勘察的結(jié)果，設(shè)計(jì)施工的軌跡，導(dǎo)向孔一般由三段組成:第一段是鉆桿進(jìn)入鋪管位置的過渡段;第二段即管線的設(shè)計(jì)位置;第三段為鉆桿鉆出地表的過渡段。

3 地表導(dǎo)向

設(shè)計(jì)好先導(dǎo)孔軌跡后，在施工過程中，為保證位置精確，通常采用地表導(dǎo)向設(shè)備，它是利用放置在鉆頭附近的探頭發(fā)射信號(hào)，地表導(dǎo)向儀器可隨時(shí)測(cè)出鉆頭位置、深度、頂角、工具面向角等參數(shù)，與鉆機(jī)配合及時(shí)調(diào)整鉆孔方向，實(shí)現(xiàn)有目標(biāo)的引導(dǎo)式鉆進(jìn)。

4 鉆進(jìn)導(dǎo)向孔

鉆進(jìn)過程為:動(dòng)力站提供回轉(zhuǎn)力等動(dòng)力，在鉆機(jī)的給進(jìn)機(jī)構(gòu)的作用下，鉆桿向前鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程中，鉆頭處噴鉆進(jìn)泥漿。由于單根鉆桿長(zhǎng)度有限，故設(shè)計(jì)有鉆桿的存放/提取和夾持/擰卸系統(tǒng)使鉆桿連續(xù)不斷地給進(jìn)。

a）動(dòng)力站

水平定向鉆機(jī)的鉆進(jìn)和回拖時(shí)所需扭矩較大，轉(zhuǎn)速較低，動(dòng)力源一般為低、中速液壓馬達(dá)。

b）給進(jìn)機(jī)構(gòu)

鉆機(jī)的給進(jìn)與回拖機(jī)構(gòu)通常設(shè)計(jì)為一體，由于鉆機(jī)工作過程一般采取一鉆到底的工作模式，很少中途更換鉆頭，因此鉆機(jī)均具有較長(zhǎng)的給進(jìn)行程。

給進(jìn)/回拖機(jī)構(gòu)依據(jù)傳力機(jī)構(gòu)和機(jī)件的不同，有多種結(jié)構(gòu)形式:單液壓缸給進(jìn)/回拖機(jī)構(gòu)、液壓缸—鏈條（鋼絲繩）給進(jìn)/回拖機(jī)構(gòu)、液壓馬達(dá)—鏈條給進(jìn)/回拖機(jī)構(gòu)、液壓馬達(dá)—齒輪齒條給進(jìn)/回拖機(jī)構(gòu)等。

圖2為單液壓缸給進(jìn)/回拖機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 單液壓缸給進(jìn)/回拖機(jī)構(gòu)

c）鉆桿

鉆桿為直柱形，連接部位在頭尾部，為螺紋連接。

最前面的鉆桿采用帶有斜面非對(duì)稱式鉆頭，工作原理為:當(dāng)鉆頭勻速回轉(zhuǎn)時(shí)，由于鉆頭所受土層壓力方向沿圓周均勻變化，因此軌跡基本為直向鉆進(jìn);而當(dāng)鉆桿只給進(jìn)不回轉(zhuǎn)時(shí)，鉆頭斜面受土層壓力較大，軌跡通常為順鉆頭斜面方向，從而達(dá)到了改變軌跡的效果。如圖3所示。

圖3 軌跡效果圖

d）鉆進(jìn)泥漿

在水平定向鉆進(jìn)中，鉆進(jìn)泥漿由鉆桿頂部的泥漿孔噴出，主要提供冷卻孔底鉆具、攜帶鉆屑并排到地表、穩(wěn)定孔壁和降低鉆進(jìn)時(shí)所需的扭矩和回拉力。

e）鉆桿存放/提取和夾持/擰卸系統(tǒng)

由于先導(dǎo)孔長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于單根鉆桿長(zhǎng)度，故施工過程需要多跟鉆桿連續(xù)鉆進(jìn)，前后鉆桿間的續(xù)接工作即由鉆桿存放/提取和夾持/擰卸系統(tǒng)完成。

存放/提取系統(tǒng)由機(jī)械手和存儲(chǔ)倉(cāng)等組成;夾持/擰卸系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)為同一軸心的前后雙夾持器、回轉(zhuǎn)器，其工作過程為:機(jī)械手將下一根鉆桿導(dǎo)入夾持系統(tǒng)中，此時(shí)前夾持器夾緊前桿，后夾持器在夾緊后桿的同時(shí)順螺紋方向旋轉(zhuǎn)，將后桿頭旋入前桿尾部，完成夾持過程。擰卸過程與夾持相反，不再絮述。

5 擴(kuò)孔

擴(kuò)孔的作用為給下一步的鋪管提供較大的鋪設(shè)空間，故當(dāng)鋪設(shè)的管線較細(xì)時(shí)可擴(kuò)孔的同時(shí)回拉鋪管，當(dāng)管線直徑較大時(shí)，應(yīng)進(jìn)行多次逐級(jí)擴(kuò)孔。擴(kuò)孔過程為在終點(diǎn)井將鉆頭卸下，接上反向擴(kuò)孔鉆頭（擴(kuò)孔器）和分動(dòng)器（擴(kuò)孔和鋪管同時(shí)進(jìn)行時(shí)使用），再次旋轉(zhuǎn)回拉鉆桿，進(jìn)行擴(kuò)孔。

a）反向擴(kuò)孔鉆頭

反向擴(kuò)孔鉆頭在不同的底層及不同工作管徑有多種結(jié)構(gòu)形式。常用的反擴(kuò)鉆頭有翼片式刮刀鉆頭、鑲齒切削式鉆頭、節(jié)齒鉆頭、牙輪鉆頭等，均為類錐形結(jié)構(gòu)，錐頭朝向擴(kuò)孔方向，錐壁上布有刮刀、牙輪等排除土層結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 鉆桿、擴(kuò)孔鉆頭簡(jiǎn)圖

b）分動(dòng)器

分動(dòng)器放置在反擴(kuò)鉆頭和鋪設(shè)的管線頭之間，可實(shí)現(xiàn)反擴(kuò)鉆頭旋轉(zhuǎn)的同時(shí)管線不回轉(zhuǎn)。

6 回拉鋪管

擴(kuò)孔鉆進(jìn)完成后，在回拉鉆桿后接上待鋪設(shè)的管線進(jìn)行鋪管，當(dāng)擴(kuò)孔鉆頭及所鋪管線到達(dá)鉆機(jī)一側(cè)地表時(shí)，鋪管工作宣告完成。

7 結(jié)論

非開挖技術(shù)解決了地下施工中的多種難題，施工過程科學(xué)有序，有眾多優(yōu)點(diǎn)，但也可看到相關(guān)機(jī)械體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且施工工序較繁瑣，這些都是將來需要解決和改進(jìn)的問題。

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