巖層非開挖鉆進導向技術的應用
巖層非開挖鉆進導向技術的應用
非開挖施工鋪設地下管線技術由于其對地表結構破壞性小、環保性好、施工效率高、總體成本低而受到廣泛應用。我國在這一領域的發展水平雖較發達國家晚十多年，但隨著經濟建設的不斷發展、西部大開發戰略的實施和城鎮化建設的加快，使非開挖市場正如火如荼地壯大開來。了解并掌握非開挖行業的先進技術有助于促進我國這方面水平的提高。本文將就巖層中非開挖導向鉆孔技術作一介紹。
1土層中鉆進導向機理
一般意義上的非開挖導向鉆孔施工大多在土層條件下進行，此時，導向鉆頭采用的是帶斜面的非對稱式結構。這類鉆頭在孔內實現方向改變的力學機理是從鉆桿獲得的推力克服地層阻力使鉆頭前進。以斜面鉆頭為分析對象，通過鉆桿傳來的鉆機推力與地層阻力共同作用于鉆頭斜面上，兩個力各自分解為垂直于斜面的分力和平行于斜面的分力，垂直于斜面的兩分力大小相等，方向相反，相互抵消；平行于斜面的兩分力則由于鉆機推力分力大于地層阻力分力，最終的合力指向沿斜面的方向，使鉆頭順著斜面前進。具體操作時表現為，當鉆機回轉動作與給進動作同時進行時，鉆孔軌跡呈直線；當鉆機只給進不回轉時，鉆孔軌跡沿鉆頭斜面方向轉彎，從而實現方向改變。
但當所鉆地層為巖層時，鉆機推力無法有效克服地層阻力，因而無法實現只推不轉改變方向的功能，即使只是在卵石層或含石土層中鉆進，也會由于硬石的存在，造成孔內導向板鉆頭受力不均勻，很難實現有效的方向控制。
2巖層中導向工藝
2.1傳統方法一
當在巖層中無法用只推不轉的方法改變鉆孔方向時，一般的做法是將普通切削式斜面鉆頭(導向板)換成偏心式磨削鉆頭或單掌牙輪鉆頭，這時若要改變鉆孔軌跡方向，需推頂和間歇回轉同時作用，即在導向儀鐘面顯示的預設轉彎方向點兩側各60度扇形范圍內推頂并轉動，實現偏心磨削，在鐘面指示的其余各點則空轉過去。例如，要使鉆孔軌跡朝鐘面指示的12點鐘位置(朝上)改變方向，需將偏心鉆頭空轉至10點鐘處，施加推力，推轉至2點鐘位置，形成120度扇形面的磨削。然后稍微回拉鉆頭，使脫離切削面，再空轉至10點鐘位置，施加推力，推轉至2點鐘位置，實現另一次120度扇形面的磨削。這樣反復進行推轉和空轉，使鉆孔軌跡偏離原來軸線，朝上傾斜一個角度，實現轉彎。
這種施工工藝只能間歇性克取巖石，而這種推轉和空轉的轉換操作需人為地一下一下進行，使導向效率極低，改變一次方向需數小時之久。在破碎地層或卵石地層中由于不均勻性，有時根本無法實現有效控向。
2.2傳統方法二
另一種傳統的巖石鉆進工藝是孔底泥漿馬達，這種工藝條件下鉆孔轉彎時，泥漿馬達通過由鉆桿內腔輸送來的高壓泥漿驅動，提供牙輪鉆頭克取巖石所需扭矩，鉆桿無須回轉，只提供推力和鉆孔方向控制，泥漿馬達與鉆桿軸線間有一安裝偏角，以實現方向改變；鉆直線孔時，鉆桿與泥漿馬達同時回轉。使用這種工藝進行施工時，存在如下問題：
(1)機器需配置高壓力大流量泥漿泵以確保泵送足夠的泥漿驅動泥漿馬達工作。普通鉆機現有泥漿泵難以滿足要求；
(2)泥漿耗量比普通鉆進時的大2-3倍，使泥漿材料的消耗成本大大提高；
(3)需配備專門的大功率泥漿攪拌系統，以滿足大量泥漿需要；
(4)從環保角度看，特別在城市施工時，大量的廢漿需要處理，增加了施工成本；
(5)為使泥漿動力有效到達泥漿馬達部位，對鉆桿柱各連接處的密封要求及抗高壓沖刷要求進一步提高；
(6)探頭容納管與導向鉆頭之間增加了1米多長的泥漿馬達，使鉆孔軌跡的控向精度受到影響。
傳統的方法還有利用氣動潛孔錘工藝和液壓沖擊整體鉆桿柱方法進行巖層導向孔施工，這些方法雖然在碎巖效率上有所提高，但在鉆孔轉彎時都只能采用偏磨的方式進行，總體效率依然很低。另外，氣動潛孔錘工藝中需另外配備高壓力大流量空壓機，干式鉆進時則還需一套降塵和除塵裝置；而液壓沖擊整體鉆桿柱的方法則增加了鉆桿的疲勞破壞程度，影響施工安全和鉆桿使用壽命。
3最新施工技術--雙壁鉆桿工藝
3.1工藝原理
3.1.1結構
雙壁鉆桿是美國溝神(DITCHWITCH)公司的新一項非開挖方面的技術專利。這是一種桿中桿結構，分成內鉆桿和外鉆桿兩部分。工作過程中外鉆桿之間通過螺紋相互連接，內鉆桿之間則通過六方結構的公母接頭插接相連。泥漿通過內外鉆桿之間的環狀空間輸送到孔底。在雙馬達動力頭驅動下，內鉆桿和外鉆桿可相對獨立旋轉，鉆巖用三牙輪導向鉆頭與內鉆桿連接，鉆頭后部的探頭容納管與外鉆桿連接，并與鉆桿柱軸線呈2°安裝偏角。
3.1.2導向機理
施工過程中，當內外鉆桿同時旋轉時，鉆孔軌跡呈直線狀態；當內鉆桿旋轉而外鉆桿依據探頭容納管的安裝偏角位置停止在某固定方向上不旋轉只推進時，鉆孔軌跡便朝該方向轉彎，即內鉆桿供給鉆頭扭矩，外鉆桿供給鉆頭推力和方向控制。例如要想讓鉆孔朝上轉彎，可旋轉外鉆桿使其在地面跟蹤儀上的鐘面位置為12點，表明此時安裝偏角朝上。外鉆桿固定在12點位置停止旋轉只施加推力，而讓內鉆桿帶動鉆頭旋轉，使鉆孔快速實現朝上轉彎。到達預定傾角后再讓內外管同時旋轉使鉆直線孔。這樣無論是直線孔段還是轉彎孔段，鉆頭都能不間斷地高速穩定旋轉，有效克服巖石，實現高效施工。
3.1.3導向機理
與泥漿馬達工藝相比，雙壁鉆桿工藝有如下特點：
(1)雙壁鉆桿工藝中鉆頭的動力通過內鉆桿直接提供，相當于機械馬達。在同等主機功率條件下，機械傳動效率比泥漿馬達的液壓傳動效率高很多，這樣可進一步保證巖石鉆進的效率；
(2)雙壁鉆桿工藝進行巖石施工時避免了泥漿馬達工藝中所要求的大量泥漿的使用，減少了相關的泥漿動力和泥漿材料成本消耗及環保壓力；
(3)雙壁鉆桿條件下探頭容納管緊跟導向鉆頭之后，控向精度高，避免了泥漿馬達工藝中由于探頭與導向鉆頭之間距離大而引起的控向精度誤差，特別在控向精度要求極高的污水管等重力管線施工中更顯重要。
3.1.4配套設備
雙壁鉆桿施工工藝還可在非常地層如碎石層、卵石層或土石混合層中進行長距離高效導向。與這種工藝配套的廣普型JT2720AT、JT4020AT鉆機由美國DITCHWITCH公司研制而成，鉆機除具有雙馬達動力頭結構及相應的控制系統外，還具有獨特的電子技術，達到高度智能化和自動化，可實現均勻地層條件下的自動鉆進功能；另外，其自動存取鉆桿、自動涂抹絲扣油、鉆桿箱側面添加鉆桿等特點確保減少施工中輔助時間的消耗，使這種巖石鉆進工藝的高效性得以進一步充分發揮。鉆機由巖石鉆進模式(AT模式)向普通土層鉆進模式(JT模式)轉換時，只需按一下機器上的轉換開關、換一套鉆桿即可，機器本身無需作任何變動。
3.2使用情況
AT巖石鉆進系統由于其高效性和實用性，得到了使用者的廣泛認可，目前國內擁有這種鉆機共十臺，進行過通訊、燃氣、自來水等行業的管線施工，經歷過川西平原的卵石層穿越，大連、青島地區的風化巖穿越和其它硬地層的穿越。其中，中國通信建設工程公司西安局截止到2003年7月，采用JT2720AT鉆機在兩年時間內進行非開挖管線施工總計三萬多米，其中卵礫石、風化層中施工5000多米。現在正和其它四臺JT2720AT鉆機一起在濱海城市大連市進行市政工程改造施工，其中許多工程都是在研磨性強的風化巖中進行，充分體現了AT技術的獨特優勢。隨著國內非開挖技術的越來越普及，將會遇到更多的堅硬復雜地層施工，高效巖石鉆進技術也必將會有更為廣泛的用途。
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