隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展,加上地下管線的建設(shè)缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃,經(jīng)常出現(xiàn)同一馬路多次開(kāi)挖鋪設(shè)管線的情形,不僅造成了環(huán)境污染而且給周?chē)用竦娜粘Ｉ钜约俺鞘薪煌◣?lái)不便,。非開(kāi)挖技術(shù)把施工對(duì)環(huán)境的影響減少到最小,而且當(dāng)管線通過(guò)重要道路、河流,、集市時(shí),非開(kāi)挖技術(shù)就顯得更為重要,。
水平定向鉆作為非開(kāi)挖技術(shù)中最具活力的一項(xiàng)施工技術(shù),具有導(dǎo)向準(zhǔn)確、有利環(huán)保,、效率高等特點(diǎn),。它能在一定曲率半徑范圍內(nèi)繞開(kāi)障礙物,能避免破壞管線經(jīng)過(guò)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境,施工速度快,效率高,穿越長(zhǎng)度長(zhǎng),深度深。目前在國(guó)內(nèi)已越來(lái)越多地應(yīng)用于石油,、天然氣,、電力、電信等領(lǐng)域。以下將從水平定向鉆的基本結(jié)構(gòu)和施工工藝兩方面介紹水平定向鉆在鋪設(shè)燃?xì)夤艿乐械膽?yīng)用,。
一,、水平定向鉆的基本結(jié)構(gòu)
無(wú)論是大型還是中小型水平定向鉆, 其基本結(jié)構(gòu)包括主機(jī)、鉆具,、導(dǎo)向系統(tǒng),、泥漿系統(tǒng)以及智能輔助系統(tǒng)。
(1) 主機(jī)
主機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)一般為柴油發(fā)動(dòng)機(jī),。柴油機(jī)作為動(dòng)力源,其功率是衡量鉆機(jī)施工能力的指標(biāo)之一,。但在鉆機(jī)鉆進(jìn)回拖過(guò)程往往需要鉆機(jī)以恒定的荷載運(yùn)行,因此發(fā)動(dòng)機(jī)的連續(xù)功率顯得更重要。為了降低勞動(dòng)強(qiáng)度,提高勞動(dòng)效率,主機(jī)一般裝備了鉆桿自動(dòng)裝卸裝置,。鉆進(jìn)時(shí),鉆機(jī)自動(dòng)從鉆桿箱中移取鉆桿,旋轉(zhuǎn)加接到鉆桿柱上,。回拖時(shí),正好相反,。有的還裝備了潤(rùn)滑油自動(dòng)涂抹裝置,對(duì)鉆桿連接頭螺紋的潤(rùn)滑有助于延長(zhǎng)鉆桿的壽命,。鉆機(jī)在工作中應(yīng)完全固定。如果在鉆進(jìn)拖拉過(guò)程中發(fā)生移動(dòng),一方面有可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)損壞,另一方面會(huì)降低推拉力,造成孔內(nèi)功率損失,。目前最新鉆機(jī)都有自動(dòng)液壓錨固系統(tǒng),靠自身功率把錨桿鉆入土層,在干燥土層一般用直錨桿,在潮濕土層用螺旋錨桿,。
(2) 鉆具
鉆桿應(yīng)當(dāng)有足夠的強(qiáng)度,以免扭折、拉斷,又要有足夠的柔性,才能鉆出彎曲的孔道,。在長(zhǎng)距離穿越中,鉆桿的長(zhǎng)度直接影響鉆進(jìn)效率,特別是采用有線導(dǎo)向時(shí),長(zhǎng)鉆桿使鉆桿連接次數(shù)減少,將明顯節(jié)約連接時(shí)間,。鉆孔方向的改變是通過(guò)控制鉆頭的方向?qū)崿F(xiàn)的。
鉆頭一般為楔形,在前進(jìn)過(guò)程中,若鉆頭不斷旋轉(zhuǎn),則鉆進(jìn)軌跡為直線,。當(dāng)鉆頭想繞過(guò)障礙物或以一定曲率半徑前進(jìn)時(shí),鉆頭停止轉(zhuǎn)動(dòng),使楔面停留在某一角度再推進(jìn)。這樣,鉆頭就以與楔面相背的方向前進(jìn),。鉆頭斜板通常有噴嘴,高速泥漿從噴嘴噴出,對(duì)土層進(jìn)行沖刷,。煤氣與熱力對(duì)不同土層,應(yīng)選用不同的鉆頭。如在較軟的粘土中,一般選用較大尺寸的鉆頭,便于在推進(jìn)過(guò)程改變方向,。在較硬的鈣質(zhì)層中,選用較小的鉆頭,。而在硬巖鉆進(jìn)則要選用特殊的鉆頭,如鑲焊小尺寸硬質(zhì)合金鉆頭。
擴(kuò)孔器種類繁多,不同的擴(kuò)孔器適用不同土層,。如凹槽狀擴(kuò)孔器適用于沙地和含有巖石的緊密沙地,而在粘性高的粘土中運(yùn)行容易變成球狀;桿狀切割器適用于硬土層,、粘土層,而無(wú)法在巖石地或卵石地有效運(yùn)行。
(3) 導(dǎo)向系統(tǒng)
導(dǎo)向系統(tǒng)包括無(wú)線導(dǎo)向系統(tǒng)和有線導(dǎo)向系統(tǒng),。無(wú)線導(dǎo)向系統(tǒng)由手持式地表探測(cè)器和裝在鉆頭里的探頭組成,。探測(cè)器通過(guò)接收探頭發(fā)射的電磁波信號(hào)判斷鉆頭的深度、楔面傾角等參數(shù),并同步將信號(hào)發(fā)射到鉆機(jī)的操作臺(tái)顯示器上,以便司鉆及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)以控制鉆進(jìn),。在穿越河流,、湖泊時(shí),由于地面行走困難或鉆孔深度太深,電磁波信號(hào)難以接收,就必須使用有線導(dǎo)向系統(tǒng)。探頭通過(guò)鉆桿后接電纜把信號(hào)傳給操作臺(tái), 由于電纜必須由人工通過(guò)鉆桿一根根搭接起來(lái),因此有線導(dǎo)向儀的使用將相當(dāng)耗費(fèi)時(shí)間,。
(4) 泥漿系統(tǒng)
泥漿系統(tǒng)是保證擴(kuò)孔以及管道回拖順利進(jìn)行的重要設(shè)備,。膨潤(rùn)土,、水以及添加劑等在泥漿罐里充分?jǐn)嚢杌旌虾?通過(guò)泥漿泵加壓,經(jīng)過(guò)鉆桿從鉆具噴嘴噴出,沖刷土層并把鉆屑帶走,起到輔助鉆進(jìn)的作用。鉆進(jìn)泥漿可冷卻孔底鉆具,以免鉆具過(guò)熱而磨損,。鉆進(jìn)泥漿的另一重要作用是在回拖管道時(shí)降低管壁與孔壁之間的摩擦力,。在理想狀態(tài)時(shí),管道是懸浮在泥漿中被拉出,因此在實(shí)際工程中,若鉆孔成型好時(shí),管道所需的拉力往往比預(yù)料的要小得多。水平定向鉆管孔直徑一般比較大,孔壁穩(wěn)定性差,而鉆進(jìn)泥漿凝固后,可以起到穩(wěn)定孔壁的作用,。
(5) 智能輔助系統(tǒng)
鉆機(jī)的智能輔助系統(tǒng)近幾年發(fā)展很快,。在預(yù)先輸入地下管線及障礙物位置、鉆桿類型,、鉆進(jìn)深度,、進(jìn)出口位置、管道允許彎曲半徑等參數(shù)后,鉆進(jìn)規(guī)劃軟件可以自動(dòng)設(shè)計(jì)出一條最理想的路徑,包括入土角,、出土角,、每根鉆桿的具體位置等,在實(shí)際工程中可以根據(jù)實(shí)際情況的調(diào)整。
2,、水平定向鉆的施工工藝
(1) 管材的選擇
目前, 應(yīng)用于燃?xì)廨斉涞墓艿烙袖摴?、PE管和鑄鐵管。鑄鐵管由于采用承插式和機(jī)械接口,加上本身柔性差,不適合用水平定向鉆鋪設(shè),。鋼管,、PE管既可拉又可彎,適合用于水平定向鉆, 其中盤(pán)卷PE管最為理想。
(2) 現(xiàn)場(chǎng)勘察
在鉆進(jìn)軌跡設(shè)計(jì)和施工前,應(yīng)對(duì)工作區(qū)及管線經(jīng)過(guò)區(qū)域進(jìn)行地面和地下的勘察,。地面勘察包括對(duì)地形地貌的測(cè)量,確定施工區(qū)域是否有足夠的場(chǎng)地保證設(shè)備的安放和正常施工,。地下勘察包括地質(zhì)條件的勘探和地下管線及設(shè)施的探測(cè)。地質(zhì)條件從根本上決定施工難易程度,。巖層,、碎石層、砂層,、粉土層不適合用水平定向鉆施工,。粘性土既容易鉆進(jìn),孔道成型又好, 適合用水平定向鉆鉆進(jìn)。當(dāng)然這些都不是絕對(duì)的, 例如目前已實(shí)現(xiàn)了在巖土層鉆進(jìn),。土質(zhì)分析判斷可以通過(guò)沿設(shè)計(jì)軌跡鉆勘探孔取樣,具體方法可以參照有關(guān)規(guī)范,。在穿越城市道路時(shí),地下管線的情況往往是錯(cuò)綜復(fù)雜的,既有污水管、給水管,、煤氣管,還有高壓電纜,、通信電纜。在實(shí)際情況中,往往檔案資料不全,原參照標(biāo)志不清,。在這種情況下,地下管線的探測(cè)任務(wù)尤為重要,。對(duì)于金屬管道和電纜,通常用電磁感應(yīng)法探測(cè),如地下管線探測(cè)儀,它是通過(guò)接收地下管線的電磁信號(hào)判斷管線位置。對(duì)于非金屬管線只能采用電磁波法,如IDS探地雷達(dá),它是通過(guò)分析管線反射回來(lái)的電磁波判斷管位。
(3) 鉆機(jī)選擇
鉆機(jī)型號(hào)應(yīng)根據(jù)回拖管道所需拉力選擇,。
回拖力估算公式為:
Fh=(Ff-W)Lf
Ff=π4D2ρng
W= πDδρgg
式中:Fh回拖力,N;
Ff單位長(zhǎng)度管道懸浮在泥漿中產(chǎn)生的浮力,N/m;
W單位長(zhǎng)度管道的重量,N/m;
L管道長(zhǎng)度,m;
f管線與孔壁之間的摩擦系數(shù),可取1.0;
D管道外徑,m;
ρn泥漿密度,kg/m3;
δ管道壁厚,m;
ρg鋼管材的密度,kg/m3,。
(4) 鉆進(jìn)軌跡設(shè)計(jì)
地下情況探明,出土、入土點(diǎn)確定后,根據(jù)管道埋深,就可以設(shè)計(jì)規(guī)劃鉆進(jìn)軌跡,。鉆進(jìn)軌跡通常由入土點(diǎn)斜直線段,、曲線段、水平直線段,、過(guò)渡段,、直線段、出土點(diǎn)組成,。曲線段的曲率半徑應(yīng)大于鉆桿和管道的最小彎曲半徑,例如材料S135,長(zhǎng)度5 m的鉆桿最小彎曲半徑為70 m左右,。鋼管的最小彎曲半徑根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取大于管道外徑的1 200倍。PE管有較強(qiáng)的柔性,能適應(yīng)鉆桿鉆出的任何孔道,。鉆具的入土角較大,而曲率半徑一定時(shí),將使鉆孔深度加深,。入土角較小,有利于鉆桿受力和管道回拖。
(5) 鉆進(jìn)操作
導(dǎo)向孔鉆進(jìn): 司鉆根據(jù)導(dǎo)向儀傳遞的有關(guān)鉆頭參數(shù),調(diào)整實(shí)際鉆進(jìn)軌跡與設(shè)計(jì)軌跡的偏差,確保正確鉆進(jìn),。
擴(kuò)孔: 導(dǎo)向孔完成后,在出土點(diǎn)換上旋轉(zhuǎn)接頭和擴(kuò)孔器進(jìn)行回?cái)U(kuò),。經(jīng)回?cái)U(kuò)的最終孔道直徑應(yīng)是管道直徑的1.5～2.0倍。若一次回?cái)U(kuò)不能滿足要求,可進(jìn)行多次回?cái)U(kuò),擴(kuò)孔器后面應(yīng)接入鉆桿,以保證下一次回?cái)U(kuò)的順利進(jìn)行,。拖管:拖管可與最后一次擴(kuò)孔同時(shí)進(jìn)行,。對(duì)于PE管, 作用在管道上拉力不能太大,以免拉傷PE管。
(6) 管道外防腐
采用水平定向鉆鋪設(shè)的鋼管一般深度較深,鋪設(shè)后外防腐很難檢測(cè),。即使發(fā)生泄漏,也不可能進(jìn)行開(kāi)挖搶修,因此對(duì)鋼管的防腐涂層提出了很高要求,。除了要有良好的電絕緣性,能耐腐蝕、抗菌外,還要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度;有較好的耐磨性,以防止與土壤摩擦而損傷;有良好的抗彎曲性,以確保防腐層在一定曲率半徑下不致?lián)p壞,。另外,若鋼管采用陰極保護(hù),就要求防腐蝕層應(yīng)具有一定耐陰極剝離強(qiáng)度的能力,。環(huán)氧粉末由于具有優(yōu)良附著力、柔韌性,、耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)、電絕緣性好等的優(yōu)點(diǎn),在穿越鋼管上有廣泛應(yīng)用,。為了提高單層環(huán)氧粉末的耐機(jī)械撞擊力,防水性,現(xiàn)在已經(jīng)有了雙層環(huán)氧粉末的涂層結(jié)構(gòu)和環(huán)氧粉末外加擠壓聚乙烯(PE夾克)的防腐技術(shù),保證了重要燃?xì)廨敋夤艿赖娜f(wàn)無(wú)一失,。
(7) 壓力試驗(yàn)
管道回拖前應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)和嚴(yán)密性試驗(yàn),管道回拖結(jié)束應(yīng)當(dāng)再進(jìn)行嚴(yán)密性試驗(yàn)
