巖層中非開挖鉆機(jī)進(jìn)導(dǎo)向技術(shù)

非開挖施工鋪設(shè)地下管線技術(shù)由于其對地表結(jié)構(gòu)破壞性小、環(huán)保性好、施工效率高、總體成本低而受到廣泛應(yīng)用。我國在這一領(lǐng)域的發(fā)展水平雖較發(fā)達(dá)國家晚十多年，但隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展、西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施和城鎮(zhèn)化建設(shè)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(yè)的先進(jìn)技術(shù)有助于促進(jìn)我國這方面水平的提高。本文將就巖層中非開挖導(dǎo)向鉆孔技術(shù)作一介紹。

1 土層中鉆進(jìn)導(dǎo)向機(jī)理

一般意義上的非開挖導(dǎo)向鉆孔施工大多在土層條件下進(jìn)行，此時，導(dǎo)向鉆頭采用的是帶斜面的非對稱式結(jié)構(gòu)。這類鉆頭在孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)方向改變的力學(xué)機(jī)理是從鉆桿獲得的推力克服地層阻力使鉆頭前進(jìn)。以斜面鉆頭為分析對象，通過鉆桿傳來的鉆機(jī)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(jī)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(jìn)。具體操作時表現(xiàn)為，當(dāng)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)動作與給進(jìn)動作同時進(jìn)行時，鉆孔軌跡呈直線;當(dāng)鉆機(jī)只給進(jìn)不回轉(zhuǎn)時，鉆孔軌跡沿鉆頭斜面方向轉(zhuǎn)彎，從而實(shí)現(xiàn)方向改變。

但當(dāng)所鉆地層為巖層時，鉆機(jī)推力無法有效克服地層阻力，因而無法實(shí)現(xiàn)只推不轉(zhuǎn)改變方向的功能，即使只是在卵石層或含石土層中鉆進(jìn)，也會由于硬石的存在，造成孔內(nèi)導(dǎo)向板鉆頭受力不均勻，很難實(shí)現(xiàn)有效的方向控制。

2 巖層中導(dǎo)向工藝

2.1 傳統(tǒng)方法一

當(dāng)在巖層中無法用只推不轉(zhuǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)同時作用，即在導(dǎo)向儀鐘面顯示的預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)彎方向點(diǎn)兩側(cè)各60度扇形范圍內(nèi)推頂并轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)偏心磨削，在鐘面指示的其余各點(diǎn)則空轉(zhuǎn)過去。例如，要使鉆孔軌跡朝鐘面指示的12點(diǎn)鐘位置(朝上)改變方向，需將偏心鉆頭空轉(zhuǎn)至10點(diǎn)鐘處，施加推力，推轉(zhuǎn)至2點(diǎn)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(zhuǎn)至10點(diǎn)鐘位置，施加推力，推轉(zhuǎn)至2點(diǎn)鐘位置，實(shí)現(xiàn)另一次120度扇形面的磨削。這樣反復(fù)進(jìn)行推轉(zhuǎn)和空轉(zhuǎn)，使鉆孔軌跡偏離原來軸線，朝上傾斜一個角度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

這種施工工藝只能間歇性克取巖石，而這種推轉(zhuǎn)和空轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換操作需人為地一下一下進(jìn)行，使導(dǎo)向效率極低，改變一次方向需數(shù)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(shí)現(xiàn)有效控向。

2.2 傳統(tǒng)方法二

另一種傳統(tǒng)的巖石鉆進(jìn)工藝是孔底泥漿馬達(dá)，這種工藝條件下鉆孔轉(zhuǎn)彎時，泥漿馬達(dá)通過由鉆桿內(nèi)腔輸送來的高壓泥漿驅(qū)動，提供牙輪鉆頭克取巖石所需扭矩，鉆桿無須回轉(zhuǎn)，只提供推力和鉆孔方向控制，泥漿馬達(dá)與鉆桿軸線間有一安裝偏角，以實(shí)現(xiàn)方向改變;鉆直線孔時，鉆桿與泥漿馬達(dá)同時回轉(zhuǎn)。使用這種工藝進(jìn)行施工時，存在如下問題：

(1)機(jī)器需配置高壓力大流量泥漿泵以確保泵送足夠的泥漿驅(qū)動泥漿馬達(dá)工作。普通鉆機(jī)現(xiàn)有泥漿泵難以滿足要求;

(2)泥漿耗量比普通鉆進(jìn)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(tǒng)，以滿足大量泥漿需要;

(4)從環(huán)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(dá)泥漿馬達(dá)部位，對鉆桿柱各連接處的密封要求及抗高壓沖刷要求進(jìn)一步提高;

(6)探頭容納管與導(dǎo)向鉆頭之間增加了1米多長的泥漿馬達(dá)，使鉆孔軌跡的控向精度受到影響。

傳統(tǒng)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(jìn)行巖層導(dǎo)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(zhuǎn)彎時都只能采用偏磨的方式進(jìn)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(jī)，干式鉆進(jìn)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 施工技術(shù)--雙壁鉆桿工藝

3.1 工藝原理

結(jié)構(gòu)

雙壁鉆桿是美國溝神(DITCH WITCH)公司的新一項(xiàng)非開挖方面的技術(shù)專利。這是一種桿中桿結(jié)構(gòu)，分成內(nèi)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(nèi)鉆桿之間則通過六方結(jié)構(gòu)的公母接頭插接相連。泥漿通過內(nèi)外鉆桿之間的環(huán)狀空間輸送到孔底。在雙馬達(dá)動力頭驅(qū)動下，內(nèi)鉆桿和外鉆桿可相對獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，鉆巖用三牙輪導(dǎo)向鉆頭與內(nèi)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。

導(dǎo)向機(jī)理

施工過程中，當(dāng)內(nèi)外鉆桿同時旋轉(zhuǎn)時，鉆孔軌跡呈直線狀態(tài);當(dāng)內(nèi)鉆桿旋轉(zhuǎn)而外鉆桿依據(jù)探頭容納管的安裝偏角位置停止在某固定方向上不旋轉(zhuǎn)只推進(jìn)時，鉆孔軌跡便朝該方向轉(zhuǎn)彎，即內(nèi)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(zhuǎn)彎，可旋轉(zhuǎn)外鉆桿使其在地面跟蹤儀上的鐘面位置為12點(diǎn)，表明此時安裝偏角朝上。外鉆桿固定在12點(diǎn)位置停止旋轉(zhuǎn)只施加推力，而讓內(nèi)鉆桿帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，使鉆孔快速實(shí)現(xiàn)朝上轉(zhuǎn)彎。到達(dá)預(yù)定傾角后再讓內(nèi)外管同時旋轉(zhuǎn)使鉆直線孔。這樣無論是直線孔段還是轉(zhuǎn)彎孔段，鉆頭都能不間斷地高速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，有效克服巖石，實(shí)現(xiàn)高效施工。

導(dǎo)向機(jī)理

與泥漿馬達(dá)工藝相比，雙壁鉆桿工藝有如下特點(diǎn)：

(1)雙壁鉆桿工藝中鉆頭的動力通過內(nèi)鉆桿直接提供，相當(dāng)于機(jī)械馬達(dá)。在同等主機(jī)功率條件下，機(jī)械傳動效率比泥漿馬達(dá)的液壓傳動效率高很多，這樣可進(jìn)一步保證巖石鉆進(jìn)的效率;

(2)雙壁鉆桿工藝進(jìn)行巖石施工時避免了泥漿馬達(dá)工藝中所要求的大量泥漿的使用，減少了相關(guān)的泥漿動力和泥漿材料成本消耗及環(huán)保壓力;

(3)雙壁鉆桿條件下探頭容納管緊跟導(dǎo)向鉆頭之后，控向精度高，避免了泥漿馬達(dá)工藝中由于探頭與導(dǎo)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。

配套設(shè)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(jìn)行長距離高效導(dǎo)向。與這種工藝配套的廣普型JT2720AT、JT4020AT鉆機(jī)由美國DITCH WITCH公司研制而成，鉆機(jī)除具有雙馬達(dá)動力頭結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的控制系統(tǒng)外，還具有獨(dú)特的電子技術(shù)，達(dá)到高度智能化和自動化，可實(shí)現(xiàn)均勻地層條件下的自動鉆進(jìn)功能;另外，其自動存取鉆桿、自動涂抹絲扣油、鉆桿箱側(cè)面添加鉆桿等特點(diǎn)確保減少施工中輔助時間的消耗，使這種巖石鉆進(jìn)工藝的高效性得以進(jìn)一步充分發(fā)揮。鉆機(jī)由巖石鉆進(jìn)模式(AT模式)向普通土層鉆進(jìn)模式(JT 模式)轉(zhuǎn)換時，只需按一下機(jī)器上的轉(zhuǎn)換開關(guān)、換一套鉆桿即可，機(jī)器本身無需作任何變動。

3.2 使用情況

AT巖石鉆進(jìn)系統(tǒng)由于其高效性和實(shí)用性，得到了使用者的廣泛認(rèn)可，目前國內(nèi)擁有這種鉆機(jī)共十臺，進(jìn)行過通訊、燃?xì)?、自來水等行業(yè)的管線施工，經(jīng)歷過川西平原的卵石層穿越，大連、青島地區(qū)的風(fēng)化巖穿越和其它硬地層的穿越。其中，中國通信建設(shè)工程公司西安局截止到2003年7月，采用JT2720AT鉆機(jī)在兩年時間內(nèi)進(jìn)行非開挖管線施工總計(jì)三萬多米，其中卵礫石、風(fēng)化層中施工5000多米?，F(xiàn)在正和其它四臺JT2720AT鉆機(jī)一起在濱海城市大連市進(jìn)行市政工程改造施工，其中許多工程都是在研磨性強(qiáng)的風(fēng)化巖中進(jìn)行，充分體現(xiàn)了AT技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢。隨著國內(nèi)非開挖技術(shù)的越來越普及，將會遇到更多的堅(jiān)硬復(fù)雜地層施工，高效巖石鉆進(jìn)技術(shù)也必將會有更為廣泛的用途。