作者：上海菲力浦斯建筑设备有限公司(沟神—中国) 李晓苗
非开挖施工铺设地下管线技术由于其对地表结构破坏性小、环保性好、施工效率高、总体成本低而受到广泛应用。我国在这一领域的发展水平虽较发达国家晚十多年,但随着经济建设的不断发展、西部大开发战略的实施和城镇化建设的加快,使非开挖市场正如火如荼地壮大开来。了解并掌握非开挖行业的先进技术有助于促进我国这方面水平的提高。本文将就岩层中非开挖导向钻孔技术作一介绍。
1 土层中钻进导向机理
一般意义上的非开挖导向钻孔施工大多在土层条件下进行,此时,导向钻头采用的是带斜面的非对称式结构。这类钻头在孔内实现方向改变的力学机理是从钻杆获得的推力克服地层阻力使钻头前进。以斜面钻头为分析对象,通过钻杆传来的钻机推力与地层阻力共同作用于钻头斜面上,两个力各自分解为垂直于斜面的分力和平行于斜面的分力,垂直于斜面的两分力大小相等,方向相反,相互抵消;平行于斜面的两分力则由于钻机推力分力大于地层阻力分力,最终的合力指向沿斜面的方向,使钻头顺着斜面前进,如图1所示。具体操作时表现为,当钻机回转动作与给进动作同时进行时,钻孔轨迹呈直线;当钻机只给进不回转时,钻孔轨迹沿钻头斜面方向转弯,从而实现方向改变。
但当所钻地层为岩层时,钻机推力无法有效克服地层阻力,因而无法实现只推不转改变方向的功能,即使只是在卵石层或含石土层中钻进,也会由于硬石的存在,造成孔内导向板钻头受力不均匀,很难实现有效的方向控制。
2 岩层中导向工艺
2.1 传统方法一
当在岩层中无法用只推不转的方法改变钻孔方向时,一般的做法是将普通切削式斜面钻头(导向板)换成偏心式磨削钻头或单掌牙轮钻头,这时若要改变钻孔轨迹方向,需推顶和间歇回转同时作用,即在导向仪钟面显示的预设转弯方向点两侧各60度扇形范围内推顶并转动,实现偏心磨削,在钟面指示的其余各点则空转过去。例如,要使钻孔轨迹朝钟面指示的12点钟位置(朝上)改变方向,需将偏心钻头空转至10点钟处,施加推力,推转至2点钟位置,形成120度扇形面的磨削。然后稍微回拉钻头,使脱离切削面,再空转至10点钟位置,实现另一次120度扇形面的磨削。这样反复进行推转和空转,使钻孔轨迹偏离原来轴线,朝上倾斜一个角度,实现转弯,见图2所示。
这种施工工艺只能间歇性克取岩石,而这种推转和空转的转换操作需人为地一下一下进行,使导向效率极低,改变一次方向需数小时之久。在破碎地层或卵石地层中由于不均匀性,有时根本无法实现有效控向。
2.2 传统方法二
另一种传统的岩石钻进工艺是孔底泥浆马达,这种工艺条件下钻孔转弯时,泥浆马达通过由钻杆内腔输送来的高压泥浆驱动,提供牙轮钻头克取岩石所需扭矩,钻杆无须回转,只提供推力和钻孔方向控制,泥浆马达与钻杆轴线间有一安装偏角,以实现方向改变;钻直线孔时,钻杆与泥浆马达同时回转。使用这种工艺进行施工时,存在如下问题: (1)机器需配置高压力大流量泥浆泵以确保泵送足够的泥浆驱动泥浆马达工作。普通钻机现有泥浆泵难以满足要求;(2)泥浆耗量比普通钻进时的大2??3倍,使泥浆材料的消耗成本大大提高;(3)需配备专门的大功率泥浆搅拌系统,以满足大量泥浆需要;(4)从环保角度看,特别在城市施工时,大量的废浆需要处理,增加了施工成本;(5)为使泥浆动力有效到达泥浆马达部位,对钻杆柱各连接处的密封要求及抗高压冲刷要求进一步提高;(6)探头容纳管与导向钻头之间增加了1米多长的泥浆马达,使钻孔轨迹的控向精度受到影响。
传统的方法还有利用气动潜孔锤工艺和液压冲击整体钻杆柱方法进行岩层导向孔施工,这些方法虽然在碎岩效率上有所提高,但在钻孔转弯时都只能采用偏磨的方式进行,总体效率依然很低。另外,气动潜孔锤工艺中需另外配备高压力大流量空压机,干式钻进时则还需一套降尘和除尘装置;而液压冲击整体钻杆柱的方法则增加了钻杆的疲劳破坏程度,影响施工安全和钻杆使用寿命。
3 最新施工技术——双壁钻杆工艺
3.1 工艺原理
3.1.1 结构
双壁钻杆是美国沟神(DITCH WITCH)公司的新一项非开挖方面的技术专利。这是一种杆中杆结构,分成内钻杆和外钻杆两部分。工作过程中外钻杆之间通过螺纹相互连接,内钻杆之间则通过六方结构的公母接头插接相连。泥浆通过内外钻杆之间的环状空间输送到孔底。在双马达动力头驱动下,内钻杆和外钻杆可相对独立旋转,钻岩用三牙轮导向钻头与内钻杆连接,钻头后部的探头容纳管与外钻杆连接,并与钻杆柱轴线呈2°安装偏角。
3.1.2 导向机理
施工过程中,当内外钻杆同时旋转时,钻孔轨迹呈直线状态;当内钻杆旋转而外钻杆依据探头容纳管的安装偏角位置停止在某固定方向上不旋转只推进时,钻孔轨迹便朝该方向转弯,即内钻杆供给钻头扭矩,外钻杆供给钻头推力和方向控制。例如要想让钻孔朝上转弯,可旋转外钻杆使其在地面跟踪仪上的钟面位置为12点,表明此时安装偏角朝上,如图3所示。外钻杆固定在12点位置停止旋转只施加推力,而让内钻杆带动钻头旋转,使钻孔快速实现朝上转弯。到达预定倾角后再让内外管同时旋转使钻直线孔。这样无论是直线孔段还是转弯孔段,钻头都能不间断地高速稳定旋转,有效克服岩石,实现高效施工。
3.1.3 导向机理
与泥浆马达工艺相比,双壁钻杆工艺有如下特点:(1)双壁钻杆工艺中钻头的动力通过内钻杆直接提供,相当于机械马达。在同等主机功率条件下,机械传动效率比泥浆马达的液压传动效率高很多,这样可进一步保证岩石钻进的效率;(2)双壁钻杆工艺进行岩石施工时避免了泥浆马达工艺中所要求的大量泥浆的使用,减少了相关的泥浆动力和泥浆材料成本消耗及环保压力;(3)双壁钻杆条件下探头容纳管紧跟导向钻头之后,控向精度高,避免了泥浆马达工艺中由于探头与导向钻头之间距离大而引起的控向精度误差,特别在控向精度要求极高的污水管等重力管线施工中更显重要。
3.1.4 配套设备
双壁钻杆施工工艺还可在非常地层如碎石层、卵石层或土石混合层中进行长距离高效导向。与这种工艺配套的广普型JT2720AT、JT4020AT钻机由美国DITCH WITCH公司研制而成,钻机除具有双马达动力头结构及相应的控制系统外,还具有独特的电子技术,达到高度智能化和自动化,可实现均匀地层条件下的自动钻进功能;另外,其自动存取钻杆、自动涂抹丝扣油、钻杆箱侧面添加钻杆等特点确保减少施工中辅助时间的消耗,使这种岩石钻进工艺的高效性得以进一步充分发挥。钻机由岩石钻进模式(AT模式)向普通土层钻进模式(JT 模式)转换时,只需按一下机器上的转换开关、换一套钻杆即可,机器本身无需作任何变动。
3.2 使用情况
AT岩石钻进系统由于其高效性和实用性,得到了使用者的广泛认可,目前国内拥有这种钻机共十台,进行过通讯、燃气、自来水等行业的管线施工,经历过川西平原的卵石层穿越,大连、青岛地区的风化岩穿越和其它硬地层的穿越。其中,中国通信建设工程公司西安局截止到2003年7月，采用JT2720AT钻机在两年时间内进行非开挖管线施工总计三万多米,其中卵砾石、风化层中施工5000多米。现在正和其它四台JT2720AT钻机一起在滨海城市大连市进行市政工程改造施工,其中许多工程都是在研磨性强的风化岩中进行,充分体现了AT技术的独特优势。随着国内非开挖技术的越来越普及,将会遇到更多的坚硬复杂地层施工,高效岩石钻进技术也必将会有更为广泛的用途。
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