作者：淄博张店区公路局 赵波
1 凯斯60系列定向钻机构造及工作原理
凯斯60系列定向钻机是凯斯公司向公用设施建设提供的一种新的施工方法，它为告别在马路、人行道下安置管道需要开挖道路或在河流段安装管道需要空架或冲槽等旧方法，提供了崭新且有效的手段。
1．1 凯斯水平定向钻机的工作原理
先用钻头在马路、人行道或河流底下实施钻孔。操作人员利用控向仪传回的钻头在地下情况数据(如：钻头位置、深度)，在地面上操作钻机来控制钻头在地下的方向，使钻头绕开地下原有的公用服务设施管线顺利钻出地面。钻子L完成后，利用回扩器对原孔道进行再扩大，同时钻杆就可拖拽着与回扩器相连的电缆或其它管道沿原孔道拉回，便可完成地下管线的敷设工作。施工全程无需破坏路面，或进行水下作业，起到了减少工程成本、提高效率、改善环境的效果。
1．2 凯斯整体优化钻机
为了适应迅速发展的非开挖施工需求和工程承包商对设备越来越高的品位要求。钻机的优化改进集中在四大部分：采用六缸发动机作为主动力、动力头倍力推拉驱动系统，钻进／回拖和扭矩的液压系统各自独立、多方位采用优化技术，给用户一个全新概念的定向钻机。
1．2．1六缸发动机作为主动力，提供强劲的后备能力
凯斯公司的6030钻机采用六缸发动机，作为这一级别定向钻机的主动力。六缸发动机提供了充足的后备功率，13．6t的钻进／回拖力是同档机中最高的。凯斯的这一设计理念，相信在不久的将来会成为同行效仿的对象。
1.2.2 倍力推拉驱动系统，输出高效率的钻进动力 凯斯6010和6030定向钻机分别可以输出惊人的11500磅和30000磅的钻进回拖力，突破了传统钻机性能级别的限制。高效率的推拉是通过配备享有专利的凯斯倍力推拉系统实现的。倍力推拉系统以独特的结构，增加了双倍的承载能力，籍此降低施工者的风险，各主要部件的载荷降低50％，延长了推拉链条的寿命和提高设备的可靠性。
1．2．3 钻进／回拖、扭矩液压系统独立
传统定向钻机在钻边回拖和扭矩的输出上都采用一套液压系统，带来的隐患是，当工程需要扭矩和回拖力同时达到最大时，一套液压系统就不能提供充足的出力。凯斯60系列钻机将这一部分改为两套独立的液压系统后，可以分别提供钻进／回拖和扭矩需要的动力，这是同类钻机中唯一的。两套液压油路钻机工作时，钻划回拖、扭矩力均可以同时达到最大，并始终保持这一工作状态。
1．2．4 整体优化提升，以人为本，为操作者提供最大的便利
凯斯对60系列钻机的整体优化提升，不仅体现在施工抗风险能力的提高。同时也兼顾操作者使用机器时的舒适、方便、易维护。根据人体工程学设计的操作椅，全天候的电子控制面板，降低操作人员的工作强度；上掀式整体机罩方便保养、维修；多孔位锚桩机构，分类后支撑定位，遇复杂地形依然可以稳固钻机：这样的优化性提升在设备中还有多处。
2 凯斯6030定向钻机在黄浦江工程中的应用
2．1 机型的确定
中国海底电缆建设公司(简称：海缆公司)最近承接上海信息(网络)港，自北向南从黄浦江底埋设光缆的项目。由于黄浦江米市渡口通讯光缆是保证松江与上海市区电信通讯联络顺畅的最关键枢纽，而且地理条件特殊，根据工程要求，海缆公司与凯斯定向钻机中国总经销商一美国十方国际公司的技术人员共同分析，最终确定使用凯斯6030水平定向钻机作为项目的施工设备。凯斯6030的六缸发动机作为主机动力，储备了充足的后备支持功率；倍力推拉驱动系统的抗拉能力，比普通设备高一倍；钻放回拖和扭矩的动力输出独立，液压系统互不干扰；这些优势是完成这一挑战性工程的有力保障。
2．2 配套设备的确定
定向钻施工除主机外，主要配套设施，包括如控向仪、泥浆系统以及泥浆、钻具的选配都是需要根据工程的实际情况来确定的。
2．2．1 控向仪
米市渡口工程距离长，深度落差大，海缆公司专门订购了美国DCI公司的MARKIV型有线控向仪。有线控向仪主要由信号棒、遥显仪、探测仪、信号传输线组成。信号棒装在特制的无磁钻具体内，传输线与信号棒连接，向钻进控制台传输控向参数(倾仰角、旋转方位、温度等，不能提供深度信号)。有线控向参数不受空间电磁波的干扰。适合长距离穿越。DCI公司的MARIV型有线控向仪是对无线控向模式的技术改良，控向能力在小型控向仪中首届一指(深度43m，距离用0m)。信号棒需要的能量通过电缆从钻机获得，保证不间断进行长距离穿越的需要。十方公司和凯斯公司为米市渡口工程，特别从美国聘请了DCI公司的控向专家Mr．Joezeck专程到现场技术指导。十方公司派两名非开挖方面的专职工程师现场协助工作。
2．2．2 凯斯泥浆系统
针对黄浦江穿越距离长，泥浆用量大，海缆公司订购了两套凯斯BPM335泥浆混配系统。泥浆配置效果直接影响钻进时成孔质量，而泥浆的固体颗粒遇水后容易结块，不能充分水化的特性，困扰了钻机生产商和用户。凯斯水平定向钻机泥浆系统的混配方式，设计为前剪切混配，即在泥浆颗粒入水前，对其充分切碎，增加颗粒接触水的面积，减少颗粒相互沾粘成团，泥浆颗粒进入泥浆罐后，被抽吸式循环系统直接送人泥浆罐，进行360。搅拌，获得最好的混配效果。凯斯泥浆系统结构简单、重量轻，非常方便于野外施工的搬迁。
定向钻施工需要用大量的泥浆，泥浆在定向钻进工艺中的作用，被比喻为“人体的血液”。它对孔道起到润滑、固壁、清理的作用，同时循环冷却信号棒，保证信号棒的正常工作温度。凯斯提供十几种泥浆产品，为用户在普通地层和复杂地质制备有效的泥浆提供途径。适用于沙层的凯斯高效硼润土、用于沙土层的“一步法复合型硼润土”，十多种凯斯泥浆添加剂，可以配置成不同的泥浆液，用于耕土、沙土、沙砾土和岩层成孔用。由于泥浆的种类很多，如何使用却因地而异。所以施工前对施工段的土质状态应当充分了解，才能确定恰当的泥浆配比。
3 凯斯6030水平定向钻机穿越黄浦江工程
的施工过程
3．1 工程施工准备过程
米市渡口的地质和上海大多数地区一样，属于冲击平原级土层，因此泥浆以化学聚合物为主。再考虑到穿越距离长，为防止融土包裹钻具，所以在化学聚合物中，按比例配专用的凯斯防糊钻液，可进一步降低孔道中的阻力。虽然地质资料表明米市渡口的土质为教土，但黄浦江历史久远，江底情况复杂，远非一份地质报告能够完全表述。为此，现场还预备了凯斯专用的高效硼润土以及配合使用的凯斯其它辅助添加剂，为土质变化准备了应急措施。
米市渡口段的工程要求光缆埋设长度为360m，以吴础口为“旷伎水平面，向下埋深24m，光缆距河床底部最低点6m。出、入口分别距离江岸50m。敷设三根由43硅心管。这个工程的主要难度即特点在于：①出、人土点的光缆位置与最底部的高落差(24m)；②施工段位于航运繁忙的水道上，水急船多；③在260米宽的江面下钻进时，大约有一百多米江中心的水面上不能进行控向探测。根据这些实际情况，十方和海缆公司的技术人员有针对性地制定了施工方案。
施工分为四阶段：第一阶段入射改平，这一段的钻进深度要达到24m左右。水平距离不少于130m，并形成一个改平拐点；第二阶段改平钻进，在拐平拐点处保持方向，完成江底的水平穿越，穿越距离约120m左有，深度距河床6m；第三阶段向上出土，完成向上的方向调整，保证在预定的出土点；第四阶段回拖，根据施工条件的限制，采用一次性扩孔回拖，置人埋设的管材。
3．2 工程的实地实施过程
在做了充分的准备工作后，开始第一阶段的钻进。装备了无磁钻杆的第一根钻杆以20。的大入射角插入地表，在同一角度下，连续钻进四十三根钻杆后，钻进深度到达水下25m处，钻进长度132m。从江面上看，在这里已经无法进行控向，在设计方案中要施工的第二阶段；司钻手采用三根钻杆累计变化，形成了一个比较大的拐点后，进入改平钻进，司钻手在没有深度信号的情况下，依靠控向系统提供倾仰角、转向舵面参数，保持钻板在地下处于360。旋转的状态，控制水平前进方向，在水平定向钻穿越中，这一方式叫“百钻”。钻完第八十九根钻杆后，司钻手将钻板停留在十二点钟的位置，开始进行第三阶段的操作。连续对八根钻杆进行角度调整，使钻板保持斜直线向上，水平方向要完成一百一十米左右的穿越距离；二月二十日钻板终于在离原定的出土点不到半米处出现，虽然出土点未能与预定点完全重合，但这一距离的误差在估计范围内。
由于埋设的三根HDPE硅心管总集束后的直径不超过90mm，所以可采用一次性目扩回拖。考虑到回拖孔道长，拐点弯度大，要防止在拐点处卡管。加扩器采用流道式，规格大于管材直径两倍以上。操作时遵循慢转慢拖，大泥浆流量注射，孔道内泥浆充盈，保证回扩器一次性成子L效果和排屑。卸下装有钻板的无磁钻体后，装上预扩接杆器，须扩接杆器再接上回扩器，回扩器后接上回转器。 回拖前将管材口用金属堵头密封好(为了防止泥浆流人)，把集束管的前端捆扎住与回转器钩连，然后将管线回拖到位，整个工程完成。
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