非开挖水平定向钻进原理

  于二十世纪六十年代末起源于日本、英国和美国，因为其技能上的优势，在世界各地广泛推行，于1986年在伦敦成立了世界非开挖技能协会（ISTT-International Society for Trenchless technology）。非开挖施工技能主要有

  非开挖施工技能是在不开挖地表的条件下，进行地下管线铺设、替换和修正的一项施工办法，与传统的开挖办法比较，具有不影响交通、不损坏地表设备、施工周期短、施工成本低、操作便利、社会效益明显等长处，特别关于需求在地下较深方位、地表有障碍物、地上附属物修正困难等状况更具优势，现在，广泛应用于穿越公路、铁路、建筑物、河流以及在城区、奇迹保护区等进行市政、供水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等管线的铺设、更新和修正等工程。

  因为国外对非开挖施工技能研讨较早，已构成了多种系列产品，具有代表性的生产厂家有美国的Vermeer公司、DitchWitch公司、Mchlaughlin公司，英国的MTM公司和POWERMOLE公司，德国的ESSIG公司和TRACTO-TECHNIK公司以及瑞士的Terra公司。

  我国非开挖施工技能与设备的开发和研讨作业起步较晚，在二十世纪八十年代后期，因为不允许开挖铺设地下管线的工程日益增多，以及各大城市改扩建工程的展开，开端引入各类非开挖施工设备，并促进了我国非开挖施工技能和设备的开发和研讨作业，并成立了我国非开挖技能协会。非开挖技能在我国的开展非常迅速，2004年非开挖的工程产量和设备的投入量都达到了40~50%的增长速度，设备的国产率大幅进步，有些设备的国产化率达到了90%，年产量超越30亿元。

  水平定向钻进铺管施工办法为：选用水平定向钻机，首要钻进一个较小的导向孔，然后卸下导向钻头，换上扩孔钻头进行反向扩孔，一起将待铺设管线拉入钻孔中，依据钻机的才能和待铺设管线直径巨细，有时需求进行二次或屡次扩孔后再铺设管线，其施工办法如下图。

  图左面为水平定向钻进行导向孔钻进示意图，而图右边为扩孔和铺设管线示意图。水平定向钻具有可操控的钻进体系，能进行导向钻进。经过钻杆的旋转和一个特别规划的楔形钻头，导向钻进进程能进行三维操控，其原理为：当钻进进程假如需求改动方同，钻杆中止旋转，将楔形钻头的楔面固定在相应的方位，将钻杆向前推进即可改动钻进方向。关于钻头的方位、钻头与地上的倾斜度、楔面视点等重要数据是经过一个电磁探测仪传送到地上上的接纳仪器中。抵达意图点的楔形钻头将被换成一个锥形扩孔器，在回拉钻杆时将钻孔扩大到所需直径，一起将管线带入，其扩孔钻头如下图，可完结岩石和土质地层扩孔。

  定向钻机依照不同的推拉力分为6.5t、10t、12t、20t、20t、150t，可用于直径达600mm，一次管线mm或数公里的管线铺设。为了满意更大管径和更长间隔的管线铺设要求，有些公司正在研讨更大吨位的定向钻。

  定向钻机适用于均质地层的施工。当遇到卵砾石地层钻进时，一般钻机难以施工，为了处理上述施工难题，德国的TRACTO-TECHNIK公司开发了一种具有冲击功用的钻机，能够击碎钻进中的卵砾石，而对回扩时遇到大块卵砾石时，可选用图2中右边的岩石扩孔钻头。

  现在在岩石中的钻进已有多种较为老练的办法，其间中联重科研讨出的KSD25型干湿两用水平定向钻机，选用气动冲击锤钻进技能，能完结硬岩导向孔钻进。但在岩石中扩孔至今仍无新的办法呈现，依然选用传统的牙轮钻具，其功率低、磨损严峻、费用高。

  跟着产品的晋级，水平定向钻机向智能化方向开展，能完结智能钻进纠偏、智能故障诊断、主动装卸钻杆、主动锚固、主动清泥和主动钻进等功用。

  气动冲击锤结构非常简略，由一个活塞缸和一个在活塞缸内运动的活塞，以及其它不超越10个辅佐零件组成，其作业原理为：冲击活塞由压缩空气驱动，碰击活塞缸前端，活塞缸前端对活塞的反效果力使得整个冲击锤在土层中沿冲击方向向前运动。气动矛（HammerHead Mole ）、夯管锤（Pipe Ramming Systems）和碎管锤(Pipe Bursting Systems)都称为气动冲击锤，下面将对三种气动冲击锤的施工办法进行剖析。

  气动矛的施工办法为：在压缩空气的效果下，气动矛内的活塞作往复运动，不断冲击锋芒，锋芒揉捏周围的土层构成钻孔，并带动矛体在土层中行进；跟着气动矛的行进，气动矛将直径小矛体的管线拖入孔内，完结管线铺设。依据地质条件的不同，能够选用气动矛先成孔，然后再将管线拖入孔内，也能够边钻孔边将管线拖入孔内。

  气动矛合适在不含水的均质地层中，如粘土、亚粘土中铺设外径为30~150mm，长度为10~100m的钢管、PE、PVC、电缆等管线。气动矛具有操作简略、装拆便利、简略保护、施工成本低、施工速度快等长处，而且具有运动方向正反转功用。

  气动矛的直径为45~180mm，冲击力为1.7~43吨，在加上附件的状况下，气动矛也合适竖直方向如地基桩的夯进，当配上套插锥头也可做为夯具运用。

  气动矛一般只能完结直线钻孔，但德国的TRACTO-TECHNIK公司研发的定向气动矛也可完结定向钻孔，其施工办法如下图所示。定向气动矛借助于规范的导向仪引导方向,传感器置于气动矛前腔室内,给显示器供给倾角及滚动信息,而地上上的手动定位设备可准确盯梢气动矛的倾角和深度方位。依据土壤不同结构,定向气动矛的最小曲折半径为27~30米。

  夯管锤施工办法是选用夯管锤将待铺设的钢管沿规划道路直接夯入地层中，施工时夯管锤的冲击力直接效果于夯管后端，经过钢管传递到前端的管鞋上切削土层，并战胜钢管与地层之间的摩擦力，使钢管不断进入土层，完结非开挖铺设管线。

  夯管锤选用护管夹头与夯管衔接，护管夹头锥形钢套能非常有用地将夯管锤固定在夯管上，然后不需支撑架。选用夯管锤撤退功用，能非常简略将夯管锤从护管夹头上取出。夯管锤的施工办法如下图所示。

  上图左面为选用护管夹头将夯管锤安定地衔接在夯管，并放置在夯管支架平台上，夯管锤的冲击载荷将夯管夯入地层中的状况。上图右边为选用压缩空气或许高压水推进压力盘，将管内土石推出管道的状况，也可选用螺旋钻将管道内的土石挖出。

  夯管锤直径为95~600 mm、夯击力为23~2000吨，适用在不含大型卵砾石的各种土层中铺设外径为50~3500mm，长度为10~80m的钢管。夯管锤施工办法具有不需贵重的阻力支座、装调时间短、技能简洁、只需很小的施工深度、施工成本低、施工速度快等长处，而且也具有撤退的功用。

  夯管锤是运用动态的冲击能将钢管夯入地层，夯管锤在地层改变或遇到障碍物时简略违背方向，钻进的方向不行操控，轨迹精度低，不适宜在大型卵砾石地层中运用。

  气动碎管锤施工办法是选用碎管锤将原有旧管线爆裂，从头铺设新管线的施工办法，新铺设的管线能够等于或大于原有旧管线，其施工原理图如下。

  当管道呈现纵裂、渗漏、生成物堆积、阻塞等状况，能够选用碎管法这种既方便又经济的施工办法从头铺设管线。碎管机能更新的管线有陶瓷、不加筋混凝土、石棉水泥、塑料或铸铁的旧管道。

  气动碎管锤直径为130~600 mm，适用于污水管、排水管及气、水等旧管道的替换，可换入同管径或更大管径的PVC－u（不饱和聚氯乙烯）、PS-HD（高密度聚乙烯）、Pp（聚丙烯）新管线m。碎管锤施工具有设备简略、出资少、施工成本低、简略装置和修理、施工速度快等长处，而且也具有撤退的功用。

  当选用水平定向钻独自施工时，有时会遇到开始钻进困难，钻杆、管道回拖时被泥浆粘住或被卡住等状况，常常选用水平定向钻与气动冲击锤组合施工办法处理上述难题。在岩石、卵砾石和回填土层中铺设管线，对错开挖施工所面对的技能难题，选用水平定向钻与气动冲击锤回扩锤组合施工，是处理上述施工难题的有用办法。

  水平定向钻与夯管锤组合施工，可为水平定向钻机施工前夯入开始管道、协助水平定向钻铺设管道、取回钻钻具、钻杆等。

  夯管锤能协助水平定向钻在坚固的地层夯进一段管通，为钻进液循环预备一条通道，也可为管道回拉时预备一段没有摩擦力区域。

  将夯管锤衔接在铺设管道后端，对管道后端施加冲击力，避免水平定向钻在长间隔管道铺设进程中被泥浆粘住。

  当水平定向钻铺设管道失利的状况下，将夯管捶装置于管道上，当夯管锤的冲击力施加于管道上，能够协助水平定向钻取回被泥浆粘住的管道或钻具。

  选用特别的衔接组织将夯管锤与钻杆衔接，夯管锤的冲击力施加于钻杆上，能够协助水平定向钻取回被泥浆粘住的钻杆。

  在岩石、卵砾石和回填土层中铺设管线，是水平定向钻和气动冲击锤面对的技能难关，而该类工程许多。现在，每逢遇到此类工程时，大部分施工单位都决断地挑选抛弃，少量装备了必定施工设备的施工单位接受此类工程后，往往费尽周折还未必能顺畅竣工，因而，赶快研发满意该类工程施工要求的配套设备是现在商场所急需的。

  矿山潜孔钻机选用的潜孔冲击器也是一种气动冲击锤，其在岩石中钻孔的技能非常老练，广泛应用矿山爆破作业中。依据潜孔钻作业原理，研发一种与水平定向钻机配套施工的气动回扩锤，由水平定向钻供给反转运动，由气动回扩锤供给冲击能，理论能够完结在岩石、卵砾中钻孔和扩孔的施工要求。现在，美国的Vermeer、国内中联重科等公司正在针对上述技能进行研讨，该种新式气动回扩锤将会很快投入非开挖商场，满意用户的施工要求，其施工原理图如下。

  非开挖的商场潜力是巨大的，其技能开展非常迅速，水平定向钻技能与气动冲击锤技能相结合，能满意在卵砾石、岩石等杂乱地层中铺设管线，将对错开挖技能的开展方向。别的水平定向钻技能与自控技能结合，其主动化程度进步，作业更安全可靠，将是水平定向钻技能的开展方向。

  尽管非开挖施工技能在我国不超越三十年的前史，但以水平定向钻和气动冲击锤为代表的非开挖施工办法开展非常迅速，广泛应用于城市新管线铺设和旧管线的替换，其商场潜力不行估量，其主要开展趋势如下：

  1. 设备向大型化开展，满意大管径和长间隔的管线. 水平定向钻机与气动冲击锤设备组合施工，满意在卵砾石、岩石等杂乱地层中管线. 专用设备的开发，如非开挖泥浆净化收回体系，满意特别非开挖施工要求；与自控技能结合，向智能化方向开展。