水平定向鉆機作業原理概述

薛尚文，焦志鑫，洪嘯虎，黃鎳

（解放軍理工大學工程兵工程學院，江蘇南京 210007）

0 前言

非開挖技術（trenchless technology）是指在不開挖地表的情況下，利用地質工程的技術手段，進行探測、檢查、修復、更換和鋪設各種地下公用設施（管道和電纜）的一種技術。作為近二十年來國際上新興的一種對環境無公害的地下管線施工技術，它在我國目前的經濟建設中得到了廣泛的應用。水平定向鉆機是基于該技術的一種成熟的施工設備，它現在已應用在石油、煤氣、自來水、電訊、熱力等多種領域。

為了便于廣大科研工作者的進一步研究，特在此分析研究了水平定向鉆機的工作原理。水平定向鉆機可用于新建管線鋪設、舊管線更換、舊管線修復等多種施工條件下，在此只分析最具有代表性的管線鋪設中的水平定向鉆進法。

水平定向鉆進的施工過程包括:現場勘察—鉆進先導孔—擴孔—回拉鋪管。如圖1所示。

圖1 水平定向鉆進示意圖

1 現場勘察

除了其他機械施工前常做的例行勘察，比如地表測量等，水平定向鉆進前還需要做地下勘察，除包括查閱有關部門的檔案，了解人防工事等基礎設施的位置外，還應通過金屬探測器勘查以進一步驗證。

目前國內外地下管線探測的主要設備有:管線探測儀、探地雷達、全球定位系統、陀螺儀檢測等。

2 導向孔軌跡的設計

根據勘察的結果，設計施工的軌跡，導向孔一般由三段組成:第一段是鉆桿進入鋪管位置的過渡段;第二段即管線的設計位置;第三段為鉆桿鉆出地表的過渡段。

3 地表導向

設計好先導孔軌跡后，在施工過程中，為保證位置精確，通常采用地表導向設備，它是利用放置在鉆頭附近的探頭發射信號，地表導向儀器可隨時測出鉆頭位置、深度、頂角、工具面向角等參數，與鉆機配合及時調整鉆孔方向，實現有目標的引導式鉆進。

4 鉆進導向孔

鉆進過程為:動力站提供回轉力等動力，在鉆機的給進機構的作用下，鉆桿向前鉆進，鉆進過程中，鉆頭處噴鉆進泥漿。由于單根鉆桿長度有限，故設計有鉆桿的存放/提取和夾持/擰卸系統使鉆桿連續不斷地給進。

a）動力站

水平定向鉆機的鉆進和回拖時所需扭矩較大，轉速較低，動力源一般為低、中速液壓馬達。

b）給進機構

鉆機的給進與回拖機構通常設計為一體，由于鉆機工作過程一般采取一鉆到底的工作模式，很少中途更換鉆頭，因此鉆機均具有較長的給進行程。

給進/回拖機構依據傳力機構和機件的不同，有多種結構形式:單液壓缸給進/回拖機構、液壓缸—鏈條（鋼絲繩）給進/回拖機構、液壓馬達—鏈條給進/回拖機構、液壓馬達—齒輪齒條給進/回拖機構等。

圖2為單液壓缸給進/回拖機構簡圖

圖2 單液壓缸給進/回拖機構

c）鉆桿

鉆桿為直柱形，連接部位在頭尾部，為螺紋連接。

最前面的鉆桿采用帶有斜面非對稱式鉆頭，工作原理為:當鉆頭勻速回轉時，由于鉆頭所受土層壓力方向沿圓周均勻變化，因此軌跡基本為直向鉆進;而當鉆桿只給進不回轉時，鉆頭斜面受土層壓力較大，軌跡通常為順鉆頭斜面方向，從而達到了改變軌跡的效果。如圖3所示。

圖3 軌跡效果圖

d）鉆進泥漿

在水平定向鉆進中，鉆進泥漿由鉆桿頂部的泥漿孔噴出，主要提供冷卻孔底鉆具、攜帶鉆屑并排到地表、穩定孔壁和降低鉆進時所需的扭矩和回拉力。

e）鉆桿存放/提取和夾持/擰卸系統

由于先導孔長度遠大于單根鉆桿長度，故施工過程需要多跟鉆桿連續鉆進，前后鉆桿間的續接工作即由鉆桿存放/提取和夾持/擰卸系統完成。

存放/提取系統由機械手和存儲倉等組成;夾持/擰卸系統主體結構為同一軸心的前后雙夾持器、回轉器，其工作過程為:機械手將下一根鉆桿導入夾持系統中，此時前夾持器夾緊前桿，后夾持器在夾緊后桿的同時順螺紋方向旋轉，將后桿頭旋入前桿尾部，完成夾持過程。擰卸過程與夾持相反，不再絮述。

5 擴孔

擴孔的作用為給下一步的鋪管提供較大的鋪設空間，故當鋪設的管線較細時可擴孔的同時回拉鋪管，當管線直徑較大時，應進行多次逐級擴孔。擴孔過程為在終點井將鉆頭卸下，接上反向擴孔鉆頭（擴孔器）和分動器（擴孔和鋪管同時進行時使用），再次旋轉回拉鉆桿，進行擴孔。

a）反向擴孔鉆頭

反向擴孔鉆頭在不同的底層及不同工作管徑有多種結構形式。常用的反擴鉆頭有翼片式刮刀鉆頭、鑲齒切削式鉆頭、節齒鉆頭、牙輪鉆頭等，均為類錐形結構，錐頭朝向擴孔方向，錐壁上布有刮刀、牙輪等排除土層結構。結構簡圖如圖4所示。

圖4 鉆桿、擴孔鉆頭簡圖

b）分動器

分動器放置在反擴鉆頭和鋪設的管線頭之間，可實現反擴鉆頭旋轉的同時管線不回轉。

6 回拉鋪管

擴孔鉆進完成后，在回拉鉆桿后接上待鋪設的管線進行鋪管，當擴孔鉆頭及所鋪管線到達鉆機一側地表時，鋪管工作宣告完成。

7 結論

非開挖技術解決了地下施工中的多種難題，施工過程科學有序，有眾多優點，但也可看到相關機械體積龐大、結構復雜，且施工工序較繁瑣，這些都是將來需要解決和改進的問題。

［1］鄧愛民，肖嬌美，田流.現代非開挖工程機械［M］.北京:人民交通出版社，2003:2，106-111.

［2］地礦部勘探技術研究所.高壓水射流導向鉆進非開挖鋪管技術及配套設備的研究［M］.北京:地質礦產部勘探技術研究所，1995.

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