非开挖施工中导向孔轨迹的简易设计计1.doc

非开挖施工中导向孔轨迹的简易设计计算来源：非开挖技术 作者：李晓苗 日期：2009年08月24日 访问次数： 5183 简易设计计算步骤3.1 计算最短造斜距离L（米）设产品管线铺设深度（一般由工程发包方给出并考虑地面、地下障碍物及地层条件以后确定的）为H（米），产品管线（或所用钻杆）的最小转弯半径为R（米），则第一造斜段的最短造斜距离L为：L=R2 -（R-H）21/2 公式说明：将造斜段拟合为几何圆弧，以轨迹水平段起点处的垂直线上距起点R处一点为圆心，R为半径，作圆弧与水平线（地面）相交，该交点与轨迹水平段起点在水平线上的投影点间距离即为最短造斜距离L （如图2所示）。3.2 造斜段所用钻杆的根数n（根） 设所用钻杆单根长度为S（米），则造斜段所需使用钻杆的大概根数为：n = L/S （根） 公式说明：将轨迹造斜段圆弧曲线近似看作其在水平面上的投影直线（即造斜距离），这样可简化计算公式。在实际工程中由于开孔角度一般不大于20度（36%倾角），且每根钻杆倾角变化不超过10%，因此每根钻杆所对应轨迹圆弧曲线段长度与其在水平面上的投影长度相差不会太大，因而这种近似也是合理的，造成的误差可通过对计算出的n值稍作放大来进行修正。3.3 计算开孔角 先采用反推法粗略算出开孔角，再以此粗略值为准从第一根钻杆开始往后顺序推算出造斜段每一根钻杆的具体倾角和深度。反推法粗略计算：以造斜段每一根钻杆为计算单元，从轨迹水平段起点开始，按与钻孔相反的方向逐根钻杆计算其深度改变量直至到达地面，最后一根钻杆相应的倾角值即位开孔角。 简化方法：将造斜段每一根钻杆的轨迹弧线简化为直线，以简化的直线（即每一根钻杆）为斜边作直角三角形（如图3所示）对于图中的任意一个小直角三角形，其短直角边长度（实际为轨迹中单根钻杆的深度改变量近似值）为H=S sin由于单根钻杆倾角改变量很小（例如沟神公司所有钻杆单根倾角允许改变量都小于10%），根据小角度三角函数的特性，有sin tg这样深度改变量公式可简化为： HS tg式中 S为钻杆单根长度，对于特定钻机而言是常数；tg即为钻杆倾角值，该值是控向仪上可以直观显示的（如某根钻杆处控向仪显示18%时，表明该钻杆所在小直角三角形的tg=0.18）。通过该简化公式将每根钻杆深度改变量的计算由三角计算简化为一般的乘法运算，免除了三角函数的复杂查阅，这给导向人员现场计算带来极大方便，甚至可以一边施工一边随时心算下一根钻杆所可能到达的深度。反推法粗算开孔角时，每根钻杆倾角允许改变量取最大值，在随后的顺推过程中再根据需要进行调整。4 计算举例某工程铺设PE管，铺设深度3米，使用沟神JT27M1施工，已知钻杆单根长度3米，最小转弯半径54米，设计该工程钻孔轨迹。解：（1）所需最小造斜距离（即开孔点位置） 根据前述最小造斜距离计算公式，这里R=54米，H=3米，最短造斜距离为L=542-（54-3）2 1/2=17.75（米）按前面讨论的轨迹弧线和投影直线间误差问题，这里将计算出的最短造斜距离修正为18米，即钻机需定位在距离水平段起点至少18米或以远。（2）造斜段所需钻杆最少根数n 根据公式，已知L=18，钻杆单根长3米，故该造斜段所需钻杆至少为n = 18/3 = 6（根）在（1）、（2）的计算中，也可以先不修正L，直接用计算出的L算出钻杆根数n的值, 再将算出的n值修正成整（根）数。（3）开孔角计算 由前面列表可知JT27M1钻机的钻杆倾角最大允许改变量为5%，反推法粗算，倾角改变量取最大值，轨迹水平段起点（倾角为0）开始倒数第一根钻杆起点处倾角即为5%，根据前述公式，该钻杆长度内轨迹深度改变量为H=S tg=30.05=0.15（米）该杆起点处深度值为H-H =3-0.15=2.85（米）；以此类推，每相邻两根钻杆倾角变化按最大值5%递增，则各杆起点处的倾角、深度改变量及相应深度值分别为：钻杆序数 倾角 深度改变（米） 深度值（米）倒数第一杆 5% 0.15 2.85倒数第二杆 10% 0.3 2.55倒数第三杆 15% 0.45 2.1倒数第四杆 20% 0.6 1.5倒数第五杆 25% 0.75 0.75倒数第六杆 25% 0.75 0粗算结果表明，开孔角应为25%，但由于沟神控向仪显示时的特点为：在大于20%时，只可显示24%、28%等，增幅为4%；在10%至20%之间时可显示10%、12%、等，增幅为2%；小于10%时增幅为1%。所以，在本设计中采用开孔角24%，并据此（只要每相邻两钻杆倾角最大改变量不超过5%即可）从第一根钻杆开始顺序推算出各杆参数：钻杆序数 倾角 深度改变（米） 深度值（米）第一杆 24% 0.72 0.72第二杆 20% 0.60 1.32第三杆 20% 0.60 1.92第四杆 16% 0.48 2.40第五杆 12% 0.36 2.76第六杆 7% 0.21 2.97第七杆 2% 0.06 3.03第八杆 0（取中间值1%计算） 0.03 3.06此即为实际施工时第一造斜段每根钻杆的操作参数。计算结果中，第六杆的深度为2.97米，比要求的3米差0.03米；第八杆完全进入水平状态，此时深度3.06米，比要求的深度大0.06米。这种误差在导向孔施工的允许范围内，并可在实际操作中根据现场控向仪上显示的每杆深度值大小进一步微调，以达到理想的精度。 当然也可以先给定一个开孔角，再顺推（以每根钻杆倾角改变量不超出给定最大值为准）算出每根钻杆的深度和倾角；或者使用轨迹设计软件（如沟神的TMS轨迹设计软件）帮助设计。这里提供的是设计计算的方法，对于一个现场施工人员来说，自己所用钻杆的长度、最小转弯半径、单杆倾角最大允许改变量是个常数，很容易记住。唯一变化的是产品管线铺设深度值。这样每种铺设深度的情况只要设计一次，下次遇到同样深度要求且其它条件相同时即可采用相同方案。5 钢管铺设时钻杆倾角最大允许改变量的计算在产品管线最小转弯半径大于钻杆的最小转弯半径时（例如钢管），每根钻杆倾角最大改变量的计算方法如下：设该产品管线最小转弯半径为R，钻杆单根长度为S，则单杆长度内钻孔允许改变的角度大小为： = (180/R)S相应倾角改变量为：= tg100%例如：产品管线为钢管，直径250毫米，由前面的钢管弯曲半径参数表（表1）可知，其最小弯曲半径为213.3米；设所用钻杆单根长度为3米，则单根钻杆长度范围内角度允许最大改变为=（180/213.3）3=0.806相应倾角允许改变量为= tg0.806100%=1.4%若前面轨迹设计的例子中所施工的是此钢管，则带入开孔角计算公式中的每杆倾角最大改变量值就得由上述的5%改为1.4%。当然以上是基本计算，实际轨迹设计时还要根据现场场地状况和不同产品管线、不同工程要求的特点作相应调整，如在场地受限制而产品管线的极限弯曲半径比较大、要求造斜段很长时可通过开挖工作坑的形式，产品管线回拖到工作坑即可，这时轨迹造斜段转弯半径计算可分开成两段考虑：从工作坑至地面开孔点的轨迹段以钻杆的极限转弯半径作为设计依据；从工作坑至水平段的轨迹部分以产品管线的极限转弯半径为设计依据，这样，由于钻杆的极限转弯半径比产品管线的极限转弯半径小从而可减小该造斜段长度。但一般情况下，工作坑越深其开挖和支护的难度越高、费用越大，现场需根据产品管线埋置深度要求和不同场地工作坑开挖难度的不同灵活布置工作坑的位置，如在产品管线埋置深度3米以浅的施工，可将工作坑布置在造斜段与水平段的交点处，钻孔轨迹的整个造斜段都以钻杆的极限转弯半径为依据，占用最小造斜距离；埋管深度超过3米时，先依据产品管线的极限弯曲半径设计造斜曲线，工作坑布置在该曲线适合开挖的深度处，再将工作坑至地面