非开挖水平定向钻导向轨迹设计

非开挖水平定向钻导向轨迹设计非开挖水平定向钻导向轨迹设计随着非开挖水平定向钻技术的应用越来越广，对于定向钻施工过程中遇到的难题越来越多。目前市场上所用的小型钻机，其导向孔施工过程中大多是采用无线定位技术，本文就无线定位技术穿越施工时导向孔轨迹设计方法作一简单的介绍。标签水平定向钻；导向；轨迹设计1非开挖定向钻轨迹设计与原理非开挖铺管的关键技术在于导向钻孔轨迹的精确控制，确保避开原有地下管线及障碍物，按设计路线准确、顺利地铺管。它的基本步骤是：采用先进的导向探测仪对地下钻头的前后倾角、深度、导向板面向角等进行测量，根据测量结果人为预定其导进方向，并不断地调整钻头面角进行推进或继续钻进。其中，“人为预定”是凭操作经验来进行的，依靠操作者判断和调整前进方向，这就使导向精度和速度降低。一旦发现当前钻出的孔段轨迹与理想轨迹有差异时，退回重新校，由于在先期的钻进过程中，旧孔轨迹周围环境在高压泥浆液的强力冲刷下已变得松散，再想靠导向板的推进来改变方向校正出新轨迹孔就较为困难了，往往要退回很大的量才能校正过来，并且回程量也只有靠经验来控制。因此，在导向钻进时总是希望能够预先知道按操作控制所能得到的地下轨迹，最好是在设计好钻进轨迹时就有一套操作控制程序。对此，进行非开挖导向钻进轨迹的研究是非常必要的。1.1几何关系的建立在导向钻进过程中，钻头以回转钻进和只推进两种方式运动。回转钻进时，其方向不发生变化，轨迹线为直线；推进时，其方向会按一定的规律变化，轨迹力地下空间曲线。这样整个钻孔轨迹由若干段直线和弧线组成。1.2钻孔轨迹的控制设计导向钻进的轨迹设计一般要考虑三方面的要求。1.2.1铺设管线的深度和水平距离；1.2.2避开的地下管线和石块等障碍物；1.2.3钻进角度或出钻角度的弧度变化控制。例如说，在横穿马路钻进施工中常见到这样的情况：钻机置于马路边缘一定距离外，钻机以一定的钻进角度开孔，向下偏导向钻进，希望经过一定长度的弧形轨迹，达到铺管设计深度时钻头的方向恰好调整到水平方向，再保持水平方向旋转钻进，保正钻孔准确地从地下原有两根管道之间的间隙中穿越。如果不进行钻孔轨迹模拟预测，没有精确的控制方向参数，单靠人工的施工经验操作就很难保证施工成功，甚至造成重大事故。为了得到一套最佳的控向钻进操作方案，在实际施工前，我们可在计算机上用导向轨迹模拟对全孔导向钻进进行模拟演示。根据输入的钻进操作参数和勘察到的地质勘探报告参数，经过对土质的力学分析，再进行按某一套方案模拟演示后，其偏差情况一目了然。如果觉得这套方案不理想，可以分析修改原输入参数，再进行模拟，经过若干次模拟使钻进轨迹达到满意，最终得到一套最佳的钻进操作方案。根据模拟演示确定一套钻进操作参数，在理论上计算出导向轨迹曲线，再根据导向轨迹曲线确定具体的操作方案，这样循环若干次的反复互相校正操作方案和设计导向轨迹曲线。2轨迹设计的具体方法2.1工程踏勘非开挖水平定向钻导向孔施工前期的工程踏勘工作是至关重要的一步，其踏勘内容包括四个方面： 2.1.1地形勘测地形勘测是导向孔轨迹设计前必做的工作之一，目的是查清施工线路上河流的宽度、河床最深部位的深度、两岸的高差和出土点与入土点的通视情况。对地面上的建筑物、构筑物和河水流速应作详细的了解，同时施工路径上的地下隐蔽工程也应作详尽了解，弄清其埋深、分布部位以及对导向施工的影响程度。2.1.2背景噪音背景噪音是指在施工过程中影响定位仪读数及测量准确性的干扰信号和干扰源。背景噪音一般分为两大类：一类是自发性的干扰源，即是本身能发射干扰信号从而影响定位仪的；另一类是屏蔽性的，就是通过阻挡定位仪的信号传递从而干扰定位仪。这两种噪音在导向孔施工时对仪器读数的影响特别大，因此在轨迹设计前一定要调查清楚。例如：电缆、电话电缆、路灯线、马路上的钢筋、含盐量高的河水，等等。2.1.3工程要求非开挖工程要求是甲方根据工程使用要求或工程施工图纸对回拖铺管时管头两端的埋置深度、管线长度、管道坡度、过河的河底埋置深度和工程管线的平面位置要求。导向孔轨迹设计前相关工程技术要求应完全明了。2.1.4管线定位导向孔轨迹设计前应对施工路径上的原有管线进行全方位的探测，弄清每根管线的走向、深度、及与待铺管线之间的空间位置关系。管线探测一般分为四部进行：一是将肉眼所能见到的管线标志分类作好标记，对于能直接揭示的工程管线则直接测量其深度及走向；二是对特殊管线的露头，利用管线探测仪对其进行定位；三是对于没有露头而实际存在的管线利用仪器进行扫描进行定位。对于河流底部原先存在的管线，则应调其相应的工程图纸对其深度和走向予以确认。最后按管线的相关位置绘制综合地下管线分布图。2.2平面定位及导向孔轨迹设计2.2.1平面定位平面定位是在导向孔轨迹设计前，在实地根据原有管线与待铺管线的相对位置拟定钻进轨迹的水平走向曲线，然后在该曲线上设置一些控制点。控制点应选择在拟定轨迹曲线与原有管线相交的部位，当拟定轨迹与原有管线平行时，在水平间距小于1米的部位也应设置控制点。这些控制点可为导向孔施工时提供水平位置和深度的参照。对于拟定轨迹穿越河流时，应在河堤两侧15米范围内按每3米设置一个控制点，并尽量保证该15米为一条直线，为导向钻头进入河床创造有利的钻进趋势。待控制点全部设置完后，绘制出控制点的平面图，为后续的轨迹设计提供设计依据。2.2.2导向孔轨迹设计（1）管材最小弯曲半径R及钻杆曲率α1的计算管材曲率是轨迹设计的重要依据，管材曲率的重要指标是管材成品的最小弯曲半径R，在轨迹设计过程中的每个弧段的弯曲半径R1应比管材的最小弯曲半径大（R1＞R），但是R1的弯曲率应比钻杆最小弯曲半径R2的弯曲率小（R1＞R2）。这是导向孔轨迹设计的两个必要条件。通常在出厂时，厂家就对R2的数值进行过标定，并根据这一数值对每根钻杆的极限曲率α进行过计算。因此在轨迹设计前就应对管材弯曲半径和施工中每钻杆的变换率进行确定，可通过如下公式进行计算：1）管材最小弯曲半径R计算公式R=（r×E）/σr—管材的半径E—管材材质的弹性模量σ—管材材质的屈服强度2）每根钻杆的曲率α1的计算公式α1=｛2×R×SIN2((L×180)/(л×R))｝/3R—管材最小弯曲半径L—每根钻杆长度л—圆周率（2）入土角A与出土角B的选取入土角的角度选取应视后退距离的大小、钻机的角度变化范围、钻机摆放场地的大小和工程管材的材质三方面决定的。一般来说，钻机入土的角度同钻机本身角度变化范围成正比，钻机摆放场地成反比，同工程管材的曲率半径成反比，同后退距离成反比。在选取入土角时，首先考虑工程管线的曲率半径和后退距离的大小，其次考虑入钻场地大小和钻机本身角度范围。出土角则应视出土造斜段的长度、工程管线的曲率半径、出土坑的工作场地大小和原有地下管线的埋置深度等因素综合来定。出土角的大小同上述因素成反比，但造斜段的长度和工程管线的曲率半径是首选的考虑因素。（3）最小后退距离L的计算后退距离是拟定钻进曲线的最深点至钻机入土点的水平投影距离。其计算首先是考虑钻进轨迹线路上最深或最浅的管线深度、建构筑物基础的最大埋深、地表河流的河床部深度，根据以上条件和工程管线的埋深要求确定出导向轨迹的最大控制深度H，从最深点至入钻点的最小长度为最小后退距离L。将每根钻杆的曲率变化及相对应的深度绘制成图即为导向孔轨迹设计曲线图。（4）轨迹设计要求轨迹设计时应满足以下要求：①设计的轨迹长度应与工程要求中所示的工程管线长度一致（污水管例外）；②导向轨迹的深度与工程管线埋置深度要求一致；③轨迹每个弯曲段的曲率半径应大于工程管线的最小弯曲半径；④水平方向应与控制点方向相一致，水平偏差小于等于1米；⑤除信息管线外，其它工程管线的轨迹中不得有起伏不平段；⑥对穿越信号干扰区或是河道，轨迹尽量设计成水平段；3结论3.1对工程要求的正确理解是导向孔轨迹设计的前提。3.2查明地下管线和工程障碍是轨迹设计的重要依据。3.3正确地计算工程参数是工程成败的关健所在。3.4施工存在的问题：依据现有施工手段无法对有较强施工干扰的地区进行准确地导向定位。参考文献：[1]蒋国胜，张家铭等，定（导）向钻进的轨迹设计（J）。质与