水平定向鉆進(jìn)和導(dǎo)向鉆進(jìn)施工法

水平定向鉆進(jìn)和導(dǎo)向鉆進(jìn)施工法水平定向鉆進(jìn)和導(dǎo)向鉆進(jìn)施工法水平定向鉆進(jìn)施工法最初是從事又鉆進(jìn)技術(shù)引入的，主要用于穿越河流、湖泊、建筑物等障礙物，鋪設(shè)大口徑、長(zhǎng)距離的石油和天然氣管道。定向鉆進(jìn)施工時(shí)，按設(shè)計(jì)的鉆孔軌跡，于擴(kuò)空鉆頭的代鋪設(shè)管線，在回拉擴(kuò)空的同時(shí)，將待鋪設(shè)的管線拉入鉆孔，完成鋪管作業(yè)。有時(shí)根據(jù)鉆機(jī)的能力和待鋪設(shè)管線的直徑大小，可先專門進(jìn)行一次或多次擴(kuò)孔后再回拉管線。在定向鉆中，大多數(shù)工作是通過(guò)回轉(zhuǎn)鉆桿柱來(lái)完成的，鉆機(jī)的扭矩與軸向給進(jìn)力和回拉力同樣重要。水平定向鉆進(jìn)鋪管在美國(guó)使用最多。美國(guó)按照鉆機(jī)鋪設(shè)管線的直徑和長(zhǎng)度能力，將用于非開(kāi)挖鋪管的定向鉆機(jī)分為三類，即小型(Mini)、中型(Midi)和大型(Maxi)。各類設(shè)備的能力和應(yīng)用范圍見(jiàn)表4-1。表4-1水平定向鉆機(jī)的分類類型小型中型大型鋪管直徑mm50?250250?80080?2000鋪管長(zhǎng)度m1006002000鋪管深度m1?1.51.5?1010?100扭矩kNm1?1.51.5?1010?100推/拉力kN10010?450450?5000鉆機(jī)(包括車)重，t2?1010?2020?30應(yīng)用范圍通訊、電力電纜、聚乙烯煤氣管穿越河流、道路和環(huán)境敏感區(qū)域穿越河流、高速公路、鐵路水平定向鉆進(jìn)河倒向鉆進(jìn)之間并沒(méi)有嚴(yán)格的界限。到向鉆進(jìn)技術(shù)的基本原理大致和定向鉆進(jìn)相同，即先鉆一個(gè)小口徑的先導(dǎo)孔，隨后邊擴(kuò)孔邊回拉鋪設(shè)地下管線。由于小型鉆機(jī)的鉆孔軌跡量測(cè)、控制技術(shù)與大中型鉆機(jī)的不一樣。因此，國(guó)際上通用的分類方法將采用小型定向鉆及施工的方法稱之為“導(dǎo)向鉆進(jìn)”。“導(dǎo)向鉆進(jìn)”一般是指用于鋪設(shè)小治警、長(zhǎng)度較短的管線；而將采用大中型定向鉆及施工的方法稱之為“定向鉆進(jìn)”。對(duì)于大型工程，直徑較大(有些直徑大于1m)的管線施工則屬于“定向鉆進(jìn)”這一范疇，如穿越較大的河流、運(yùn)河和高速公路施工。水平定向鉆進(jìn)河導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)在鋪設(shè)新管線中所占有的市場(chǎng)比例在不斷的增加。最近幾年，設(shè)備的能力得到了改進(jìn)，非開(kāi)挖鋪設(shè)新館顯得有點(diǎn)也越來(lái)越被廣泛地重視。非開(kāi)挖施工除了明顯的環(huán)境上的優(yōu)點(diǎn)外，導(dǎo)向鉆進(jìn)的相對(duì)成本在許多應(yīng)用場(chǎng)合也講到開(kāi)挖施工的成本一下，即是忽略干擾交通等社會(huì)成本也是如此。水平定向鉆和導(dǎo)向鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)為：對(duì)地表的干擾較?。皇┕に俣瓤?；可控制鋪管方向，施工精度高。定向鉆進(jìn)的不足之處在于對(duì)施工場(chǎng)地要求較大，在非粘性土層和礫石層中施工比較困難，一般是用于不含大卵石的各種地層，包括含水地層。導(dǎo)向鉆進(jìn)不適用于砂層和礫石層，一般適用于軟土層；由于受到探測(cè)器的探測(cè)深度的限制，導(dǎo)向鉆進(jìn)的深度有限。導(dǎo)向鉆進(jìn)的施工原理大多數(shù)的導(dǎo)向鉆進(jìn)使用一種射流輔助切削鉆頭，鉆頭通常帶有一個(gè)斜面，因此當(dāng)鉆桿不停地回轉(zhuǎn)時(shí)則鉆出一個(gè)直孔，而當(dāng)鉆頭朝著某個(gè)方向給進(jìn)而不回轉(zhuǎn)時(shí)，鉆孔發(fā)生偏移。導(dǎo)向鉆頭內(nèi)帶有一個(gè)探頭或發(fā)射器，探頭也可以固定在鉆頭后面。當(dāng)鉆孔向前推進(jìn)時(shí)，發(fā)射器發(fā)射出來(lái)的信號(hào)被地表接受其所接受和追蹤，因此可以監(jiān)視方向、深度和其他參數(shù)。導(dǎo)向鉆進(jìn)施工示意圖如圖4-1。導(dǎo)向鉆進(jìn)的程控方式有兩種：干式和濕式。干式鉆具由擠壓鉆頭、探頭室和沖擊錘組成，靠沖擊擠壓成孔，不排土。濕式鉆具由射流鉆頭和探頭室組成，以高壓水射流切割土層，有時(shí)輔以頂驅(qū)式?jīng)_擊動(dòng)力頭以破碎大塊卵石和硬土層，這是目前使用得最多的成孔方式。兩種成孔方式均以斜面鉆頭來(lái)控制鉆孔方向。若同時(shí)給進(jìn)和回轉(zhuǎn)鉆桿柱，斜面失去方向性，實(shí)現(xiàn)保值鉆進(jìn)；若只給進(jìn)而不回轉(zhuǎn)鉆桿柱，作用與斜面的反力士鉆頭改變方向，實(shí)現(xiàn)造斜鉆進(jìn)。鉆頭軌跡的監(jiān)視，一般由手持式地表探測(cè)器和孔底探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)，地表探測(cè)器接收顯示位于鉆頭后面探頭發(fā)出的信號(hào)（深度、頂角、工具面向角等參數(shù)），供操作人員掌握孔內(nèi)情況，以便隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。鉆機(jī)的錨固鉆機(jī)在安置期間發(fā)生事故的情況經(jīng)常發(fā)生，甚至和鉆進(jìn)期間發(fā)生事故的概率相當(dāng)，尤其是對(duì)地下管線的損壞。在鉆機(jī)錨固時(shí)，要防止將錨桿打在地下管線上，同時(shí)，合理的鉆機(jī)錨固是順利完成鉆孔的前提，鉆機(jī)的錨固能力反映了鉆機(jī)在給進(jìn)和回拉施工時(shí)利用其本身功率的能力。一臺(tái)鉆機(jī)的推拉力再大，如果再推拉過(guò)程中發(fā)生了移動(dòng)，其推拉力不但會(huì)降低，而且可能會(huì)出現(xiàn)孔內(nèi)功率損失，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)鉆機(jī)的全部功率作用在鉆機(jī)身上，容易發(fā)生設(shè)備破壞和人員傷害。如果鉆機(jī)本身的固定能力差，一方面，鉆機(jī)的控制能力降低，從而導(dǎo)致無(wú)法很好地按預(yù)定的計(jì)劃完成鉆進(jìn)工作；另一方面，鉆機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中震動(dòng)較大，會(huì)引起鉆桿發(fā)生彎曲或損壞，使鉆孔無(wú)法按預(yù)先設(shè)計(jì)的軌跡完成。鉆頭的選擇依據(jù)鉆頭是定向鉆進(jìn)的重要工具之一，對(duì)于不同的土層，須采用不同的鉆頭（圖4-2）。工程的實(shí)踐表明：在淤泥質(zhì)黏土中施工，一般采用較大的鉆頭，以適應(yīng)變相的要求（若相向前推進(jìn)1m就實(shí)現(xiàn)變向，或許需要一個(gè)較大的或狗腿度為10°的鉆頭）。鉆頭表面硬化處理后使用效果會(huì)更好。在干燥的軟黏土中施工，采用中等尺寸鉆頭一半效果最佳（土層干燥，可較快地實(shí)現(xiàn)方向控制）。在硬黏土中，較小的鉆頭效果比較理想，但在施工重要保證鉆頭至少要比探頭外筒的尺寸大12mm以上。在鈣質(zhì)層中，鉆頭向前推進(jìn)十分困難。所以，最小的鉆頭效果最佳，另外在這種土層中須采用特殊的切削破碎技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆孔方向的改變。對(duì)于糖粒砂層，中等尺寸狗腿度的鉆頭使用效果最佳。在這類地層中，一般采用耐磨性能好的硬質(zhì)合金鉆頭來(lái)克服鉆頭的嚴(yán)重磨損另外，鉆機(jī)的錨固和鉆進(jìn)液是施工成敗的關(guān)鍵。對(duì)于砂質(zhì)淤泥，中等到大尺寸鉆頭效果較好，在較軟土層中，采用10狗腿度鉆頭以加強(qiáng)其控制能力。如果鉆進(jìn)時(shí)土層條件發(fā)生變化，有時(shí)需要更高的扭矩來(lái)驅(qū)動(dòng)鉆頭。對(duì)于致密砂層，小尺寸錐形鉆頭效果最好，但要確保鉆頭尺寸大于探頭筒的尺寸。在這種土層中推進(jìn)較難，可較快地實(shí)現(xiàn)控向。另一方面，鉆機(jī)的錨固是鉆孔成功的關(guān)鍵。在礫石層中施工，鑲焊小尺寸硬質(zhì)合金的鉆頭使用效果較佳。對(duì)于大顆粒卵石層，鉆進(jìn)難度較大，不過(guò)若卵石間有足夠多的膠結(jié)性土，鉆進(jìn)還是可行的。在礫石層中，回?cái)U(kuò)難度最大，鋪管尺寸較大時(shí)尤其如此。對(duì)于固結(jié)的巖層，使用孔內(nèi)動(dòng)力鉆具效果最佳。但采用標(biāo)準(zhǔn)鉆頭鉆到硬巖石時(shí)，鉆孔可再無(wú)明顯方向改變的條件下完成施工。導(dǎo)向孔施工導(dǎo)向孔施工步驟主要為：探頭裝入探頭盒內(nèi)；導(dǎo)向鉆頭連接到鉆桿上；轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿，測(cè)試探頭發(fā)射是否正常；回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)2m左右；開(kāi)始按設(shè)計(jì)軌跡施工；導(dǎo)向孔完成。根據(jù)每段鋪設(shè)管設(shè)計(jì)標(biāo)高、地層及地型情況，進(jìn)行導(dǎo)向孔設(shè)計(jì)，確定導(dǎo)向孔的施工方案。導(dǎo)向孔鉆進(jìn)是通過(guò)導(dǎo)向鉆頭的高壓水射流沖蝕破碎、旋轉(zhuǎn)切削成孔的。導(dǎo)向鉆頭前端為15°造斜面。該造斜面的作用是在鉆具不回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)造斜面對(duì)鉆頭有個(gè)偏斜力，使鉆頭向著斜面的方方向偏斜；鉆具在回轉(zhuǎn)頂進(jìn)時(shí)，由于斜面在回轉(zhuǎn)中斜面的方向不斷改進(jìn)，斜面周向各方向受力均等，使鉆頭沿其軸向的原理有趨勢(shì)直線前進(jìn)（圖4-3）。導(dǎo)向孔施工多采用手提式導(dǎo)向以來(lái)確定鉆頭所在的空間位置（圖4-4）。導(dǎo)向儀器由探頭、地表接收器和同步顯示器組成。探頭放置在鉆頭附近的鉆具內(nèi)。接收器接受并顯示探測(cè)數(shù)據(jù)。同步顯示器至于鉆機(jī)旁，同步顯示接受器探測(cè)的數(shù)據(jù)，供操作人員掌握孔內(nèi)情況，以便隨時(shí)調(diào)整。這類導(dǎo)向儀器的測(cè)量精度一般為3%?5%,測(cè)深能力一般在15m以內(nèi)，最大可達(dá)30m。在施工中導(dǎo)向鉆頭的準(zhǔn)確位置狀態(tài)和造斜面方向是通過(guò)安裝在鉆頭腔室內(nèi)的信號(hào)發(fā)射器及地面跟蹤導(dǎo)向以來(lái)測(cè)定的。導(dǎo)向鉆是按設(shè)計(jì)軌跡的參數(shù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)偏離設(shè)計(jì)軌跡時(shí)，就通過(guò)調(diào)整鉆頭斜面的方向，進(jìn)行造斜糾偏，直到鉆頭的位置回到設(shè)計(jì)軌跡時(shí)為止。這樣就會(huì)鉆出和實(shí)際軌跡重合或非常接近的導(dǎo)向孔。但是，應(yīng)特別注意糾偏過(guò)渡，即偏向原來(lái)方向的反方向，這種情況一旦發(fā)生將給施工帶來(lái)不必要的麻煩，會(huì)大大影響施工的進(jìn)度和加大施工的工作量。為了避免這種情況的發(fā)生，鉆進(jìn)少量進(jìn)尺后邊進(jìn)行測(cè)量，檢驗(yàn)調(diào)整鉆頭方向的效果，所以，應(yīng)考慮各種糾偏的可能性，糾偏不能太急，應(yīng)在幾根鉆桿內(nèi)完成糾偏，不能再一根鉆桿內(nèi)就完成所有的糾偏工作擴(kuò)孔施工當(dāng)先導(dǎo)孔鉆至靶區(qū)就需用一個(gè)擴(kuò)孔器來(lái)擴(kuò)大鉆孔，以便安裝成品管線。一般的經(jīng)驗(yàn)是將鉆孔擴(kuò)大到成品管尺寸的1.2?1.5倍，擴(kuò)孔器的拉力或推力一般為每毫米孔徑175N。根據(jù)成品管和鉆機(jī)的規(guī)格，可采用多級(jí)擴(kuò)孔。目前在工程中使用的擴(kuò)孔器有四種類型：快速切削型擴(kuò)孔器:這種類型的擴(kuò)孔器經(jīng)濟(jì),而且對(duì)軟地層（如粘土和砂土層）較有效，但是，這種擴(kuò)孔器無(wú)法破碎堅(jiān)硬的巖石。拼合型鉆頭通孔器：它是由剖開(kāi)的牙輪錐體制造的，并將其焊接到金屬板和短的間接構(gòu)件上。拼合鉆頭通孔是一種通用的、經(jīng)濟(jì)的擴(kuò)孔工具，在設(shè)計(jì)上具有靈活性。它們很容易定做，具有品種繁多的切削具類型和規(guī)格。在制造過(guò)程中，必需采用特眾焊接、熱處理以及其它的防護(hù)措施，以免損壞后牙輪失落與孔內(nèi)。錐形牙輪擴(kuò)孔器：起初用于石油鉆井的垂直井的垂直井鉆進(jìn)，這種類型的擴(kuò)孔器用于導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)，已被改進(jìn)，近幾年已用于水平鉆進(jìn)中。YO-YO型擴(kuò)孔器：這種擴(kuò)孔器非常適合于非開(kāi)挖施工，因?yàn)?，它在巖石易崩落的地層中可以向前或向后鉆進(jìn)。這種平衡式的球體牙輪是自穩(wěn)的，而且能自動(dòng)跟蹤先導(dǎo)孔。大型牙輪和蜜蜂式軸承的應(yīng)用延長(zhǎng)了其在孔內(nèi)的壽命。擴(kuò)孔是將導(dǎo)向空的孔徑擴(kuò)大至所鋪設(shè)的管徑以上，以減小鋪管時(shí)的阻力。擴(kuò)孔是將鉆頭連接在鉆桿后端，然后由鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)回拉擴(kuò)孔。隨著擴(kuò)孔的進(jìn)行，在擴(kuò)孔鉆頭后面的單動(dòng)器上不斷加接鉆桿，直到擴(kuò)至于鉆機(jī)同一側(cè)的工作場(chǎng)地，即完成了這一級(jí)孔眼的擴(kuò)孔，如此反復(fù)，通過(guò)采用不同直徑的擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔，直至達(dá)到設(shè)計(jì)的擴(kuò)孔孔徑為止。對(duì)于回拉力較大的鉆機(jī)，在擴(kuò)孔是可以采用階梯型擴(kuò)孔鉆頭，一次完成擴(kuò)孔施工。甚至有時(shí)可以同時(shí)完成擴(kuò)孔和鋪管施工。鉆井液鉆井液的基本組分是現(xiàn)場(chǎng)的淡水，大多數(shù)情況下，須在水中添加膨潤(rùn)土來(lái)增加鉆井液的黏度，鉆井液主要用于穩(wěn)定孔壁、降低回轉(zhuǎn)扭矩和拉管阻力、冷卻鉆頭和發(fā)射探頭、清除鉆進(jìn)產(chǎn)生的土屑等。因此，它被視為導(dǎo)向鉆進(jìn)施工的“血液”，一般要求采用優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土制備泥漿有時(shí)視地層條件在泥漿中加入適量的聚合物。膨潤(rùn)土主要是由鈉高嶺石組成的天然粘土。鉆井液非正常返回定向鉆進(jìn)經(jīng)常產(chǎn)生無(wú)法控制的鉆井液地下流失。理想條件下鉆井液在鉆桿柱端切削刃處流出，再沿鉆桿外壁與孔壁間隙返回地表，這樣可以重復(fù)利用鉆井液體，降低生產(chǎn)費(fèi)用。但實(shí)際施工時(shí)鉆井液將沿阻力最小的通道流動(dòng)，鉆井液往往會(huì)擴(kuò)散到鉆孔周圍的地層中去，有時(shí)也會(huì)滲透到地表上。當(dāng)鉆井液沒(méi)有沿著鉆孔返回而是隨便流到地表示，稱為鉆井液的非正常返回。一般在鋪管施工時(shí)，鉆井液非正常返回不是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。如果鉆井液向河底流出時(shí)，則對(duì)環(huán)境的影響較小。但是，如果在市區(qū)或是在風(fēng)景優(yōu)美的游覽勝地施工，鉆井液非正常返回就會(huì)給公眾帶來(lái)不便，有時(shí)鉆井液的流動(dòng)還能沖壞街道、沖垮提壩。在施工中，應(yīng)不斷地調(diào)整施工方法，盡量減少鉆井液非正常返回的發(fā)生。所以施工前，應(yīng)制定應(yīng)急計(jì)劃并準(zhǔn)備好可能的補(bǔ)救措施，同時(shí)還應(yīng)通知有關(guān)施工管理部門。鉆井液的重復(fù)利用重復(fù)利用鉆井液可減少購(gòu)買和處理鉆井液泥漿的費(fèi)用。通常把返回的鉆井液收集起來(lái)泵送到泥漿凈化設(shè)備中，再把凈化后的泥漿送回到鉆井液儲(chǔ)存或混合箱中反復(fù)利用。當(dāng)然，有時(shí)大量的鉆井液會(huì)從與鉆機(jī)和鉆井液循環(huán)系統(tǒng)所在河岸相對(duì)的另一岸上孔口返出，這時(shí)就要使用兩套泥漿循環(huán)系統(tǒng)，或是把返出的泥漿運(yùn)回到鉆機(jī)所在的一端，可以使用卡車等工具運(yùn)輸；或是在地面上鋪設(shè)臨時(shí)管道來(lái)運(yùn)輸泥漿，使用那種運(yùn)輸手段最佳根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況來(lái)決定。當(dāng)使用臨時(shí)管道時(shí)，應(yīng)檢查管道的設(shè)計(jì)方案，以確保管道的大小合適，防止管道損壞，泥漿流失。定向鉆進(jìn)成孔方式在松軟地層中，靠高壓水射流來(lái)切割成孔?？椎足@具組合由一彎接頭和一帶噴嘴的鉆頭構(gòu)成。鉆柱回轉(zhuǎn)時(shí)，鉆出的孔是直孔。如果鉆柱不回轉(zhuǎn)，在給進(jìn)力方向和水射流作用下，可產(chǎn)生定向的弧形孔。在含有硬夾層的松軟地層，孔內(nèi)的鉆具組合由彎接頭和合金鉆頭或牙輪鉆頭組成。若用三層牙輪鉆頭，有時(shí)將三個(gè)噴嘴中的兩個(gè)堵上，剩下的一個(gè)使水射流以一定的方向進(jìn)入地層。若遇到較硬的夾層，可回轉(zhuǎn)鉆柱，靠三牙輪或合金鉆頭破碎巖石，穿越障礙。在硬巖或卵石層中，射流成孔的方法會(huì)失去作用，此時(shí)須鉆進(jìn)成孔。孔內(nèi)鉆具組合由彎接頭、螺旋馬達(dá)鉆頭和鉆頭構(gòu)成?？筛鶕?jù)地層情況采用刮刀鉆頭、牙輪鉆頭或金剛石鉆頭。定向鉆孔監(jiān)視方法采用定向鉆進(jìn)方式施工水平穿越空的最重要的技術(shù)環(huán)節(jié)是鉆孔軌跡的監(jiān)視和調(diào)控。目前一般采用隨鉆測(cè)量方法?，F(xiàn)有三類商品化的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)可用于這種施工，其測(cè)斜傳感器原理都是相同，即加速度計(jì)測(cè)量頂角和工具面向角，磁通門測(cè)量方位，其區(qū)別在于測(cè)量信息的傳輸方式不同。這三類系統(tǒng)是：有纜式隨鉆測(cè)量系統(tǒng)?？侩娎|傳輸測(cè)量信息。水平鉆進(jìn)電纜操作十分困難，采用多接頭電纜和“濕接頭”方式予以解決。這種系統(tǒng)在定向鉆進(jìn)鋪管施工中應(yīng)用最多。泥漿脈沖式無(wú)纜隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。將測(cè)量信息轉(zhuǎn)變成泥漿壓力脈沖信號(hào)后傳至地表，該系統(tǒng)因?yàn)槌杀据^高，使用比較少。電磁式無(wú)纜隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量信息附載與電磁波上傳至地表。該系統(tǒng)目前測(cè)量范圍還較小，在300m以內(nèi)。超過(guò)此范圍后可裝上電纜接頭，轉(zhuǎn)變成有纜系統(tǒng)。定向鉆孔施工中地下管線損壞預(yù)防鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭遇到一塊小巖石或卵石，鉆孔軌跡都可能較明顯地偏離設(shè)計(jì)軌跡。鉆頭的偏向很難預(yù)料，很可能碰到已有的管線。操作人員在意識(shí)到鉆頭遇到硬物或較難鉆進(jìn)情況等微小變化時(shí)，應(yīng)馬上停鉆，檢查鉆頭的位置。此時(shí)，應(yīng)降低鉆壓，緩慢給進(jìn)，讓鉆頭慢慢地通過(guò)該區(qū)域。鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)較頻繁地檢測(cè)鉆頭的位置。當(dāng)鉆頭遇到較硬地層，通常需要加大鉆壓。但是，鉆壓加大后引起孔內(nèi)鉆桿柱彎曲。若鉆桿柱彎曲部位的地層較軟，彎曲的鉆桿會(huì)使鉆孔擴(kuò)大。隨著鉆壓繼續(xù)增加，鉆桿可能進(jìn)入現(xiàn)有管線的安全區(qū)。探測(cè)儀器只能確定鉆頭的位置，很難確定這種有鉆桿彎曲而形成的鉆孔軌跡。在這種情況下，要適當(dāng)降低鉆壓，嘗試采用沖擊鉆進(jìn)的方法通過(guò)硬地層。同時(shí)，增加泵量或噴射作用或許有助于軟化障礙物。如果操作者在施工先導(dǎo)孔期間忽略考慮回?cái)U(kuò)鉆頭的直徑，則可能導(dǎo)致水平鉆進(jìn)施工中碰傷現(xiàn)有地下管線。若鋪設(shè)的管線要穿越現(xiàn)有的管線區(qū)或與現(xiàn)有的管線平行，設(shè)計(jì)時(shí)不能只考慮先導(dǎo)孔的直徑，而應(yīng)考慮最終擴(kuò)孔鉆井頭的直徑和鉆頭與現(xiàn)有管線間距的余量，應(yīng)使間距等于3?4倍最終擴(kuò)孔鉆頭的直徑。在回?cái)U(kuò)后鋪設(shè)管線期間應(yīng)注意下面的問(wèn)題：如果擴(kuò)孔鉆頭由于某種原因在鉆孔中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，由于鉆頭的重量較大，鉆頭會(huì)在其自重作用下下沉。在緩慢拉管期間，泵量太大也會(huì)在土層中產(chǎn)生空洞或使管柱周圍的土層變軟；擴(kuò)孔鉆頭越大，鉆頭下沉的概率就越高；再擴(kuò)孔時(shí)阻力變大，并不總是意味著需要提高轉(zhuǎn)速或泵量；鉆進(jìn)產(chǎn)生的土削和孔壁坍塌會(huì)導(dǎo)致鉆柱運(yùn)動(dòng)的阻力增加，這時(shí)維持?jǐn)U孔鉆頭緩慢運(yùn)動(dòng)是非常重要的；在軟土層中，選用具有較寬翼片的鉆頭，以適當(dāng)增加鉆頭的浮力。在先導(dǎo)孔施工時(shí)，鉆進(jìn)已有管線區(qū)時(shí)須變向繞行，通過(guò)障礙物后要重新繞回到設(shè)計(jì)軌跡上，這種做法可能會(huì)偏離原來(lái)鉆孔一定的距離先導(dǎo)孔施工完畢，在鉆頭出土點(diǎn)接上回?cái)U(kuò)鉆頭，巨大的回拉力施加在鉆頭和鉆桿柱上，使鉆頭或管柱通過(guò)回拉進(jìn)入土層。在回?cái)U(kuò)的過(guò)程中，鉆桿柱向彎曲鉆孔的內(nèi)壁施加一個(gè)壓力，回轉(zhuǎn)的鉆桿柱可能在此處擴(kuò)大鉆孔而偏離原來(lái)的軌跡，使先導(dǎo)孔變得較平直，從而可能損傷原來(lái)的管線。對(duì)于這種情況應(yīng)盡可能地采用長(zhǎng)且平滑的鉆孔軌跡或者采用先擴(kuò)大鉆孔再鋪設(shè)的辦法，這不僅可以降低鋪管過(guò)程中的摩擦阻力，而且會(huì)防止對(duì)以有管線的破壞。導(dǎo)（定）向鉆進(jìn)設(shè)備導(dǎo)（定）向鉆進(jìn)設(shè)備主要包括用于管線探測(cè)的儀器和導(dǎo)（定）向鉆機(jī)導(dǎo)向儀導(dǎo)向儀是導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵配件之一，它用來(lái)隨鉆測(cè)量深度、頂角、工具面向角、溫度等基本參數(shù)，并將這些參數(shù)值直觀地提供給鉆機(jī)從作者，其性能是保證鋪管施工質(zhì)量的重要前提，目前，導(dǎo)向儀有手提式、有纜式和無(wú)纜式三大類。手提式導(dǎo)向儀手提式導(dǎo)向儀主要有三部分組成：孔內(nèi)探頭、手持式接收機(jī)和同步顯示器。測(cè)量深度是手持式探測(cè)儀的重要功能之一。為適應(yīng)市場(chǎng)的需要，許多公司將儀器的測(cè)深能力由6m提高到10~20米，見(jiàn)表4-2。另外，測(cè)量頂角、工具面向角的方式從原來(lái)的定點(diǎn)顯示改為連續(xù)顯示，頂角的增量改為1%，這樣一來(lái)使操作者更加方便、準(zhǔn)確地控制鉆孔的方向。公司名稱型號(hào)測(cè)深英國(guó)雷迪公司RD385,RD386（DrillTrack）4~20美國(guó)DCI公司DigiTrakMariklll,IV,V,Eclipse5~21美國(guó)DitchWitch公司Subsite75R/T,66TKR,750R/T3?30美國(guó)McLaughlin公司SpotDTeklll,IV,V3?15有纜式導(dǎo)向儀隨著導(dǎo)向鉆進(jìn)鋪管技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，手持式導(dǎo)向儀在許多場(chǎng)合顯示出不足，如在繁忙的街道下穿越鋪管時(shí)，手持式導(dǎo)向儀顯得不太方便，易產(chǎn)生交通事故；穿越河流時(shí)，手持式導(dǎo)向儀需要船只配合，問(wèn)題較多。另外，手持式導(dǎo)向儀的測(cè)深能力往往不能滿足使用需求。這些因素促成有纜式導(dǎo)向儀在導(dǎo)向鉆進(jìn)中得到應(yīng)用。目前有兩種有纜式導(dǎo)向儀：一是類似石油定向鉆進(jìn)使用的有纜式導(dǎo)向儀，應(yīng)用磁通門和加速度計(jì)作為基本測(cè)量元件只是在測(cè)量深度、耐濕和耐壓等參數(shù)方面有所簡(jiǎn)化，價(jià)格比石油鉆井儀器的低。另一種是在手持式導(dǎo)向儀的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的有纜式導(dǎo)向儀，它通過(guò)電纜向孔底探頭提供電源，增加STS發(fā)射功率，同時(shí)用電纜傳輸頂角和工具面向角等基本信息，深度還是通過(guò)手持式接收機(jī)來(lái)測(cè)定。這種儀器的價(jià)格只是石油鉆井用儀器的10%?20%。表4-3列出的SubsitSTS屬于第一種有纜儀器，另兩種屬于第二種有纜式導(dǎo)向儀。表4-3有纜導(dǎo)向儀的基本參數(shù)公司型號(hào)測(cè)深能力孔長(zhǎng)范圍DitchWitchSubsitSTS60450UtilxWirelineSystem25240DCIDigiTrak100Cable43電磁通道無(wú)纜隨鉆測(cè)量?jī)x有纜隨鉆測(cè)量?jī)x系統(tǒng)解決了手持式導(dǎo)向儀存在的一些問(wèn)題，但這種系統(tǒng)也有一些弱點(diǎn)：如電纜傳輸?shù)男畔㈨毻ㄟ^(guò)滑環(huán)導(dǎo)出；每接一根鉆桿，就需要做一個(gè)電纜接頭，操作繁瑣；電纜的使用是一次性的，電纜接頭多是故障概率增高。為了解決這些問(wèn)題，美國(guó)GuidedBoringSystens公司和Maurer公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一電磁波傳輸信息的無(wú)纜隨鉆測(cè)量系統(tǒng)Accunav。該系統(tǒng)測(cè)量精度高，測(cè)量孔長(zhǎng)可達(dá)300m，可用于小口徑導(dǎo)向鉆孔鉆進(jìn)，并且成本相對(duì)較低廉。該系統(tǒng)也采用磁通門和加速度計(jì)作為鉆孔方位角、工具面向角和頂角的測(cè)量元件。GT-1型工程導(dǎo)向孔多功能無(wú)線探測(cè)儀1994年河北省地礦局利用已開(kāi)發(fā)的鉆孔電磁信號(hào)通道及HB-1型無(wú)線隨鉆自動(dòng)定向儀的有關(guān)技術(shù)，吸取管道探測(cè)儀的優(yōu)點(diǎn)，研制和試驗(yàn)成功了工程導(dǎo)向?qū)Ｓ锰綔y(cè)儀。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)，在1995年成功地研制出了工程導(dǎo)向多用途無(wú)線探測(cè)儀。該儀器的主要功能有：①管線探測(cè)儀功能；探測(cè)鉆孔和管道水平投影位置和深度；③隨鉆定向儀功能：監(jiān)測(cè)工具面向角（360°分16等分進(jìn)行監(jiān)測(cè)）和傾角（30°范圍按0°、±1°、±3°、±5°、±7°、±10°、12°及-12°分段監(jiān)測(cè)）;定向指揮儀功能：向鉆場(chǎng)監(jiān)視器發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)和造斜指令。儀器由孔內(nèi)儀器、地面探測(cè)儀和鉆場(chǎng)監(jiān)視器三部分組成。（A）孔內(nèi)儀器裝在造斜工具和鉆桿柱之間，它監(jiān)測(cè)造斜工具面向角并向地面發(fā)送電磁脈沖信號(hào)。地面探測(cè)儀接收電磁波信號(hào)，根據(jù)磁場(chǎng)分布和衰減規(guī)律測(cè)定向鉆孔水平位置和距地面的深度，解調(diào)電磁脈沖以測(cè)定工具面向角和傾角。測(cè)量結(jié)果及造斜指令由地面探測(cè)儀自動(dòng)無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)至鉆場(chǎng)監(jiān)視器?？變?nèi)儀器由傳感器、控制電路、發(fā)射電路、螺管線圈和溫度傳感器組成?？變?nèi)儀器通過(guò)傳感器檢測(cè)工具面向角和傾角。經(jīng)控制電路、發(fā)射點(diǎn)魯河螺管線圈將條治國(guó)的電磁脈沖信號(hào)發(fā)送到地面。當(dāng)溫度高于65C。時(shí)，控制發(fā)射電路向地面發(fā)出報(bào)警信號(hào)?？變?nèi)儀器由R2025鋰電池供電，更換一次可連續(xù)工作24小時(shí)?？變?nèi)儀器外徑74mm，總長(zhǎng)550mm,并有足夠的強(qiáng)度、賴壓和抗震能力，可以用于高壓水力鉆進(jìn)和空氣潛孔錘鉆進(jìn)。（B）地面探測(cè)儀由水平和垂直線圈組、濾波放大電路、解碼電路、編碼轉(zhuǎn)發(fā)電路、80C31單片機(jī)、裝合差預(yù)制器、聲響器和顯示器組成。其工作過(guò)程是：電磁信號(hào)由水平和垂直線圈接收，經(jīng)過(guò)濾波放大，經(jīng)解碼電路后，在經(jīng)80C31單片機(jī)處理，有顯示器顯示磁場(chǎng)相對(duì)強(qiáng)度、鉆孔深度、工具面向角和傾角。為了消除裝合差的影響，設(shè)有裝合差預(yù)制器，以使顯示器顯示真實(shí)的工具面向角。聲響起用于報(bào)警和提示信號(hào)強(qiáng)度。編碼轉(zhuǎn)發(fā)電路用于轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)的指令。地面探測(cè)儀由蓄電池供電。地面探測(cè)儀的控制和計(jì)算核心是80C31單片機(jī)。顯示器為48x256點(diǎn)陣式液晶顯示器，用數(shù)碼和圖形顯示各項(xiàng)測(cè)量結(jié)果及儀器的工作狀態(tài)，并用漢子提使各項(xiàng)操作。地面探測(cè)儀設(shè)有4個(gè)頻道：50?1000Hz；10