擴(kuò)孔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討文摘1

擴(kuò)孔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討----張萬里在非開挖水平定向鉆進(jìn)鋪管工程中，一般都采用“導(dǎo)向孔鉆進(jìn)→擴(kuò)孔→管道回拖”施工工藝。在這種“三步法”工藝中，位于第二步工序的擴(kuò)孔施工，因技術(shù)難度低于前道工序，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)又低于后道工序，所以在施工時(shí)往往得不到足夠的重視。但是，在大多數(shù)情況下，擴(kuò)孔都是必不可少的基本工序。特別是對(duì)大直徑管道鋪設(shè)，擴(kuò)孔施工所需的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，常常會(huì)占到全部工程的絕大部分比例，成為最重要、也是最主要的施工工作。擴(kuò)孔器是擴(kuò)大導(dǎo)向鉆孔直徑的專用器具，其技術(shù)性能的好壞，直接決定著擴(kuò)孔施工的效率、效益與安全。在目前的非開挖技術(shù)產(chǎn)品市場(chǎng)上，擴(kuò)孔器的材料種類五花八門、尺寸系列千差萬別、品種形式千奇百怪，如何評(píng)價(jià)其技術(shù)性能，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)制造或選擇應(yīng)用，這對(duì)許多施工單位來說始終是一個(gè)重要的難題。筆者試圖從擴(kuò)孔器的工作環(huán)境和性能要求出發(fā)，對(duì)擴(kuò)孔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理及方法展開討論，以與同行進(jìn)行技術(shù)商榷。1擴(kuò)孔器的工作環(huán)境與性能要求1.1擴(kuò)孔器的工作環(huán)境

圖1擴(kuò)孔器的工作環(huán)境擴(kuò)孔器工作環(huán)境如圖1a所示。這是一個(gè)通孔，擴(kuò)孔器所需要破碎的是一個(gè)環(huán)形臺(tái)階。從運(yùn)動(dòng)學(xué)看，擴(kuò)孔器必須同時(shí)要在兩種不同直徑的孔洞約束下，邊回轉(zhuǎn)邊沿著已定的直線（入、出口段和水平段等直線段）或曲線鉆孔軌跡（造斜段）移動(dòng)。從靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)看，擴(kuò)孔器在工作中的受力情況如圖1b所示，其要在鉆機(jī)一側(cè)的驅(qū)動(dòng)鉆桿所傳遞的軸向回拖力F1和周向回轉(zhuǎn)扭矩M1的帶動(dòng)下，主要克服破碎環(huán)形臺(tái)階巖土的軸向阻力F'1和回轉(zhuǎn)阻力矩M'1，沿已有鉆孔軌跡以加速度a或勻速v運(yùn)動(dòng)；在破巖同時(shí)，這一運(yùn)動(dòng)過程在不同的鉆孔軌跡段，由于F1和擴(kuò)孔器重力W1及浮力W'1、拖帶鉆桿重力W2及浮力W'2等的影響不同，可能發(fā)生偏擴(kuò)情況，對(duì)擴(kuò)孔軌跡產(chǎn)生影響[1]。另外還有個(gè)重要因素要考慮：在這一工作環(huán)境下，受鉆孔入、出口位置和孔內(nèi)各流體力學(xué)參數(shù)的控制，鉆孔沖洗介質(zhì)及其所攜帶碎屑的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)有所不同。合理的鉆孔軌跡設(shè)計(jì)及擴(kuò)孔器結(jié)構(gòu)形式，可以在控制流體運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)揮很大作用。1.2擴(kuò)孔器的性能要求首先，擴(kuò)孔器應(yīng)當(dāng)具備能夠破碎巖土的性能。巖土有軟有硬，一般把構(gòu)成地球巖石圈的天然礦物集合體稱為巖石[2]，把地球巖石圈風(fēng)化帶的松散巖層稱為土壤[3]。通常所說的巖石，往往是固結(jié)的、堅(jiān)硬的巖層；而土壤則是非粘接的、松軟的，或者雖然是粘接的，但其粘接強(qiáng)度比礦物顆粒本身強(qiáng)度小得多，一般稱為土層。巖層和土層在被外力破碎時(shí)反映出顯著的特性差異。如：巖層的破碎機(jī)理一般是壓裂壓碎或者磨削，而土層的破碎機(jī)理一般是剪切切削，這對(duì)選擇破碎工藝方法具有決定性作用；巖層的研磨性往往較強(qiáng)，而土層的研磨性則往往較弱，這對(duì)擴(kuò)孔器切削具壽命具有決定性影響。由于非開挖水平定向鉆進(jìn)鋪管工程鉆遇的地層千差萬別，所以對(duì)擴(kuò)孔器的破碎性能要求也是大不相同的，這也就是目前市場(chǎng)上擴(kuò)孔器的產(chǎn)品種類五花八門的根本原因。要設(shè)計(jì)或選用擴(kuò)孔器，首先應(yīng)當(dāng)根據(jù)鉆進(jìn)地層的巖土硬度（強(qiáng)度）、完整性和研磨性三方面技術(shù)指標(biāo)，對(duì)其地層的適應(yīng)性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)[4]。這里還需要特別指出：擴(kuò)孔器所破碎的是“環(huán)形臺(tái)階”上的巖土，由于已經(jīng)解除了多向應(yīng)力狀態(tài)，巖土的強(qiáng)度與硬度有所降低，與導(dǎo)向孔鉆進(jìn)時(shí)的孔底多向應(yīng)力相比，破碎更較容易，或換句話說，破碎所需的載荷更低。其次，為滿足擴(kuò)孔器運(yùn)動(dòng)學(xué)要求，擴(kuò)孔器應(yīng)能在回轉(zhuǎn)破碎時(shí)保證沿已有鉆孔軌跡移動(dòng)，這也是確保對(duì)稱均勻破碎“環(huán)形臺(tái)階”，不發(fā)生偏心擴(kuò)孔的必要條件。要滿足這一要求，擴(kuò)孔器必須具備受已有鉆孔和擴(kuò)出新孔約束的性能。第三，為滿足擴(kuò)孔器動(dòng)力學(xué)要求，擴(kuò)孔器除應(yīng)當(dāng)具備以合理載荷獲取最佳破碎效果之外，還需具備以最小阻力回轉(zhuǎn)且嚴(yán)格沿著已有鉆孔軌跡移動(dòng)的力學(xué)性能。這也就是說，應(yīng)當(dāng)盡可能地減少非破碎巖土所需的動(dòng)力，例如，擴(kuò)孔器自身由于重力所產(chǎn)生的摩擦力。降低擴(kuò)孔器自身重力（包括其充滿沖洗介質(zhì)的附加重力），不但有利于降低其回轉(zhuǎn)和移動(dòng)時(shí)的摩擦力，還有利于降低其在直線孔段擴(kuò)孔時(shí)產(chǎn)生的偏擴(kuò)力。最后，為滿足擴(kuò)孔時(shí)的擴(kuò)孔器冷卻和巖土碎屑排出需要，擴(kuò)孔器還必須具備良好的流體力學(xué)特性，以使孔內(nèi)沖洗介質(zhì)在滿足冷卻和排屑需要的同時(shí)，能夠以最小阻力流動(dòng)。在控制孔內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)方向的問題上，毫無疑問，從鉆桿中心送入的沖洗介質(zhì)最好是從鉆機(jī)一側(cè)（即導(dǎo)向孔入口）返回，因?yàn)檫@樣才可方便地對(duì)沖洗介質(zhì)（特別是沖洗液）進(jìn)行回收、處理和循環(huán)利用。另一方面，在鉆孔軌跡近水平的狀態(tài)下，巖土碎屑在排出過程中無可避免地會(huì)沉積在鉆孔下幫，返回通道放在擴(kuò)孔器運(yùn)動(dòng)方向之前而不是之后，也有利于擴(kuò)孔器將這些碎屑進(jìn)一步破碎和推擠出孔。因此，好的擴(kuò)孔器應(yīng)當(dāng)具備能夠在孔內(nèi)建立臨時(shí)孔底（類似滑動(dòng)式止水塞）的功能，以迫使沖洗介質(zhì)始終向擴(kuò)孔器回?cái)U(kuò)運(yùn)動(dòng)方向返回。1.3擴(kuò)孔器的總體結(jié)構(gòu)與功能擴(kuò)孔器的總體結(jié)構(gòu)，是指擴(kuò)孔器作為一個(gè)孔內(nèi)鉆進(jìn)單元，其組成整體的各部分的搭配和安排，包括其構(gòu)成的外部形狀、尺寸配比和與前后孔內(nèi)工具的連接關(guān)系等。按照擴(kuò)孔器性能要求，其首先要有一個(gè)具有良好破碎巖土能力的結(jié)構(gòu)裝置，在該裝置上應(yīng)當(dāng)安裝有耐磨切削具；為保證擴(kuò)孔器沿著已有鉆孔軌跡前進(jìn)，其前方應(yīng)當(dāng)有一個(gè)導(dǎo)向裝置，該裝置能使擴(kuò)孔器破碎功能段在回拖鉆桿的牽引下嚴(yán)格沿著已有鉆孔運(yùn)動(dòng)；作為一個(gè)孔內(nèi)鉆進(jìn)單元，擴(kuò)孔器整體應(yīng)當(dāng)是剛性的，按兩點(diǎn)確定一條直線的原理，在擴(kuò)孔器破碎功能段之后，還應(yīng)當(dāng)有一個(gè)能在新擴(kuò)成鉆孔中起扶正（或穩(wěn)定）作用的裝置。因此，擴(kuò)孔器在總體結(jié)構(gòu)形狀上顯然應(yīng)當(dāng)是一頭小、一頭大的塔形結(jié)構(gòu)，其功能相應(yīng)分成導(dǎo)向、擴(kuò)孔破碎和扶正三個(gè)功能段；在各段尺寸上，為保證導(dǎo)向與扶正的需要，直徑應(yīng)當(dāng)分別與已有鉆孔和新擴(kuò)成鉆孔孔徑相適應(yīng)，長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)能確保擴(kuò)孔器即使在沿曲線軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，依然能夠保持自己的直線狀態(tài)（與軌跡曲線相切）順滑自如。2擴(kuò)孔器導(dǎo)向段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前已述及，導(dǎo)向性能對(duì)任何擴(kuò)孔器來說都是必不可少的，但毋庸諱言，當(dāng)前的水平定向鉆進(jìn)行業(yè)，在市售的擴(kuò)孔器上幾乎看不到具有導(dǎo)向段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，這在擴(kuò)孔器系列產(chǎn)品的第二級(jí)以后，更可說是完全未見。究其原因，可能是一些人認(rèn)為回拖鉆桿就是對(duì)擴(kuò)孔器的最好導(dǎo)向，而另一些人則認(rèn)為擴(kuò)孔器破碎段結(jié)構(gòu)可以起到導(dǎo)向作用，這也就是大量擴(kuò)孔器采用錐形、子彈頭形等結(jié)構(gòu)的重要原因。其實(shí)，觀察圖1.1所示擴(kuò)孔器的工作環(huán)境，就能很好地解釋這些做法是不能避免偏心擴(kuò)孔現(xiàn)象的。因此，要改變行業(yè)的這一現(xiàn)狀，必須對(duì)擴(kuò)孔器導(dǎo)向段的設(shè)計(jì)加以重視。2.1導(dǎo)向段的外形由于導(dǎo)向段只能依靠已有鉆孔（導(dǎo)向孔或前級(jí)擴(kuò)孔）的孔璧作為強(qiáng)制導(dǎo)向支撐，所以，導(dǎo)向段外形應(yīng)當(dāng)是與鉆孔同形狀的圓柱形。但是，前已提到，孔內(nèi)沖洗介質(zhì)的最佳流動(dòng)方向應(yīng)當(dāng)是向前（擴(kuò)孔器前進(jìn)方向），這也就要求導(dǎo)向段結(jié)構(gòu)不能形成對(duì)沖洗介質(zhì)流動(dòng)的阻擋。這樣，導(dǎo)向段的結(jié)構(gòu)型式就最好是由多條軸向布置的翼片組成，這些翼片在回轉(zhuǎn)時(shí)形成圓柱形支撐，翼片之間的空間即作為沖洗介質(zhì)的流通通道。有兩種翼片結(jié)構(gòu)可供選型：一是直線形翼片，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，成本低廉；二是螺旋型翼片，其導(dǎo)向支撐效果好，如果螺旋升角與沖洗介質(zhì)的流動(dòng)速度及鉆桿回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速相適應(yīng)，排粉效果更佳。另外，為提高導(dǎo)向段的使用壽命，翼片可采用耐磨材料制造，或在它們與孔璧接觸處的表面堆焊碳化鎢硬質(zhì)合金粉或鑲嵌硬質(zhì)合金之類的耐磨元件。2.2導(dǎo)向段的結(jié)構(gòu)尺寸導(dǎo)向段的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)主要是確定其直徑和長(zhǎng)度。

圖2剛性鉆具在彎曲孔斷的通過性要保證最佳的導(dǎo)向效果，其直徑應(yīng)當(dāng)與引導(dǎo)孔直徑相當(dāng)，因?yàn)檫@樣才能提供可靠的孔壁支撐。但是，考慮減小導(dǎo)向段的摩擦阻力（它是非破碎巖土所需的），并且考慮擴(kuò)孔器在彎曲軌跡中的運(yùn)動(dòng)需求，其應(yīng)當(dāng)與引導(dǎo)孔壁之間留有一定間隙。確定這一環(huán)狀間隙的大小應(yīng)當(dāng)根據(jù)以下兩個(gè)因素：●引導(dǎo)孔的孔壁狀態(tài)（不圓度）和泥皮厚度；●剛性擴(kuò)孔器在彎曲鉆孔軌跡中的通過性。對(duì)這種通過性，可參照如圖2所示方法計(jì)算確定。設(shè)一剛性鉆具長(zhǎng)度為L(zhǎng)，直徑為D，要確保其在彎曲鉆孔中運(yùn)動(dòng)（其孔徑為D0，彎曲半徑為R），其自由通過時(shí)的必需間隙為t。R由水平定向鉆孔軌跡設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮所鋪設(shè)管道的安全彎曲半徑確定。其最大長(zhǎng)度可采用以下關(guān)系式確定：從式2.1可以看出，擴(kuò)孔器在彎曲鉆孔軌跡中的通過性不但與自身直徑大小有關(guān)，還與長(zhǎng)度有關(guān)。同理，導(dǎo)向段的直徑確定也與其自身長(zhǎng)度有關(guān)。導(dǎo)向段的結(jié)構(gòu)尺寸也可采用經(jīng)驗(yàn)方法確定。導(dǎo)向段長(zhǎng)度不宜太長(zhǎng)，否則容易在擴(kuò)孔中發(fā)生斷裂，一般取200mm左右即可；其直徑一般比引導(dǎo)孔直徑小10~20mm。這里還需再次強(qiáng)調(diào)：擴(kuò)孔器必須有尺寸系列配套，任何一級(jí)擴(kuò)孔器都必須設(shè)計(jì)有與前級(jí)孔洞相適應(yīng)的導(dǎo)向段。2.3導(dǎo)向段的水路設(shè)計(jì)導(dǎo)向段的水路即沖洗介質(zhì)的流通通道，其設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是孔內(nèi)的流體力學(xué)特性。一些人直觀地認(rèn)為，流通通道的斷面尺寸越大越好，以為這樣才可方便地排出擴(kuò)孔器破碎段所破碎下來的任何尺寸的碎屑，避免巖粉堆積。從流體力學(xué)觀點(diǎn)看，這種認(rèn)識(shí)顯然是錯(cuò)誤的。沖洗介質(zhì)的排粉能力主要取決于流體的運(yùn)動(dòng)速度（即流速）和流體攜帶碎屑的能力（如結(jié)構(gòu)流）。在水平定向鉆進(jìn)中，由于鉆孔軌跡形態(tài)決定，其流速不能像垂直鉆孔（井）那樣以上返流速大于巖屑沉降速度來確定，所以，應(yīng)在保證孔壁受沖刷破壞不大的條件下，盡可能地提高流速。因此，導(dǎo)向段的流通通道面積不宜大，其對(duì)稱分布的翼片之間的空間截面尺寸大小，應(yīng)以擴(kuò)孔器破碎下來的任何尺寸碎屑都不受重復(fù)破碎即可方便排出為準(zhǔn)，累計(jì)的過流面積應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)小于回拖鉆桿與引導(dǎo)鉆孔之間的環(huán)狀空間面積，以保證沖洗介質(zhì)在導(dǎo)向段的流速數(shù)倍于環(huán)空流速。當(dāng)然，為保護(hù)孔壁，軟地層流速應(yīng)低，完整硬地層流速可高。3擴(kuò)孔器破碎段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擴(kuò)孔器破碎段的功能是破碎“環(huán)形臺(tái)階”上的巖土，設(shè)計(jì)要求是將得到的能量最大限度地用在破碎上，同時(shí)具有盡可能長(zhǎng)的工作壽命。這一壽命至少要保證每次擴(kuò)孔都能夠一次回?cái)U(kuò)完成，因?yàn)橥捎诘貙釉蚧蝌?qū)動(dòng)鉆桿方向原因，一般不應(yīng)在擴(kuò)孔過程中更換擴(kuò)孔器。3.1破碎段的外形擴(kuò)孔器破碎段一般可分成基體和切削具兩部分，其外形都是其回轉(zhuǎn)形成的輪廓線形狀，它們可以相同，也可不相同。這里主要討論切削具回轉(zhuǎn)所形成的輪廓線形狀。切削具回轉(zhuǎn)所形成的輪廓線可采用如下方法得到：分別以擴(kuò)孔器軸線和半徑線作為縱、橫坐標(biāo)，將擴(kuò)孔器上的每一片切削具按照其尺寸大小和安裝位置重疊投影到同一剖面，其全部切削具（主要是刃部）構(gòu)成的該剖面輪廓線，即為擴(kuò)孔器實(shí)際破碎段輪廓線，如圖3所示。a.平直線形b.階梯線形c.曲線形

圖3切削具環(huán)狀孔底擊碎圖由前面圖1可知，擴(kuò)孔器所需要破碎的僅是一個(gè)“環(huán)形臺(tái)階”。因此，如圖3a所示的切削具回轉(zhuǎn)所成平直線型輪廓線最短，也即其破碎量最小、能量利用率最高。如果擴(kuò)孔器級(jí)差大，采用如圖3b所示的階梯式輪廓線也能具有良好的性能。而采用圖3c所示的曲線（如回轉(zhuǎn)為球頭形、子彈頭形等曲線形）或斜直線（回轉(zhuǎn)為錐形）則造成許多環(huán)狀面積上的破碎工作量并不是擴(kuò)大孔徑所必須的，這既無謂地增加了能量消耗，也大大增加了切削具的磨料消耗。遺憾的是，目前國(guó)內(nèi)外許多擴(kuò)孔器都采用了這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。造成這一現(xiàn)象的原因，筆者分析，可能是一些人出于提高切削具強(qiáng)度和耐磨壽命的考慮，而另一些人則是想象這樣的輪廓線在松軟地層中會(huì)起到所謂“擠擴(kuò)”的效果。其實(shí)，無論擴(kuò)孔器破碎段的基體外形采用何種輪廓線形狀(包括錐形、球頭形、子彈頭形、拋物線形等形狀)，只要正確地選用切削具形狀和科學(xué)地合理布置切削具，都能容易地做到使所有切削具回轉(zhuǎn)形成的輪廓線，達(dá)到圖3a和圖3b所示的平直線或階梯折線兩種最佳輪廓線形狀。3.2切削具的布置用于不同地層的擴(kuò)孔器，其選用的切削具材料和形狀不同，安裝位置與安裝方法也不相同。所以，每一種擴(kuò)孔器都有自身切削具布置要求。但是，與所有鉆頭切削具一樣，擴(kuò)孔器的切削具布置也應(yīng)遵守以下原則：①切削具必須充滿破碎段輪廓線，不能留有空白，并且應(yīng)有足夠的重疊。②最好讓每顆切削具破碎巖石工作量相同，即做到等磨損。③切削具（或切削具組）之間應(yīng)當(dāng)留有足夠間隙，便于冷卻和巖粉排出，避免重復(fù)破碎。④前切削具為后切削具創(chuàng)造更多的自由面，有利于碎巖。3.3破碎段的結(jié)構(gòu)尺寸切削具破碎段是在“環(huán)形臺(tái)階”上工作，其小端尺寸顯然受引導(dǎo)孔直徑限制，而大端尺寸則受所需要鋪設(shè)的管道直徑或分級(jí)擴(kuò)孔直徑限制。對(duì)多級(jí)擴(kuò)孔來說，要確定終級(jí)擴(kuò)孔器的直徑比較容易，因?yàn)樗c欲鋪設(shè)管道的直徑密切相關(guān)。規(guī)范規(guī)定，前者與后者的直徑比關(guān)系為1.2~1.5[6]；專題研究也證明，這一比值并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而是有充足的理論依據(jù)[7]。另外，有人進(jìn)一步提出，可考慮鉆孔長(zhǎng)度因素，具體細(xì)化在此比值范圍內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)定值方法[8]，這一方法的實(shí)質(zhì)是考慮鉆孔清潔度和彎曲強(qiáng)度對(duì)拉管阻力的影響，實(shí)踐中具有一定的參考價(jià)值。但是，對(duì)多級(jí)擴(kuò)孔的中間級(jí)擴(kuò)孔器直徑確定卻較為困難，因?yàn)槟壳拔覀冞€提不出科學(xué)的擴(kuò)孔系列分級(jí)級(jí)差理論。這個(gè)問題的復(fù)雜性不但與鉆進(jìn)地層的軟硬多樣性有關(guān)，還與巖土破碎的不均勻性相關(guān)。長(zhǎng)期以來，一些人主張為加工制造方便，擴(kuò)孔器直徑系列應(yīng)采用等直徑差分級(jí)；另一些人卻主張為追求破碎效率，采用等破碎面積差分級(jí)；還有人主張充分發(fā)揮鉆機(jī)的能力，采用等扭矩原理進(jìn)行級(jí)差分級(jí)-[9]。我們相信，隨著研究工作的不斷深入，找到最科學(xué)合理的擴(kuò)孔級(jí)差系列分級(jí)方法已經(jīng)指日可待了。3.4破碎段的水路設(shè)計(jì)擴(kuò)孔器破碎段的水路設(shè)計(jì)，也就是沖洗介質(zhì)在破碎段的流動(dòng)方向、路徑和流通斷面結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)問題。前已提到，沖洗介質(zhì)在孔內(nèi)的最佳流動(dòng)方向，應(yīng)當(dāng)是向著鉆機(jī)一側(cè)（即導(dǎo)向孔入口）方向，所以，其在破碎段的流向也應(yīng)當(dāng)是從大端流向小端。其流動(dòng)路徑，也就只能在切削具安裝的空位之間。對(duì)于其流通斷面的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，也同樣應(yīng)遵循前面導(dǎo)向段水路設(shè)計(jì)的兩條原則，即：流通斷面結(jié)構(gòu)尺寸的下限，應(yīng)當(dāng)大于擴(kuò)孔器破碎下來的任何尺寸碎屑；其上限，應(yīng)當(dāng)滿足累計(jì)的過流面積小于導(dǎo)向段的流通通道面積。這樣做的理由，還是盡力減少重復(fù)破碎，盡量提高流動(dòng)速度，最終達(dá)到提高效率、減少擴(kuò)孔器的泥包問題。回顧國(guó)內(nèi)外擴(kuò)孔器的發(fā)展進(jìn)程，可清楚地證明這些設(shè)計(jì)理念的正確性：水平定向鉆進(jìn)的發(fā)展初期，擴(kuò)孔器水路設(shè)計(jì)千差萬別，評(píng)價(jià)各有千秋；但近年來如圖4和5所示的“流道式”擴(kuò)孔器大行其道，其它流道類型擴(kuò)孔器市場(chǎng)已日益萎縮。

圖4硬地層用流道式擴(kuò)孔器

圖5軟地層用流道式擴(kuò)孔器

4擴(kuò)孔器扶正段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)前面的相關(guān)論述，我們可以得出這樣的設(shè)計(jì)理念：擴(kuò)孔器扶正段的功能應(yīng)當(dāng)有兩個(gè)，一是在新擴(kuò)成鉆孔中對(duì)擴(kuò)孔器破碎段起扶正（或穩(wěn)定）作用；二是在孔內(nèi)建立類似滑動(dòng)式止水塞的臨時(shí)孔底，以迫使沖洗介質(zhì)始終向擴(kuò)孔器回?cái)U(kuò)運(yùn)動(dòng)方向返回。4.1扶正段的外形從滿足扶正的功能來看，其設(shè)計(jì)原理也應(yīng)與導(dǎo)向段外形設(shè)計(jì)一樣，即圓柱形。為節(jié)省材料和減小摩擦磨損，宜采用多條軸向布置的直線形或螺旋形翼片結(jié)構(gòu)。同樣，為提高扶正段的使用壽命，圓柱或翼片的外表面也可采用堆焊碳化鎢硬質(zhì)合金粉或鑲嵌硬質(zhì)合金之類的耐磨元件。為滿足其形成人工孔底的功能，無論是整圓柱形還是由翼片構(gòu)成的圓柱，其靠近破碎段一側(cè)的端部，應(yīng)當(dāng)是一塊圓形的整片式封底。4.2扶正段的結(jié)構(gòu)尺寸扶正段與導(dǎo)向段共同組成控制破碎功能段的兩個(gè)支點(diǎn)。扶正段直徑和長(zhǎng)度，完全可以采用前面導(dǎo)向段相同的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，只是在應(yīng)用式2.1時(shí)，可以對(duì)扶正段單獨(dú)計(jì)算，亦可將擴(kuò)孔器作為扶正段等徑的整體進(jìn)行計(jì)算。同樣，其結(jié)構(gòu)尺寸也可采用經(jīng)驗(yàn)方法確定：長(zhǎng)度一般取300~500mm左右；直徑一般比擴(kuò)孔器大端直徑小10~20mm。為保證其形成止水塞的臨時(shí)孔底，最好在其端部采用直徑稍大的橡膠或其它柔性材料。4.3扶正段的水路設(shè)計(jì)對(duì)于要形成止水塞臨時(shí)孔底的擴(kuò)孔器，其扶正段應(yīng)當(dāng)沒有大量的流體流動(dòng)，故也就無需水路的設(shè)計(jì)了。鉆孔內(nèi)的水位或沿扶正段軸向漏失的沖洗介質(zhì)，可對(duì)扶正段起到足夠的冷卻和潤(rùn)滑作用。如需采用向鉆孔出口方向的沖洗循環(huán)方式，則扶正段的水路設(shè)計(jì)比照前面導(dǎo)向段設(shè)計(jì)方法即可，當(dāng)然，此時(shí)應(yīng)當(dāng)在導(dǎo)向段一端形成止水塞的臨時(shí)孔底。4.4帶擠壓護(hù)壁功能的擴(kuò)孔器扶正段設(shè)計(jì)在軟土及松散地層中，已有的擴(kuò)孔器普遍存在自身不具備導(dǎo)向能力、可能使鉆孔擴(kuò)偏的問題；還存在擴(kuò)孔器只具有使鉆孔擴(kuò)大能力，而不具備保護(hù)孔壁的護(hù)壁能力。

圖6帶擠壓護(hù)壁功能的擴(kuò)孔器圖6所示的帶擠壓護(hù)壁功能的擴(kuò)孔器（專利號(hào)：200910167970.X），其技術(shù)核心是使擴(kuò)孔器自身具有導(dǎo)向能力和擠壓護(hù)壁能力，它能更好地適應(yīng)水平定向鉆進(jìn)彎曲軌跡的擴(kuò)孔工況，減少鉆孔偏擴(kuò)問題；并能夠大大提高在軟土及松散地層擴(kuò)孔時(shí)的鉆孔護(hù)壁能力，使孔壁更加光滑、不易坍塌。該型擴(kuò)孔器的主要結(jié)構(gòu)是在擴(kuò)孔器的擴(kuò)孔破碎段之前增加了一個(gè)導(dǎo)向頭，在其之后增加了一套可調(diào)節(jié)直徑的孔壁擠壓滾輪，使用時(shí)可根據(jù)軟地層的可壓縮性，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)最后的鋪管孔成孔直徑或擴(kuò)孔直徑。導(dǎo)向頭主要由接頭1和導(dǎo)向器2組成。接頭1用于與鉆桿連接，導(dǎo)向器2外表面安裝有若干耐磨肋條23，其直徑略小于導(dǎo)向孔或前級(jí)擴(kuò)孔器直徑，用于導(dǎo)正擴(kuò)孔器運(yùn)動(dòng)軌跡。擴(kuò)孔頭主要由擴(kuò)孔器殼體6、擴(kuò)孔翼片22和切削具3等組成。擴(kuò)孔器殼體6上鑲焊若干擴(kuò)孔翼片22，擴(kuò)孔翼片22上又鑲焊若干切削具3，主要用于切削破碎孔壁巖土。擴(kuò)孔器殼體6上還開有若干水眼7，用于導(dǎo)出芯軸8上的水眼2的鉆進(jìn)液，對(duì)擴(kuò)孔器進(jìn)行冷卻和沖洗?？勺儚娇妆跀D壓裝置主要由滾輪14、支架16、定位套17和緊定螺母18、19組成。滾輪14的小軸上安裝有滾動(dòng)軸承（或滑動(dòng)軸承）13，并有密封壓蓋15密封潤(rùn)滑。滾輪小軸的兩端分別采用鉸支軸承安裝在擴(kuò)孔器殼體6的后面和支架16的前面。擴(kuò)孔器工作時(shí)，滾輪既隨擴(kuò)孔頭和支架公轉(zhuǎn)，又可繞小軸自轉(zhuǎn)，以滾動(dòng)擠壓孔壁，大大減小擠壓摩擦力。支架16為輪輻狀（輻條數(shù)量與滾輪數(shù)量相等）或輪盤狀，其中心套筒為六方（或其它多邊形），安裝在芯軸8的對(duì)應(yīng)六方（或其它多邊形）部位，用于可靠傳動(dòng)芯軸8的扭矩。支架16可沿芯軸8軸向滑動(dòng)，從而可根據(jù)土層壓縮性調(diào)整滾輪組的最大滾壓直徑。調(diào)整時(shí)，通過改變定位套17在芯軸8上的軸向位置，并通過定位銷釘21銷定芯軸8上的若干定位孔而定位。定位套17定位后，采