水平定向鉆施工作業(yè)中的計算

水平定向鉆施工作業(yè)中的有關(guān)計算2007年02月12日來源：中國水協(xié)設(shè)備網(wǎng)[摘要]：本文結(jié)合實際施工實例，詳細(xì)，全面，列舉了水平定向鉆施工作業(yè)中的有關(guān)計算，為施工的順利完成提供了數(shù)據(jù)保障。對于工程施工有重要的指導(dǎo)意義。[關(guān)鍵詞]：水平定向鉆鉆徑軌跡計算隨著全國市政建設(shè)的高速發(fā)展，市政公用設(shè)施——城市地下管線的修復(fù)更換，安裝完善工作也得以高速發(fā)展。隨著人們環(huán)境意識的增強，無開挖，無污染，高速高效施工方法——水平定向鉆頂管敷管法已在全國范圍高速發(fā)展，水平定向鉆施工企業(yè)也在全國迅速膨脹，水平定向鉆施工技術(shù)，實際操作經(jīng)驗也逐漸提高。為適應(yīng)這樣趨勢，本文匯總了水平定向鉆施工作業(yè)中的相關(guān)計算，與施工作業(yè)者討論。1管重及回拖力計算（1）．管子重量計算：計算管子重量時，查找各種材料手冊比較方便。也可用以下公式進(jìn)行計算；Q=π(DW-S)Sγ/1000對于鋼管則用下式計算重量：Q=S(DW-S)式中Q——管子重量,㎏/mDW——管子外徑，mmS-——管子壁厚，mmγ-——管子材質(zhì)密度，t/m3，如鋼取，鑄鐵?。?）．所需回拖力計算：回拖產(chǎn)品管線所需回拖力也就是管壁和孔壁之間摩擦力w，其由下式計算；w=[2p(1+ka)+p0]fL式中：w——管壁和孔壁之間摩擦力，KNp——土對每米管道壓力,KN/mka——主動土壓力系數(shù)，一般取p0——每米管道重量,KN/mf——管壁和孔壁之間摩擦系數(shù),02~L——管道長度，m由上式可知，摩擦力主要取決于土對管道壓力p和摩擦系數(shù)f的大小。土對管道壓力主要與土層的性質(zhì)和導(dǎo)向孔的曲率有關(guān)。沙土的粘聚力小，對管道的壓力大，p一般按所敷管線直徑1~2倍高度土質(zhì)量計算；粘性土的粘聚力大，對管道壓力小，p一般按所敷管線直徑~1倍高度土質(zhì)量計算。導(dǎo)向孔的曲率半徑R對p影響也較大，但當(dāng)R﹥1200D（D為管線直徑）時，可以不考慮其影響。2、鉆徑軌跡的設(shè)計計算：鉆徑軌跡的計算是施工作業(yè)成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其是頂鉆施工實際操作的理論指導(dǎo)依據(jù)。只有合理的，切乎實際的正確計算，嚴(yán)格按其操作，才能保證施工作業(yè)的圓滿成功。鉆徑軌跡的設(shè)計計算是建立在回拖產(chǎn)品管線的抗拉強度，彎曲半徑以及使用鉆機大小，回拖能力，鉆桿彎曲極限和施工土壤結(jié)構(gòu)等眾多因素基礎(chǔ)之上的，是一項綜合性計算。在實際操作中，施鉆人員應(yīng)根據(jù)地下障礙管線，和場地具體情況，結(jié)合土壤結(jié)構(gòu)等眾多因素，合理規(guī)劃計算出每根鉆桿的頂鉆角度，深度，然后按其逐步施工。對于實際操作中和設(shè)計計算不否者，要在滿足地下障礙管線安全前提下，重新進(jìn)行計算，以至施工完畢。例如：進(jìn)行一個特定的水下穿越，測量水最深處為米，客戶要求在水下留米距離，回拖產(chǎn)品管線為de200pe管，進(jìn)行鉆進(jìn)軌跡計算。根據(jù)施工條件，我們選用回拖力為15噸鉆機進(jìn)行施工，鉆桿為米，彎曲度為3°/每根，每根3°的變化將改變深度變化為⊿y=sin3°×3M。設(shè)定入鉆角度為-15°，為作出過渡曲線及使鉆頭在目標(biāo)深度水平，需要5根鉆桿（如圖）。要求計算鉆機的最小回退距離L=？我們知道兩個已知量入鉆角度-15°，目標(biāo)深度9米5根鉆桿以3°/每根的過渡曲線產(chǎn)生的深度變化為：-15°變?yōu)?12°產(chǎn)生的深度變化：⊿y1=sin（15°+12°）/2×3M。-12°變?yōu)?9°產(chǎn)生的深度變化：⊿y2=sin（12°+9°）/2×3M。-9°變?yōu)?6°產(chǎn)生的深度變化：⊿y3=sin（9°+6°）/2×3M。-6°變?yōu)?3°產(chǎn)生的深度變化：⊿y4=sin（6°+3°）/2×3M。-3°變?yōu)?°產(chǎn)生的深度變化：⊿y5=sin（3°+0°）/2×3M?？傆嬌疃茸兓癁椋酣Sy=⊿y1+⊿y2+⊿y3+⊿y4+⊿y5=由圖知：B=-⊿y=A=Bctg15°=×ctg15°=L=A+15=米所以，在入鉆角度為-15°時，頂鉆起始位置需距河中心米。在以上計算中，只是理論計算，而在實際操作中，可能由于水層下面的土質(zhì)較軟，或是淤泥，每根鉆桿3°的變化很難保證，其將導(dǎo)致在目標(biāo)深度處，鉆頭難以水平，為此在實際施工中，我們可適當(dāng)根據(jù)情況調(diào)整鉆頭前進(jìn)路線。在鉆徑軌跡計算方面，各大廠商同時提供計算軟件，其對施工人員有較好的指導(dǎo)意義，但其有局限性，在不同的地域土壤結(jié)構(gòu)，不同的施工地理條件，不同的設(shè)備材料下，不能一概而論，因此，在實際操作中，我們要根據(jù)條件，合理修正計算參數(shù)，讓理論計算更加接近實際。3、進(jìn)尺速度計算（1）井筒體積計算公式為：V=D2×L/25式中：V——井筒體積，加侖/英尺D——井孔直徑，英寸L——井孔長度，英尺（2）泥漿體積流量計算公式為：Q=V×f式中：Q——泥漿體積流量，加侖V——井筒體積，加侖f——流量因素其中流量因素f是指由于土壤結(jié)構(gòu)不同產(chǎn)生的泥漿流失或滲失而耗掉的泥漿流量，f取值為1~5，一般情況沙土：f取1~黏土：f取3~5隨著土壤塑性的增大，密實度的增加，f取值增加。井孔越長，f取值越大。（3）進(jìn)尺速度計算最大的鉆孔速度取決于井筒尺寸，井下工具，地層條件，泥漿泵的容量和效率，鉆井液的黏度以及流量因素。在保持環(huán)流并且避免泥漿泵超負(fù)荷所需要的每節(jié)鉆桿的最快鉆孔時間（進(jìn)尺速度）為：T=井筒體積V×流量因素f泵的速率×泵送效率式中：V——井筒體積，加侖/英尺T——進(jìn)尺速度，分鐘/英尺泵的速率——加侖/分鐘其中泵送效率與泥漿的黏度系數(shù)有關(guān)。廠商設(shè)備出廠的泥漿泵的額定排量是以海平面高度水的泵送量為基礎(chǔ)（水的馬氏漏斗黏度為26秒/夸脫）。在實際操作中，按以下方式估算泥漿黏度的增加對泥漿泵效率構(gòu)成的影響：黏度每增加1秒/夸脫，相應(yīng)的以制造商標(biāo)定的額定排量為基礎(chǔ)減小1%，也就是泥漿泵效率下降1%。例：建設(shè)方需在低塑性，中等硬質(zhì)黏土中安裝一根16英寸的水管，承包商使用的是鉆桿長度為15英尺/每根，鉆桿直徑為英寸的鉆機進(jìn)行施工，泥漿泵的額定排量為150加侖/分鐘。要求計算將英寸導(dǎo)向孔一次性擴孔到24英寸的最快擴孔速度？根據(jù)條件：低塑性，中等硬質(zhì)黏土，流量因素取f=3配置鉆井液黏度為50秒/夸脫井筒體積V=D2×L/25=24×24/25=23加侖/英尺需要的泥漿體積流量：Q=V×f=23加侖/英尺×3=69加侖/英尺69加侖/英尺×15英尺/每根鉆桿=1035加侖/每根鉆桿差值：50秒/夸脫-26秒/夸脫=24秒/夸脫泵送效率：100%-24%=76%調(diào)整泵的額定排量：150加侖/分鐘×76%=114加侖/分鐘進(jìn)尺速度：T=1035加侖/每根鉆桿÷114加侖/分鐘=分鐘/每根鉆桿因此，在將英寸導(dǎo)向孔一次性擴孔到24英寸時，擴孔速度必須以分鐘/每根鉆桿的速度進(jìn)行或者更低的速度進(jìn)行，才能保證在泥漿泵額定排量范圍內(nèi)井孔內(nèi)泥漿量達(dá)到足夠。如果在速度計算中僅依照井筒體積和泥漿泵的額定排量計算，而不進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)尺速度為：23加侖/英尺×15英尺/每根鉆桿÷150加侖/分鐘=分鐘/鉆桿對以上計算結(jié)果進(jìn)行比較，數(shù)值相差很大，如果未正確進(jìn)行計算，而盲目施工，將難以保證井孔內(nèi)泥漿量達(dá)到足夠，直接導(dǎo)致回拖產(chǎn)品管線失