王剛

（徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

0 引言

定向鉆進(jìn)施工技術(shù)廣泛應(yīng)用于能源類、給排水以及通信領(lǐng)域的線路管道建設(shè)工程當(dāng)中，是一種非開(kāi)挖且可以高效解決地下施工空間布局的一種技術(shù)。定向鉆施工技術(shù)可分為導(dǎo)向鉆進(jìn)、擴(kuò)孔以及回拖等3 大模塊，在整個(gè)施工過(guò)程中控制技術(shù)會(huì)受到施工效應(yīng)的影響而出現(xiàn)各種技術(shù)控制問(wèn)題，若無(wú)法明確且及時(shí)解決地質(zhì)環(huán)境因素帶來(lái)的阻礙，則會(huì)對(duì)整個(gè)施工質(zhì)量、進(jìn)程以及后續(xù)使用造成嚴(yán)重的影響。為此，本文將立足于該觀點(diǎn)對(duì)其施工效應(yīng)與控制技術(shù)進(jìn)行分析。

1 定向鉆施工技術(shù)及應(yīng)用難點(diǎn)

1.1 導(dǎo)向控制

定向鉆施工的導(dǎo)向控制是決定后續(xù)施工軌跡與質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。在定向鉆施工的導(dǎo)向孔施工中主要以地面的動(dòng)力系統(tǒng)為主動(dòng)力傳導(dǎo)裝置，通過(guò)導(dǎo)向鉆鉆桿驅(qū)動(dòng)地下導(dǎo)向鉆頭沿規(guī)定軌跡鉆進(jìn)，從而在身后形成一條小直徑孔道，定向鉆導(dǎo)向控制施工如圖1 所示。

圖1 定向鉆導(dǎo)向施工

在明確鉆入角與鉆出角角度之后開(kāi)始進(jìn)行鉆進(jìn)施工。該過(guò)程中導(dǎo)向鉆的方向控制主要以底面控制單元實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)為主進(jìn)行調(diào)節(jié)，在鉆進(jìn)過(guò)程中以定向鉆設(shè)備的鉆桿為動(dòng)力傳輸單位，通過(guò)主鉆桿實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中行進(jìn)軌跡的微觀調(diào)控。整個(gè)導(dǎo)向控制的實(shí)時(shí)參數(shù)如實(shí)時(shí)面向角、傾角以及方位角等信息皆會(huì)通過(guò)鉆頭后部探測(cè)管內(nèi)的傳感器上傳至地面控制中心，通過(guò)實(shí)時(shí)地面計(jì)算進(jìn)行人為控制調(diào)整[1-2]。

定向鉆施工的導(dǎo)向軌跡可主要分為5 大部分，即入土段、入土彎曲段、水平鉆進(jìn)段、出土彎曲段以及出土段，如圖2 所示。

圖2 鉆進(jìn)曲線分段

由圖2 可知，整個(gè)定向鉆進(jìn)工程從入土段部分開(kāi)始首先會(huì)進(jìn)行側(cè)斜直線鉆進(jìn)，該部分受到施工效應(yīng)的影響較小且明確入土角度后基本不會(huì)出現(xiàn)鉆進(jìn)偏差問(wèn)題；由側(cè)斜直線向水平線靠近的鉆進(jìn)段稱為入土彎曲段，該部分鉆進(jìn)施工容易受到地質(zhì)情況影響而出現(xiàn)一定程度的鉆進(jìn)偏差需要時(shí)刻注意鉆進(jìn)方向與角度；在水平鉆進(jìn)段中因所處位置均為工程重要避讓點(diǎn)的下方，所以需要嚴(yán)格控制鉆進(jìn)角度與泥漿的成分，以避免后續(xù)的擴(kuò)孔與回拖工作出現(xiàn)多點(diǎn)不同的壓迫力，出土環(huán)節(jié)與入土階段控制要點(diǎn)相似[3-5]。

1.2 擴(kuò)孔控制

定向鉆施工下的擴(kuò)孔施工是確保整個(gè)施工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，擴(kuò)孔質(zhì)量決定定向鉆施工成品質(zhì)量與回拖施工的簡(jiǎn)易性[6]。在上述導(dǎo)向鉆進(jìn)留下的導(dǎo)向孔基礎(chǔ)上，通過(guò)連接器的方式將擴(kuò)孔器與鉆桿進(jìn)行連接，利用拖拉的方式擴(kuò)大導(dǎo)向孔的孔徑，擴(kuò)孔施工如圖3 所示。

圖3 定向鉆擴(kuò)孔施工

在該階段施工過(guò)程中國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者認(rèn)為擴(kuò)孔施工會(huì)在一定程度上擠壓土體，造成地表或孔洞周邊地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而造成鉆進(jìn)成孔后孔洞存在一定程度的內(nèi)壁結(jié)構(gòu)損壞問(wèn)題[7-9]。以上圖中施工情況為例，在擴(kuò)孔作業(yè)進(jìn)行到水平孔擴(kuò)孔階段時(shí)，通過(guò)擠壓方式得到的孔洞會(huì)在一定程度上破壞原本河流下方的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，一旦河水滲漏到孔洞上方土壤就會(huì)造成孔洞坍塌與滲水等問(wèn)題。

1.3 回拖控制

回拖施工是定向鉆施工的最后環(huán)節(jié)，其施工的主要內(nèi)容是通過(guò)鉆機(jī)將待鋪管道利用短節(jié)與鉆桿連接的方式穿入孔洞，回拖施工如圖4 所示。

圖4 回拖施工

在回拖施工過(guò)程中回拖力的大小是影響管道鋪設(shè)的重要因素，為確保鋪設(shè)完成后不會(huì)出現(xiàn)坍塌、滲漏以及下陷等事故，通常需要在管道鋪設(shè)完成之后通過(guò)壓力泵的方式將泥漿壓入管道與孔壁間的縫隙[10]。

上述施工過(guò)程存在較高技術(shù)控制難點(diǎn)，例如在施工過(guò)程中會(huì)因施工效應(yīng)問(wèn)題產(chǎn)生鉆進(jìn)擾動(dòng)和地層結(jié)構(gòu)損傷的問(wèn)題，同時(shí)在鉆進(jìn)一些特殊情況的地層時(shí)還會(huì)遇到如泥漿處理問(wèn)題、孔壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題以及極限泥漿壓力問(wèn)題等影響施工質(zhì)量的因素。

2 施工效應(yīng)與控制技術(shù)的相互影響

由對(duì)定向鉆施工技術(shù)的簡(jiǎn)述分析可知，施工效應(yīng)是影響整個(gè)定向鉆施工質(zhì)量與效率的重要因素，是直接影響導(dǎo)向、擴(kuò)孔和回拖施工的因素之一。為此，本文將從孔道周圍擾動(dòng)與周邊擾動(dòng)角度出發(fā)探究定向鉆施工效應(yīng)與其控制技術(shù)間的相互影響，為后續(xù)控制技術(shù)分析奠定基礎(chǔ)。

2.1 孔道周圍擾動(dòng)分析

在導(dǎo)向鉆進(jìn)施工過(guò)程中對(duì)土體的開(kāi)挖過(guò)程中，鉆頭需要不斷旋轉(zhuǎn)切削分離土壤砂石結(jié)構(gòu)以達(dá)到鉆進(jìn)與成孔的目的。在該過(guò)程中導(dǎo)向孔周圍的土體受力結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞，即原初始土壤結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)會(huì)在鉆進(jìn)后變?yōu)橹胤植紤?yīng)力狀態(tài)，孔洞周圍部分土體的形變會(huì)由彈性形變變?yōu)樗苄孕巫?，在繼續(xù)受到外界力的作用下便會(huì)產(chǎn)生塌孔和塌陷現(xiàn)象。在擴(kuò)孔階段由半切削半壓緊施工技術(shù)形成的施工效應(yīng)同樣會(huì)造成周圍土壤結(jié)構(gòu)的破壞，在擴(kuò)孔施工完成之后孔洞周圍的土壤會(huì)從重分布應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)橹赶蚯忻鎴A心向外的應(yīng)力結(jié)構(gòu)，在粘性土壤結(jié)構(gòu)中擠壓式擴(kuò)孔形成的孔洞內(nèi)壁具有一定的抗壓性能，但其他土壤結(jié)構(gòu)如砂石結(jié)構(gòu)土層中其應(yīng)力狀態(tài)并不會(huì)發(fā)生改變，在后續(xù)回拖施工中極有可能會(huì)造成為回拖部分出現(xiàn)塌孔問(wèn)題。在定向鉆施工的回拖階段，定向鉆機(jī)需克服回拖管道與孔壁間不斷增加的摩擦力以及自身的重力，此部分不但需要控制回拖推拉載荷力補(bǔ)償，而且還需要注意施工效應(yīng)即管道形狀對(duì)回拖負(fù)荷的影響，最大限度降低施工效應(yīng)與鉆進(jìn)控制技術(shù)的正負(fù)比，即降低因施工效應(yīng)對(duì)鉆進(jìn)技術(shù)控制的影響與施工技術(shù)對(duì)施工效應(yīng)的影響[11]。

2.2 孔道周邊擾動(dòng)分析

定向鉆施工效應(yīng)的孔道周邊擾動(dòng)是指土體在外荷載力的作用下，由原初始平衡應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)橹胤植紤?yīng)力狀態(tài)所產(chǎn)生的力學(xué)結(jié)構(gòu)變化，由此產(chǎn)生的擾動(dòng)將會(huì)一直影響整個(gè)定向鉆施工，例如由剪切、擠壓和卸載等施工引起的土體性質(zhì)變換、地表沉降或隆起等情況可能會(huì)引起與鉆進(jìn)施工本不相關(guān)的干擾因素，如圖1～圖4 描述的繞河定向鉆進(jìn)施工，若因施工效應(yīng)造成孔道周邊擾動(dòng)則很有可能會(huì)導(dǎo)致河流下土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而造成孔道周圍擾動(dòng)問(wèn)題。因定向鉆施工的各階段均屬于動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，所以很難從施工位置實(shí)際情況明確擾動(dòng)范圍，通常情況下需要施工技術(shù)人員考慮孔道周邊結(jié)構(gòu)物情況來(lái)明確鉆進(jìn)擾動(dòng)的范圍大小。以圖5 為例，當(dāng)定向鉆施工導(dǎo)向孔半徑較小且在較大的開(kāi)挖深度下，其孔道產(chǎn)生的擾動(dòng)范圍是有限的，而在擴(kuò)孔階段因?qū)嶋H擴(kuò)孔控制產(chǎn)生的施工效應(yīng)是大致相同的，所以可以運(yùn)用地層檢測(cè)判斷各鉆進(jìn)階段產(chǎn)生周邊擾動(dòng)的大小。在擴(kuò)孔回拖階段若回拖力“T”與鉆機(jī)扭矩“T1”小于土體對(duì)擴(kuò)孔器產(chǎn)生的作用力時(shí)，則擴(kuò)孔器會(huì)處于受力靜止?fàn)顟B(tài)，在該時(shí)刻已經(jīng)成孔的后方土體將會(huì)受到擴(kuò)孔器產(chǎn)生向外擴(kuò)孔力而形成卸荷區(qū)，極易發(fā)生土體沉降或孔洞坍塌等問(wèn)題。與此同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間負(fù)荷工作還會(huì)影響鉆機(jī)的使用壽命，因此需要格外注意孔道周邊擾動(dòng)對(duì)施工的影響。

圖5 定向鉆施工某孔道截?cái)?/p>

3 控制技術(shù)分析

3.1 定向鉆施工的導(dǎo)向施工控制技術(shù)

在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)施工中因各鉆進(jìn)階段土壤情況均已探明，所以在實(shí)際導(dǎo)向鉆進(jìn)過(guò)程中需要將控制重心放置在鉆進(jìn)方向與鉆進(jìn)設(shè)備安全等角度上。在鉆進(jìn)開(kāi)孔階段開(kāi)孔時(shí)需要嚴(yán)格保障入鉆角的準(zhǔn)確和穩(wěn)定，在測(cè)斜直線鉆進(jìn)、曲線鉆進(jìn)和水平鉆進(jìn)階段需要保持導(dǎo)向鉆進(jìn)可以在3.0m 區(qū)間內(nèi)維持一定方向，即導(dǎo)向鉆進(jìn)可以在前一次微調(diào)后至少在3.0m 路程內(nèi)不進(jìn)行調(diào)整，為實(shí)現(xiàn)該要求需要鉆進(jìn)設(shè)備控制人員采用低鉆速、小泵量和慢進(jìn)尺的鉆進(jìn)工藝進(jìn)行導(dǎo)向孔鉆進(jìn)。在曲線造斜段鉆進(jìn)時(shí)需要設(shè)備控制人員不斷調(diào)整鉆頭面向角度，以逐段頂進(jìn)的技術(shù)方法形成曲線造斜孔洞，在此過(guò)程中需要時(shí)刻監(jiān)測(cè)導(dǎo)航儀鉆頭的仰角變化，依據(jù)不同土層調(diào)整頂進(jìn)與鉆進(jìn)功率和速度，避免鉆進(jìn)仰角變化超出鉆桿的最小曲率半徑。在水平鉆進(jìn)階段需控制鉆機(jī)以勻速回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，并在鎖定鉆進(jìn)方向與角度的同時(shí)增加導(dǎo)向鉆進(jìn)速度。

3.2 擴(kuò)孔回拖控制技術(shù)

因絕大多數(shù)定向鉆施工的擴(kuò)孔與回拖會(huì)設(shè)計(jì)在一起，因此本文將擴(kuò)孔施工與回拖施工視為一個(gè)整體進(jìn)行擴(kuò)孔回拖的受力分析。因擴(kuò)孔與回拖施工需要在導(dǎo)向孔的基礎(chǔ)上進(jìn)行，所以該階段施工既要考慮土層結(jié)構(gòu)對(duì)施工帶來(lái)的壓力，又要考慮擴(kuò)孔回拖的給進(jìn)速度，為此本文將通過(guò)力學(xué)分析的方式探究其控制技術(shù)。在回拖過(guò)程中需要設(shè)備必須克服管道與孔壁間的摩擦力、泥漿壓力、泥漿靜壓阻力以及管道通過(guò)彎曲段時(shí)的彎曲阻力。

為此回拖管道與孔壁間的摩擦力“F”可表示為：

式中：μ——摩擦系數(shù)；W——管道的重量；L——管道的長(zhǎng)度。

影響擴(kuò)孔回拖摩擦阻力的主要因素主要包括導(dǎo)向孔鉆進(jìn)時(shí)殘留的泥漿，管道在回拖過(guò)程中懸浮在泥漿上會(huì)一定程度上降低管道與孔壁間的摩擦，在理想土層狀態(tài)下因?qū)蚩缀蛿U(kuò)孔留下的泥漿不會(huì)存在砂石，所以其摩擦力會(huì)相對(duì)減弱率；在常規(guī)導(dǎo)向孔鉆進(jìn)與擴(kuò)孔施工中殘留的泥漿中會(huì)存在一定程度的砂石，因此雖然與直接接觸孔壁相比其摩擦力相對(duì)減少，但是仍存在一定的回拖摩擦力需要控制人員酌情降低回拖功率。

在泥漿阻力“P”中泥漿與管道的阻力可表示為：

定向鉆進(jìn)總回拖拉力為各段摩擦阻力之和，詳細(xì)擴(kuò)孔回拖扭矩力控制可通過(guò)取樣導(dǎo)向孔內(nèi)泥漿的方式進(jìn)行計(jì)算，得出泥漿與管道的摩擦系數(shù)，從而控制擴(kuò)孔回拖功率與回拖速度，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔回拖技術(shù)的高效應(yīng)用。

3.3 設(shè)備改進(jìn)控制技術(shù)

為提高定向鉆施工全過(guò)程控制質(zhì)量與設(shè)備穩(wěn)定性將對(duì)定向鉆機(jī)的提引器和阻塞器進(jìn)行改進(jìn)。在提引器改進(jìn)技術(shù)方面，因定向鉆進(jìn)無(wú)法利用自重原理而必須使用雙向加力，所以可以設(shè)計(jì)出針對(duì)鉆桿提引器和滑輪組的裝、卸與鎖緊裝置。提引器改進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)由兩個(gè)吊耳、一個(gè)卡扣和一個(gè)鎖定桿組成，組合工作原理為：以鎖定鉆桿的墊叉卡口作為特制卡口，以此直接卡進(jìn)鉆桿接頭處的專用卡槽內(nèi)部，因卡扣上設(shè)有鎖定桿，所以當(dāng)卡口與接頭卡槽接觸后便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上鎖，進(jìn)而預(yù)防鉆桿和鉆具在鉆進(jìn)過(guò)程中脫離卡扣緊固，通過(guò)與吊耳銜接可實(shí)現(xiàn)借助滑輪組和鉆機(jī)卷?yè)P(yáng)機(jī)拉入和推進(jìn)的雙向控制。在阻塞器改進(jìn)技術(shù)方面，為確保鉆進(jìn)過(guò)程中孔內(nèi)任何指定的鉆進(jìn)都能順利進(jìn)行，并通過(guò)壓水和孔內(nèi)原位試驗(yàn)得到鉆進(jìn)區(qū)域?qū)嶋H鉆進(jìn)數(shù)據(jù)，需要使用阻塞器對(duì)鉆進(jìn)試驗(yàn)段進(jìn)行封堵。在傳統(tǒng)的方法中無(wú)論是氣囊式還是機(jī)械式阻塞器，都需要依靠自重實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)目標(biāo)位置的放置，但遇到較大傾斜角（仰孔）或者水平孔時(shí)則無(wú)法通過(guò)自重實(shí)現(xiàn)下放。因此，為提高定向鉆進(jìn)施工的工作效率與實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制，需要對(duì)氣囊式和頂壓式阻塞器進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)方法為：通過(guò)鋼管絲孔實(shí)現(xiàn)對(duì)氣囊式阻塞器和相應(yīng)配套件專用接頭的銜接，對(duì)80～100m 定向鉆進(jìn)段的鉆孔將使用鉆機(jī)卷?yè)P(yáng)機(jī)給予輔助阻塞，大于200m 的定向鉆進(jìn)段則使用頂壓式阻塞器對(duì)鉆孔進(jìn)行封堵。在鉆桿處安裝膨脹膠球，通過(guò)鉆機(jī)下鉆的方式將阻塞器安放至指定位置，通過(guò)鉆機(jī)頂壓鉆桿的方式給予膨脹膠球壓力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)段鉆孔的完全封閉。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，定向鉆的施工效應(yīng)與控制技術(shù)之間存在一定的關(guān)聯(lián)，本文重點(diǎn)從定向鉆施工的導(dǎo)向施工、擴(kuò)孔施工以及回拖施工等方向?qū)ζ溥M(jìn)行研究，從施工效應(yīng)的孔道周圍擾動(dòng)與孔道周邊擾動(dòng)視角出發(fā)進(jìn)一步分析施工技術(shù)與鉆進(jìn)施工控制技術(shù)間的關(guān)系。在明確施工效應(yīng)與施工控制技術(shù)相互作用情況下，對(duì)導(dǎo)向施工控制技術(shù)與擴(kuò)孔回拖施工控制技術(shù)進(jìn)行研究，明確在受到施工效應(yīng)影響下鉆進(jìn)施工控制技術(shù)的微觀調(diào)控。