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非开挖导向钻进钻孔轨迹的优化设计

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文章编号:1004—5716(2000)03—0093—03中图分类号:TU94+3　文献标识码:A

・钻掘工程・

非开挖导向钻进钻孔轨迹的优化设计

宗全兵　张祖培　李月莲(长春科技大学　长春　130026)(福建工程学校　福州　350019)

摘　要　介绍了非开挖导向钻进中常用的“直线——圆弧——直线——圆弧——直线”型钻孔轨迹的优化设计模型及其求解结果。关键词　非开挖　导向钻进　优化设计

导向钻进是国内外广泛采用的一种非开挖施工方法,正如其应用范围一样,对导向钻进的研究范围也非常广泛,尤其是对导向钻进用的仪器、设备的研究更是吸引了从多研究者的注意力,此外,一些比较著名的导向钻进设备制造商如奥格(AUGERS)公司、威猛(Vermeer)公司、等都有自己的导向钻进研究机构,而从事于导向钻进的施工工艺的研究者就更多了。但是,对导向钻进钻孔轨迹设计的研究者就更多了。但是,对导向钻进钻孔轨迹设计的研究却鲜有所闻,为了弥补这方面的缺陷,我们利用最优化方法对导向钻进钻孔轨迹的设计进行了细致的研究。结果表明:一些结论不论是对于施工的工程技术人员还是对导向钻进设备经销商或制造商都是值得借鉴的。非开挖导向钻进钻孔轨迹可分为平面弯曲型和空间任意弯曲型。考虑到对钻孔轨迹控制的难易程度和钻孔设计、施工的方便等因素,故实际中多采用平面弯曲型中的“直线——圆弧——直线——圆弧——直线”型钻孔轨迹,见图1,其结构由以下几项基本参数确定:(1)管线穿越起点B1和B2及铺管深度均须根据管线铺设的实际情况而定,可认为是已知的,且线B1B2多采用水平或微倾斜的直线。(2)入口段和出口段的曲率半径R1和R2分别与钻杆最小曲率半径和铺管允许的弯曲半径有关。(3)入口段的倾角󰀁1的取值范围与所用钻机有关,出口段的倾角󰀁2的取值范围与所铺设的管线有关,如对小直径钢管󰀁2=0～15°;PE、PVC管󰀁2=0～30°。所以,对钻孔轨迹的设计大多只对入口段和出口段的参数进行设计。图1　直线——圆弧——直线——圆弧——直线型钻孔轨迹1　导向钻进钻孔轨迹的优化模型由于入口段和出口段的设计模型是相似的,故下面只针对入口段建立模型,出口段的优化设计模型只须将一些参数作相应的改变即可。入口段的详细结构参见图1,在整个管线的优化设计中,应尽可能使从A1点到B1点的钻孔轨迹为最短,设计变量选开孔倾角󰀁1和弯曲半径R1。开孔倾角主要由钻机的能力决定,如用地矿部勘探所设计的GBS—10型钻机,则可确定󰀁1=6～23°。而弯曲半径R1可用以下公式确定:R1󰀁57.3/i(m)(1)i——为所选用钻具的允许弯曲强度(°/m); 一般弯曲强度i与钻具的材质、结构尺寸及钻进工艺有关,具体而言应视钻具通过钻孔的极限弯曲强度i1和保证钻杆安全工作的极限弯曲强度i2而定。i1、i2可分别用下面两式进行计算。

i1=114.6[Dk-Dg+Dk-(Dd+Dg)/2]2/L2　(°/m)(2)i2=114.6[󰀂 !( -1-n ∀ m)/n k -106fd1/l2]/Ed1　(°/m)(3) 其中:Dk—钻进时的钻孔直径(m);Dd—钻头直径(m);Dg—粗径钻具(信号发射器)长度(m);L—粗径钻具(信号发射器)长度(m); -1—钻杆材料在对称循环荷载下弯曲的持久极限强度

-1=0.4 b,(MPa); b—静载作用下钻杆材料的抗拉强度,对于DZ—85钢、DZ—95钢 -1=950—1050(MPa);K —反映构件外形影响的有效应力集中系数,K =1.2-1.5;∀ —钻杆材料对不对称应力循环的敏感系数,∀ =0.05-0.1;󰀂 —反映构件尺寸影响的尺寸系数,󰀂 =0.73-0.28;!—反映构件表面质量影响的表面质量系数,!=0.8-0.9; m—应力循环中的平均应力(MPa),

m=( y+4#n)1/2,其中 y=4P/∃(d12-d2);P—钻杆受的轴向压力(MIN);d1、d—钻杆的外径和内径(m);#n—钻杆柱中扭转剪切应力(MPa),#n=0.049Nd1/n(d14-d4);N—孔底功率(kw);n—钻杆的转速(r/min);f—钻杆弯曲挠度(m),f=(Dk-d1

)/2;

I—钻杆弯曲最小半波长长度(m),可按󰀁・󰀂・萨尔基索夫( a!∀# ∃%)公式计算;n —不对称循环荷载下钻杆柱的工作安全系数,通常取n =1.3-1.5;E—钻杆材料的弹性模量,一般取E=210×103(MPa);此外,也可利用以下的经验公式来确定最小弯曲半径R1的取值范围; R1󰀁1200d1　(m)(4)　 根据以上的基本关系式,同时考虑到地层和施工场地状况

总第64期2000年第3期　西部探矿工程WEST_CHINAEXPLORATIONENGINEERINGseriesNo.64May2000对设计的限制,即可针对入口段的钻孔轨迹建立如下的优化设计模型: 求最小值 S1=(h+R1cos󰀁1-R1)/sin󰀁1+0.01745󰀁1R1(5) S.tminl1󰀂R1sin󰀁1+(h+R1cos󰀁1-R1)ctg󰀁1󰀂maxl1minh1󰀂h+R1cos󰀁1-R1󰀂maxh1R1󰀁1200d1min󰀁1󰀂󰀁1󰀂max󰀁1 其中,minl1和maxl1—是考虑到施工场地限制而引入的两个常数;minh1和maxh1—是考虑到地层情况对施工的影响而引入的两个限制;min󰀁1和max󰀁1—是考虑到定向钻机开孔能力而引入的限制,如对GBS—10型钻机可取min󰀁1=6°,max󰀁1=23°;h—是受铺管深度控制的值,可作为已知条件;d1—为钻杆的外径,计算时取为0.05m。S1—入口段钻孔轨迹的长度。这里为简化计算选用(4)式作为最小弯曲半径的约束条件。2　钻孔转迹优化模型的求解非开挖导向钻进钻孔的优化设计模型是一个约束非线性优化问题,其约束函数和目标函数都比较复杂,用间接法求解比较困难,我们采用了结构优化设计中常用的复合形法,并针对本问题的特点对该算法进行适当地改进后利用自编的程序对上述模型进行了求解。由于直接搜索法的收敛点不一定是问题的最优解所以我们采用在多次计算的结果中取其中的最好方案作为近似的最优设计方案。例如:对minl1=0,maxl1=30,minh1=0,maxh1=5,min󰀁1=6°,max󰀁1=23°,h=5时的优化设计模型求解10次并对其中较好的设计点进行调整后得到一个近似的最优方案,结果见表1。表1　minl1=0,maxl1=30,minh1=0,maxh1=h=5,min󰀁1=6°,max󰀁1=23°时的优化设计结果12345R1(m)61.16000061.36000060.48000064.50000062.923680󰀁1(rad)0.3618650.3953920.3842160.3913370.227249S1(m)26.06701324.95136124.81291225.56579729.311553结果678910R1(m)63.60000160.04000062.32000060.3600069.72000󰀁1(rad)0.3182490.3414910.3499960.3494030.379047S1(m)26.01336925.08093225.37492625.0418726.56528优化方案R1=60.5(m)　󰀁1=22°　S1=24.8(m)表2　h对优化设计方案的影响2.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.5R1(m)61.360.060.460.463.660.360.160.260.360.060.360.0󰀁1(°)141518192022232223222323S1(m)15.717.519.120.722.723.424.726.127.228.729.831.1 为了进一步研究铺管深度对优化设计方案的影响,在其它参数不变的前提下,在常见的导向钻进铺管深度范围内改变h的值并分别进行多次计算,其结果列于表2,表中的设计方案均为调整后的优化设计方案。 由表1、表2可看出钻孔的优化设计方案的弯曲半径一般都取得比较小,而且随着铺设深度的增加,优化设计方案采用的倾角渐渐增大,但是对GBS—10型钻机而言,当深度超过4.5m

时,倾角就不再变化(已受到钻机开孔倾角大就好,事实上如取minl1=0,maxl1=30,minh1=0,maxh1=8.5,h=8.5,即使将max󰀁1调整到50°在计算时也很难形成初始的复合形,这表明此时的设计空间已经是很小了,而增大钻机的开孔能力(倾角)并不会对设计空间的大小有明显的影响。3　结论通过对以上模型的大量计算结果进行分析,可得出以下一些结论:3.1导向钻进的铺管深度要受到施工场地的限制,如场地最大尺寸限制为30m以内时,则导向钻进的铺管深度≯8m;3.2导向钻进用的钻杆对施工的经济性有很大的影响,在保证能正常工作的条件下应选用弯曲强度大的钻杆,因为加强对导向钻进用的钻杆的研究也是降低施工成本的有效途径之一;3.3导向钻机的倾角一般以0°～35°为宜,过大的倾角其优越性并不明显。3.4对导向钻进钻孔轨迹进行优化设计是有必要的。计算过程表明,仅在入口段,一般的设计方案就可能比优化设计方案多出几米到十几米的工作量,而且当施工的场地条件限制比较严格时用一般的设计方法可能很难找到一个可行的设计方案。

参考文献1.吴光琳.定向钻进工艺原理.成都科技大学出版社.1991.2.地质矿产部科学技术司工程勘察施工管理办公室.非开挖铺设地下管线施工技术与设备.1997.3.李淑芹.王新民.最优化方法及其应用.长春地质学院数学教研室.

TheOptimalDesignAbouttheTrajectoryofNon-digGuidedBoringZongQuanbing　ZhangZupei(ChangchunUniversityofScisenceandTechnology130026)LiYuelian(FujianEngineeringSchool350019)AbstractTheoptimaldesignmodelofthe"line-arc-line-arc-line"track,generallyusedinguideddrilling,andit'scaclulatingareintroducedinthepaper.KeywordsNon-dig　GuidedBoring　OptimalDesign

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94西　部　探　矿　工　程　May2000No.3

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非开挖水平钻定向施工工艺

非开挖水平钻定向施工工艺

非开挖水平钻定向施工工艺
首先呢，施工前的准备工作可得做足了。

你得把场地清理好，各种设备、材料啥的都得运到现场。

这一步可别小瞧了，要是场地乱七八糟的，后面干活儿可就麻烦了。

我就有一次，场地没清理好，结果设备都不好摆放，浪费了不少时间呢。

所以这一步一定要做好。

然后呢，就是设备的安装和调试啦。

把水平钻机按照要求安装好，这个过程中要注意一些小细节哦。

比如说连接部分要稳固，电线啥的别接错啦。

这一步看起来简单，但要是弄错了，机器可能就没法正常工作，那可就糟了。

我通常在这环节会多花点时间，仔仔细细地检查好几遍，确保万无一失。

你是不是觉得有点啰嗦？哈但真的很重要嘛！
接下来就是确定钻孔的轨迹啦。

这一步要根据实际的工程需求来规划。

一般来说，我们要考虑地下的管线分布还有地质条件之类的。

不过呢，这个也不是特别精确的东西，大概差不多就行，在施工过程中还可以根据实际情况微调呢。

再然后就是开始钻孔咯。

这时候要控制好钻进的速度和方向。

速度不能太快，太快的话可能会出现偏差，方向更是要时刻盯着。

我跟你说，这一步要特别小心哦！要是方向偏了，那可就麻烦大了。

我就见过有人在这一步出岔子，结果钻到别的地方去了，整个工程都得重新规划。

钻到一定长度之后呢，要进行扩孔操作。

这个过程要循序渐进，不能一下子扩得太大。

这就像我们穿衣服一样，得一件一件来，不能太着急。

扩孔的时候也要注意设备的运行状态，要是有异常的声音或者震动，就得停下来检查检查。

非开挖技术（顶管技术）

非开挖技术（顶管技术）

4.3.2.6非开挖技术（顶管技术）施工非开挖技术施工优点：非开挖技术在不稳定及饱和土层中以最小的破坏和最大的保护环境等方面解决了城市施工中的难题，并在应付最恶劣的地下土壤条件中有丰富的经验，任何地方都能提供最经济、准确、齐全、快速而可靠的解决问题的方法。

4.3.2.6.1作业前工作1.技术准备1.1定向钻铺管施工前应进行工程勘察。

工程勘察应符合《岩石工程勘察规范》GB50021、《岩石工程勘察规范》DBJ13-84和《城市地下管线探测技术规程》CJJ61的规定。

1.2地下管线复查并在地面上做出标记。

1.3根据地下管线复查结果调整钻孔设计轨迹。

1.4选定出、入钻点，开挖出、入钻工作沟。

1.5绘制出详细的地下管线勘察成果图，作为钻孔轨迹设计的依据。

1.6入钻点和出钻点的选取：根据设计要求，入钻点宜设在行人车辆稀少且有足够空间摆放设备处，出钻点则宜设置在能够摆放管材、方便拖管的另一端。

1.7钻孔轨迹设计要求根据取得地下管线勘察成果、现场地形地貌和周边环境信息。

钻杆最小弯曲半径等技术资料。

其中钻孔轨迹参数包括入钻角ai、出钻角ao、入钻造斜段Li、中间水平段L´、出钻造斜段Lo、钻孔深度H等。

1.8编制施工方案，准备好相关的施工记录表。

2.现场施工负责任向进入施工范围内所有人员详细交代本次施工作业内容、进度要求、特殊项目施工要求、作业标准、安全注意事项、危险点及控制措施、危害环境的相应预防控制措施、人员分工并签署（班组级）安全技术交底。

3.现场施工负责人办理相关的工作许可手续，开工前做好现场施工防护围蔽警示措施；夜间施工的须有足够的照明。

4．现场施工负责人检查所有工作人员是否正确使用劳保用品及着装按安规规定佩戴统一的安全帽、统一佩戴有个人相片的作业证（或胸卡证）、穿着统一的工作服，并带领施工作业人员进入作业现场。

4．3．2．6.2导向孔施工1．导向孔施工应按事先设计好的钻孔轨迹进行导向施工，并做好导向孔施工的记录。

非开挖导向钻进铺设有线电视地下管线工程实例

非开挖导向钻进铺设有线电视地下管线工程实例

向孑 的造斜 长度 和入 口点 位置 、 管长 度 、 管位 置 。 Ｌ 铺 下
２１３ 地 下管线勘 察 ．．
…
根据 工 程 报 建施 工 图纸 提 供 的现 场 街 道两 侧 的
地 下 污水 管 道 、 水
管道 和其 他通 信 管道 的管 网资料 ，再进 行现 场 复查 ，
现 场勘 察资 料 既是 导 向孔 迹设 计 的主要 依据 ， 也
在有 线 电视地 下 管线 在穿 越 高速 公路 、 路 、 筑物 、 铁 建 河流 ， 以及 在 闹市 区 、 迹 保 护 区 等接 入 网工 程 施 工 古
中均采 用非 开挖 导 向钻进 技术 。 面介绍 该技 术 在有 下 线 电视 地下 管线 施工 中的实 际应用 。
２１２ 地表 测 量 ． ．
１ 工 程 概 况
该 工 程位 于佛 山市禅 城 区影 茵路 ， 为该 区有 线 电
视 Ｈ Ｃ环 网地下 管线 工 程 的一 部 分 。铺 设 ２条 直 径 Ｆ 为 西ｌＯ ｌｍｍ 的 Ｐ Ｃ 塑 料 管 ，出 入 土 点 水 平 距 离 为 Ｖ １０ 设计 埋 深最 深处 达 ３５ 与原 有 现状 管线 的净 ３ ｍ， ． ｍ（ 距 大 于 ０５ ， 图 ｌ 示 。 ．ｍ） 如 所
是 决定施 工 难度 、 算 工程 造价 的基 础 因 素 。现 场 勘 计
察 包括 地 质条件 勘 察 、 表测 量和 地下 管线勘 察 。 地
２１ ． １ 地质 条件勘 察 ．
该 路 段路 基 以下 地层 情况 无 工程 地质 勘察 资 料 ， 但 从现 场 机 械 开挖 揭 露 并 结合 佛 山地 区 的一般 地 质 情 况来看 ， 层构 成 基本 以粉 质 砂土 、 砂 、 地 细 中粗 砂 为 主， 结构 较 为松 散 ， 机械 钻孔 基 本无法 成 型 ， 易塌 地 为 层。 其路 北端 地质 条件 尤 为差 。 于此 种地 层情 况 ， 基 对 于 在此 施工 来说 显然 是具 有一 定难 度 的 。
非开挖施工技术介绍讲解

非开挖施工技术介绍讲解

非开挖施工技术简介1前言目前,城市现存的许多设施不能满足发展的需要,如污水、自来水、煤气、电力和通讯管道的铺设和维修都是在需要的时候再对街道路面“ 开膛剖肚” ,从而导致交通堵塞、破坏已有基础设施、环境污染等一系列问题。

非开挖施工技术就是在不开挖 (或者少开挖地表的情况下进行铺设、探测、维修和更新各种地下管线,解决城市管线施工中的难题。

城市地下管线的铺设方式是工程建设技术水平的体现,是城市现代化的标志之一,也是社会文明进程的重要体现。

2非开挖技术的特点现代非开挖地下管线施工技术,是近年来发展起来的一项高新技术,是钻探工程技术结合工程物探、计算机技术、岩土工程技术及新材料等技术的一项重要延伸。

非开挖技术在国外已广泛使用,在国内也逐渐普及。

与其它技术相比,非开挖技术起步较晚。

但是在最近 20多年中,非开挖技术无论在理论上,还是在施工工艺方面,都有了突飞猛进的发展。

非开挖技术是极为重要的一种铺设管道的工程手段,采用非开挖技术铺设管道具有若干得天独厚的优势。

不开挖地面就能穿越公路、铁路、河流,甚至能在建筑物底下穿过,是一种安全有效的施工技术。

非开挖技术不开挖地面,故而被铺设管道的上部土层未经扰动,管道的管节端不易产生段差变形,其管道寿命亦大于开挖法埋管。

采用房下非开挖技术能节约一大笔征地拆迁费用,减少动迁用房,缩短管线长度,有很大经济和社会效益。

3非开挖技术的构成分类非开挖技术可分为三大类:铺设新管线、修复置换旧管线、探测原有管网。

3.1铺设新管线施工技术包括导向钻进铺管法、定向钻进铺管法、气动矛铺管法、夯管锤铺管法、螺旋钻进铺管法、推挤顶进铺管法、微型隧道铺管法、盾构法和顶管法。

3.2修复旧管线施工技术包括原位固化法、原位换管法、滑动内插法、变形再生法、局部修复法。

3.3探测地下管网包括地下管线探测仪(非金属管道探测仪、金属管道探测仪、塑料管道探测仪、电力电信缆线探测仪和井盖探测仪等、供水管网监测仪(流量水压记录仪、漏区诊断仪、漏点定位仪等、电信线路故障定位仪、气体故障检测仪、管中摄影仪、探地雷达、声纳系列。