非开挖施工中导向孔轨迹的简易设计计算

1、非开挖施工中导向孔轨迹的简易设计计算摘要：就一些菲开挖施工人员在现场凭经验打导向孔造成工程失败的现象，本文介绍 简易实用的钻孔轨迹设计计算方法并举例说明，确保非开挖施工现场人员容易理解、掌握并 方便使用，对于大直径PE管和钢管的铺设施工更值得参考。To avoid being stuck or complete failure when install steel pipe or large diameter HDPE pipe with HDD tech no logy, a simple way of pilot bore path desig n is recomme nd ed Exa

2、mples are also given so that those who work on jobsite can easily master the way and use for practice关键词：钻孔轨迹、造斜、转弯半径、开孔角、倾角Key Words: Pilot bore path, Set back distance, Bend radius, Start bore angle, Pitch从多年客户培训时反馈的信息得知，许多水平导向钻机使用者在实际施工时多凭借经 验估计开孔角度和造斜距离以及钻孔角度变化。这在一些小直径软管的施工时都能侥幸成 功,但在施工大直径管或钢管时这

3、种凭经验的做法往往就会遇到许多麻烦，出现拖管时卡死、 工程失败等重大工程事故，造成巨大经济损失。有的在事故之后找一个懂行的人帮助设计一 个新轨迹，问题立即得到解决。其实这种基本的设汁并不麻烦，只要稍微懂得一些简单数学 知识并查阅一些相关数据即可进行，这里我将平时给沟神(DITCH WITCH )客户理论培训课 上讲授的一些简单设计计算的方法内容作一归纳与大家共享，期望能对一线施工人员有切实 帮助。导向孔是施工的第一步，随后的扩孔、拖管作业都是在此基础上进行的。导向孔的质 屋如造斜段转弯半径的大小、轨迹曲线的平滑程度、避让地下障碍物的位宜等是否正确直接 关系到后续拖管作业的成败，因此要认真做好导

4、向孔的施工。1钻孔轨迹的结构一般钻孔轨迹的结构如图1所示，包括三个部分：第一造斜段、水平段、第二造斜段。ABCD苴中水平段是管线埋设的主要孔段，两个造斜段则分別为管线进入水平段和露出地而 顺利与否的关键孔段，钻孔轨迹设汁计算的主要内容也是指造斜段。钻孔轨迹设计要参考多种影响因素：（1）所施工产品管线的材料性能、尺寸大小：（2）所用钻杆最小弯曲半径（或单根钻杆倾角允许最大改变量）；（3）地而、地下障碍物的状况：（4）地层特点等等。由于篇幅所限，本文将主要介绍一般条件下钻孔轨迹简单设计计算的方法，对特殊地 层、障碍物状况等的影响因素不作过多讨论。2钻孔轨迹的内容（以轨迹第一造斜段为例）：2.1开孔

5、点：即钻机需要摆放的位宜（图1中的A点）；2.2孔位深度：即管线要埋设的深度（图1中轨迹水平段距地面深度）。这往往由工 程建设方根据产品管线的作用特点和所穿越环境的要求来决定，作为施工者就应当根据地层 铁山滦至城西水厂簣网工6!条件和地而、地下障碍物状况看是否能满足要求，必要时需要与工程建设方协调对深度进行 改变。2.3造斜距离：即造斜段的水平投影长度（图1中AB段）°这英实与开孔点表示相同 的含义，造斜距离确定后，钻机摆放位置也就找到了。2.4最短造斜距离：即满足产品管线最小允许转弯半径或钻杆最小允许弯曲半径要求 的造斜距离。如果单从施工的顺利程度来考虑，在产品管线埋深相同的前提下

6、，造斜距离越 长越好，因为造斜距离越长，轨迹曲线越平缓，越利于后续管线顺利回拖。但考虑到场地限 制和施工工期、施工成本、施工风险的要求，造斜距离又不能太长，距离太长将需要更多的 钻杆、更长的时间进行施工，这会提髙施工成本且加重工程的风险性。因此在进行轨迹设计 时，按最短造斜距离的要求考虑，实际施工时只要不小于该距离即可。该最短造斜距离其实 是最节约钻杆和施工工期的安全距离。这里提到的最小转弯半径是根据相应材料抗弯强度极限推算岀来的几何槪念，其意 义为：如果管线或钻杆实际弯曲半径小于该最小转弯半径就会造成管线或钻杆的变形损坏。 如果施工中所设计钻孔造斜段的某点或某段处的弯曲半径小于管线或钻杆的最

7、小转弯半径 限制就会造成钻杆、管线损坏或造成回拖时管线无法沿钻孔轨迹行进而被卡死的现象。实际设计时，对于电缆线、硅芯管和PE管等柔性管线的施工由于英最小允许转弯半径 都可以比钻杆的最小转弯半径小，因此多以钻杆的最小转弯半径为依据进行：对于钢管的施 工由于英允许最小转弯半径大于钻杆的允许半径，因此不能仅以钻杆的允许转弯半径作为依 据。下表分别列出钢管的允许转弯半径和美国沟神（DITCH WITCH ）公司各型钻机所用钻 杆的最小转弯半径值供设计时参考。非沟神钻机的使用者设汁时应参考所用钻杆的相应最小 转弯半径值。表1 常用钢管最小弯曲半径参数（表内数据由美国沟神公司技术部门提供）钢管公称直径（竜

8、米"最小弯曲半径（米5047公7SP70310289弘127卩11131521313202170®250432133302253“350277一知402317Q450356®机型。钻杆最小转弯半径（米）甲单杆倾角允许改变量（%）卩JT52221.3门6 （杆长1.5米）QJT920L3329 （杆长3米）pJT1720MK427 （杆长3米）。JT272W：54屮5 （杆40米卩JT4020M1-5也7 （杆长斗.5米）aTT7020Mb726 （杆长4.5米）&TT2720AT54 （双壁钻杆）“5 （杆长2.8米）“JT4020AT91 （农壁钻杆）卩

9、6 （杆长4.3米）卩renchless.CN 中国非幵挖工程技术财威2沟神公司各型导向钻机酉I套钻杆的最小转弯半径和单杆倾角允许最大改变墜500P396.2Q600P475.4-P752594.3-P2.5逍斜段每根钻杆端点所在的深度、倾角：这是设计汁算时最终为操作者需要使用的参数，实际施工时导向人员从导向仪上能读取这些参数，并以此作为 导向操作的依据。3简易设计讣算步骤3.1计算最短造斜距离L （米）钱山滦至城西水匚餐隠程设产品管线铺设深度（一般由工程发包方给出并考虑地面、地下障碍物及地层条件以 后确泄的）为H （米），产品管线（或所用钻杆）的最小转弯半径为R （米），则第一造斜 段的最短

10、适斜距离L为：L=R2 - （R-H） 2 1/2公式说明：将造斜段拟合为几何圆弧，以轨迹水平段起点处的垂直线上距起点R处 一点为圆心，R为半径，作圆弧与水平线（地面）相交，该交点与轨迹水平段起点在水平线 上的投影点间距禽即为最短造斜距禽L （如图2所示）。renchl 亡 ss.C中EB非幵挖工程披术网图2造斜距离简易几何图亠3.2造斜段所用钻杆的根数n （根）设所用钻杆单根长度为S （米），则适斜段所需使用钻杆的大概根数为：n = L/S （根）公式说明：将轨迹造斜段圆弧曲线近似看作英在水平而上的投影直线（即造斜距离），这样可简化计算公式。在实际工程中由于开孔角度一般不大于20度（36%倾

11、角）， 且每根钻杆倾角变化不超过10%,因此每根钻杆所对应轨迹圆弧曲线段长度与其在水平而上的投影长度相差不会太大，因而这种近似也是合理的，造成的误差可通过对计算出的n值稍 作放大来进行修正。3.3计算开孔角先采用反推法粗略算出开孔角，再以此粗略值为准从第一根钻杆开始往后顺序推算 出造斜段每一根钻杆的具体倾角和深度。反推法粗略il算：以造斜段每一根钻杆为讣算单元，从轨迹水平段起点开始，按与钻 孔相反的方向逐根钻杆讣算其深度改变量直至到达地而，最后一根钻杆相应的倾角值即位开 孔角。简化方法：将造斜段每一根钻杆的轨迹弧线简化为直线，以简化的直线（即每一根钻杆）为斜边作直角三角形（如图3所示）对于图中

12、的任意一个小直角三角形，其短直角边长度（实际为轨迹中单根钻杆的深度改变量近似值）为AH=S xsina由于单根钻杆倾角改变量很小（例如沟神公司所有钻杆单根倾角允许改变疑都小于10%）,根据小角度三角函数的特性，有J ' I J W铁山滦至城西水厂簣网工6!sina - tga这样深度改变量公式可简化为：AH-S xtga式中S为钻杆单根长度，对于特定钻机而言是常数：tga即为钻杆倾角值，该值是控向 仪上可以直观显示的（如某根钻杆处控向仪显示18%时，表明该钻杆所在小直角三角形的t ga=0.18）。通过该简化公式将每根钻杆深度改变量的计算由三角讣算简化为一般的乘法运算，免 除了三角函数

13、的复杂查阅，这给导向人员现场讣算带来极大方便，甚至可以一边施工一边随 时心算下一根钻杆所可能到达的深度。反推法粗算开孔角时，每根钻杆倾角允许改变疑取最大值，在随后的顺推过程中再根 拯需要进行调整。4计算举例某工程铺设PE管，铺设深度3米，使用沟神JT27M1施工，已知钻杆单根长度3米， 最小转弯半径54米，设计该工程钻孔轨迹。解：（1）所需最小造斜距离（即开孔点位豊）根据前述最小造斜距离计算公式，这里254米，H=3米，最短造斜距离为L=542- （54-3） 2 1/2=17.75 （米）按前面讨论的轨迹弧线和投影直线间误差问题，这里将讣算出的最短造斜距离修正为1 8米，即钻机需泄位在距离水

14、平段起点至少18米或以远。（2）造斜段所需钻杆最少根数nJ ' I J W钱山滦至城西水匚餐隠程根据公式，已知L=18,钻杆单根长3米，故该造斜段所需钻杆至少为n = 18/3 =6 （根）在（1）、（2）的计算中，也可以先不修正L,直接用计算出的L算出钻杆根数n的值, 再将算出的n值修正成整（根）数。（3）开孔角计算由前而列表可知JT27M1钻机的钻杆倾角最大允许改变量为5%,反推法粗算，倾角 改变量取最大值，轨迹水平段起点（倾角为0）开始倒数第一根钻杆起点处倾角即为5%,根据前述公式，该钻杆长度内轨迹深度改变量为AH=S xtga=3x0.05=0.15 （米）该杆起点处深度值为H

15、-AH =3-0.15=2.85 （米）；以此类推，每相邻两根钻杆倾角变化按最大值5%递增，则各杆起点处的倾角、深度改 变量及相应深度值分别为：钻杆序数倾角深度改变（米）深度值（米）倒数第一杆5%0.152.85倒数第二杆10%0.32.55倒数第三杆15%0.452.1倒数第四杆20%0.61.5倒数第五杆25%0.750.75倒数第六杆25%0.750粗算结果表明，开孔角应为25%,但由于沟神控向仪显示时的特点为：在大于20%时, 只可显示24%、28%等，增幅为4%；在10%至20%之间时可显示10%、12%等，增幅为2%；小于10%时增幅为1%。所以，在本设计中采用开孔角24%,并据此

16、（只要每相邻两 钻杆倾角最大改变量不超过5%即可）从第一根钻杆开始顺序推算出各杆参数：钻杆序数倾角深度改变（米） 深度值（米）第一杆24%第二杆20%第三杆20%第四杆16%第五杆12%第六杆7%第七杆2%0.720.600.600.480.360.210.060.721.321.922.402.762.973.03第八杆0 （取中间值1%计算）0033.06此即为实际施工时第一造斜段每根钻杆的操作参数。计算结果中，第六杆的深度为2 97米，比要求的3米差0.03米：第八杆完全进入水平状态，此时深度3.06米，比要求的深 度大0.06米。这种误差在导向孔施工的允许范用内，并可在实际操作中根据现

17、场控向仪上 显示的每杆深度值大小进一步微调，以达到理想的稱度。当然也可以先给左一个开孔角，再顺推（以每根钻杆倾角改变量不超出给定最大值为 准）算岀每根钻杆的深度和倾角：或者使用轨迹设计软件（如沟神的TMS轨迹设讣软件） 帮助设计。这里提供的是设计计算的方法，对于一个现场施工人员来说，自己所用钻杆的长度、 最小转弯半径、单杆倾角最大允许改变呈是个常数，很容易记住。唯一变化的是产品管线铺 设深度值。这样每种铺设深度的情况只要设计一次，下次遇到同样深度要求且其它条件相同 时即可采用相同方案。5钢管铺设时钻杆倾角最大允许改变量的il算在产品管线最小转弯半径大于钻杆的最小转弯半径时（例如钢管），每根钻杆

18、倾角最 大改变疑的计算方法如下：设该产品管线最小转弯半径为R'，钻杆单根长度为S,则单杆长度内钻孔允许改变的角 度大小a为：a= （180/nRz）xS相应倾角改变量6为：5= tgaxlOO%例如：产品管线为钢管，直径250亳米，由前面的钢管弯曲半径参数表（表1）可知，其最小弯曲半径为213.3米：设所用钻杆单根长度为3米，则单根钻杆长度范用 内角度允许最大改变为a= （180/213.3r） x3=0.806°相应倾角允许改变量为5= tg0.806xl00%=1.4%若前面轨迹设计的例子中所施工的是此钢管，则带入开孔角il算公式中的每杆倾角最 大改变呈:值就得由上述的5%改为1.4%o当然