水平定向钻机作业原理概述

薛尚文，焦志鑫，洪啸虎，黄镍

（解放军理工大学工程兵工程学院，江苏南京 210007）

0 前言

非开挖技术（trenchless technology）是指在不开挖地表的情况下，利用地质工程的技术手段，进行探测、检查、修复、更换和铺设各种地下公用设施（管道和电缆）的一种技术。作为近二十年来国际上新兴的一种对环境无公害的地下管线施工技术，它在我国目前的经济建设中得到了广泛的应用。水平定向钻机是基于该技术的一种成熟的施工设备，它现在已应用在石油、煤气、自来水、电讯、热力等多种领域。

为了便于广大科研工作者的进一步研究，特在此分析研究了水平定向钻机的工作原理。水平定向钻机可用于新建管线铺设、旧管线更换、旧管线修复等多种施工条件下，在此只分析最具有代表性的管线铺设中的水平定向钻进法。

水平定向钻进的施工过程包括:现场勘察—钻进先导孔—扩孔—回拉铺管。如图1所示。

图1 水平定向钻进示意图

1 现场勘察

除了其他机械施工前常做的例行勘察，比如地表测量等，水平定向钻进前还需要做地下勘察，除包括查阅有关部门的档案，了解人防工事等基础设施的位置外，还应通过金属探测器勘查以进一步验证。

目前国内外地下管线探测的主要设备有:管线探测仪、探地雷达、全球定位系统、陀螺仪检测等。

2 导向孔轨迹的设计

根据勘察的结果，设计施工的轨迹，导向孔一般由三段组成:第一段是钻杆进入铺管位置的过渡段;第二段即管线的设计位置;第三段为钻杆钻出地表的过渡段。

3 地表导向

设计好先导孔轨迹后，在施工过程中，为保证位置精确，通常采用地表导向设备，它是利用放置在钻头附近的探头发射信号，地表导向仪器可随时测出钻头位置、深度、顶角、工具面向角等参数，与钻机配合及时调整钻孔方向，实现有目标的引导式钻进。

4 钻进导向孔

钻进过程为:动力站提供回转力等动力，在钻机的给进机构的作用下，钻杆向前钻进，钻进过程中，钻头处喷钻进泥浆。由于单根钻杆长度有限，故设计有钻杆的存放/提取和夹持/拧卸系统使钻杆连续不断地给进。

a）动力站

水平定向钻机的钻进和回拖时所需扭矩较大，转速较低，动力源一般为低、中速液压马达。

b）给进机构

钻机的给进与回拖机构通常设计为一体，由于钻机工作过程一般采取一钻到底的工作模式，很少中途更换钻头，因此钻机均具有较长的给进行程。

给进/回拖机构依据传力机构和机件的不同，有多种结构形式:单液压缸给进/回拖机构、液压缸—链条（钢丝绳）给进/回拖机构、液压马达—链条给进/回拖机构、液压马达—齿轮齿条给进/回拖机构等。

图2为单液压缸给进/回拖机构简图

图2 单液压缸给进/回拖机构

c）钻杆

钻杆为直柱形，连接部位在头尾部，为螺纹连接。

最前面的钻杆采用带有斜面非对称式钻头，工作原理为:当钻头匀速回转时，由于钻头所受土层压力方向沿圆周均匀变化，因此轨迹基本为直向钻进;而当钻杆只给进不回转时，钻头斜面受土层压力较大，轨迹通常为顺钻头斜面方向，从而达到了改变轨迹的效果。如图3所示。

图3 轨迹效果图

d）钻进泥浆

在水平定向钻进中，钻进泥浆由钻杆顶部的泥浆孔喷出，主要提供冷却孔底钻具、携带钻屑并排到地表、稳定孔壁和降低钻进时所需的扭矩和回拉力。

e）钻杆存放/提取和夹持/拧卸系统

由于先导孔长度远大于单根钻杆长度，故施工过程需要多跟钻杆连续钻进，前后钻杆间的续接工作即由钻杆存放/提取和夹持/拧卸系统完成。

存放/提取系统由机械手和存储仓等组成;夹持/拧卸系统主体结构为同一轴心的前后双夹持器、回转器，其工作过程为:机械手将下一根钻杆导入夹持系统中，此时前夹持器夹紧前杆，后夹持器在夹紧后杆的同时顺螺纹方向旋转，将后杆头旋入前杆尾部，完成夹持过程。拧卸过程与夹持相反，不再絮述。

5 扩孔

扩孔的作用为给下一步的铺管提供较大的铺设空间，故当铺设的管线较细时可扩孔的同时回拉铺管，当管线直径较大时，应进行多次逐级扩孔。扩孔过程为在终点井将钻头卸下，接上反向扩孔钻头（扩孔器）和分动器（扩孔和铺管同时进行时使用），再次旋转回拉钻杆，进行扩孔。

a）反向扩孔钻头

反向扩孔钻头在不同的底层及不同工作管径有多种结构形式。常用的反扩钻头有翼片式刮刀钻头、镶齿切削式钻头、节齿钻头、牙轮钻头等，均为类锥形结构，锥头朝向扩孔方向，锥壁上布有刮刀、牙轮等排除土层结构。结构简图如图4所示。

图4 钻杆、扩孔钻头简图

b）分动器

分动器放置在反扩钻头和铺设的管线头之间，可实现反扩钻头旋转的同时管线不回转。

6 回拉铺管

扩孔钻进完成后，在回拉钻杆后接上待铺设的管线进行铺管，当扩孔钻头及所铺管线到达钻机一侧地表时，铺管工作宣告完成。

7 结论

非开挖技术解决了地下施工中的多种难题，施工过程科学有序，有众多优点，但也可看到相关机械体积庞大、结构复杂，且施工工序较繁琐，这些都是将来需要解决和改进的问题。

［1］邓爱民，肖娇美，田流.现代非开挖工程机械［M］.北京:人民交通出版社，2003:2，106-111.

［2］地矿部勘探技术研究所.高压水射流导向钻进非开挖铺管技术及配套设备的研究［M］.北京:地质矿产部勘探技术研究所，1995.

［3］杨秋侠.场地管线综合设计［M］.北京:中国建材工业出版社，2005.

［4］叶建良，蒋国盛，窦斌.非开挖铺设地下管线施工技术与实践［M］.武汉:中国地质大学出版社，2000:2-3.

［5］周凤林，洪利波.城市地下管线探测技术手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1998.