非開挖施工中導(dǎo)向孔軌跡的簡易設(shè)計(jì)計(jì)算

1、非開挖施工中導(dǎo)向孔軌跡的簡易設(shè)計(jì)計(jì)算摘要：就一些菲開挖施工人員在現(xiàn)場憑經(jīng)驗(yàn)打?qū)蚩自斐晒こ淌〉默F(xiàn)象，本文介紹 簡易實(shí)用的鉆孔軌跡設(shè)計(jì)計(jì)算方法并舉例說明，確保非開挖施工現(xiàn)場人員容易理解、掌握并 方便使用，對于大直徑PE管和鋼管的鋪設(shè)施工更值得參考。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關(guān)鍵詞：鉆孔軌跡、造斜、轉(zhuǎn)彎半徑、開孔角、傾角Key Words: Pilot bore path, Set back distance, Bend radius, Start bore angle, Pitch從多年客戶培訓(xùn)時反饋的信息得知，許多水平導(dǎo)向鉆機(jī)使用者在實(shí)際施工時多憑借經(jīng) 驗(yàn)估計(jì)開孔角度和造斜距離以及鉆孔角度變化。這在一些小直徑軟管的施工時都能僥幸成 功,但在施工大直徑管或鋼管時這

3、種憑經(jīng)驗(yàn)的做法往往就會遇到許多麻煩，出現(xiàn)拖管時卡死、 工程失敗等重大工程事故，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。有的在事故之后找一個懂行的人幫助設(shè)計(jì)一 個新軌跡，問題立即得到解決。其實(shí)這種基本的設(shè)汁并不麻煩，只要稍微懂得一些簡單數(shù)學(xué) 知識并查閱一些相關(guān)數(shù)據(jù)即可進(jìn)行，這里我將平時給溝神(DITCH WITCH )客戶理論培訓(xùn)課 上講授的一些簡單設(shè)計(jì)計(jì)算的方法內(nèi)容作一歸納與大家共享，期望能對一線施工人員有切實(shí) 幫助。導(dǎo)向孔是施工的第一步，隨后的擴(kuò)孔、拖管作業(yè)都是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的。導(dǎo)向孔的質(zhì) 屋如造斜段轉(zhuǎn)彎半徑的大小、軌跡曲線的平滑程度、避讓地下障礙物的位宜等是否正確直接 關(guān)系到后續(xù)拖管作業(yè)的成敗，因此要認(rèn)真做好導(dǎo)

4、向孔的施工。1鉆孔軌跡的結(jié)構(gòu)一般鉆孔軌跡的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括三個部分：第一造斜段、水平段、第二造斜段。ABCD苴中水平段是管線埋設(shè)的主要孔段，兩個造斜段則分別為管線進(jìn)入水平段和露出地而 順利與否的關(guān)鍵孔段，鉆孔軌跡設(shè)汁計(jì)算的主要內(nèi)容也是指造斜段。鉆孔軌跡設(shè)計(jì)要參考多種影響因素：（1）所施工產(chǎn)品管線的材料性能、尺寸大?。海?）所用鉆桿最小彎曲半徑（或單根鉆桿傾角允許最大改變量）；（3）地而、地下障礙物的狀況：（4）地層特點(diǎn)等等。由于篇幅所限，本文將主要介紹一般條件下鉆孔軌跡簡單設(shè)計(jì)計(jì)算的方法，對特殊地 層、障礙物狀況等的影響因素不作過多討論。2鉆孔軌跡的內(nèi)容（以軌跡第一造斜段為例）：2.1開孔

5、點(diǎn)：即鉆機(jī)需要擺放的位宜（圖1中的A點(diǎn)）；2.2孔位深度：即管線要埋設(shè)的深度（圖1中軌跡水平段距地面深度）。這往往由工 程建設(shè)方根據(jù)產(chǎn)品管線的作用特點(diǎn)和所穿越環(huán)境的要求來決定，作為施工者就應(yīng)當(dāng)根據(jù)地層 鐵山灤至城西水廠簣網(wǎng)工6!條件和地而、地下障礙物狀況看是否能滿足要求，必要時需要與工程建設(shè)方協(xié)調(diào)對深度進(jìn)行 改變。2.3造斜距離：即造斜段的水平投影長度（圖1中AB段）°這英實(shí)與開孔點(diǎn)表示相同 的含義，造斜距離確定后，鉆機(jī)擺放位置也就找到了。2.4最短造斜距離：即滿足產(chǎn)品管線最小允許轉(zhuǎn)彎半徑或鉆桿最小允許彎曲半徑要求 的造斜距離。如果單從施工的順利程度來考慮，在產(chǎn)品管線埋深相同的前提下

6、，造斜距離越 長越好，因?yàn)樵煨本嚯x越長，軌跡曲線越平緩，越利于后續(xù)管線順利回拖。但考慮到場地限 制和施工工期、施工成本、施工風(fēng)險的要求，造斜距離又不能太長，距離太長將需要更多的 鉆桿、更長的時間進(jìn)行施工，這會提髙施工成本且加重工程的風(fēng)險性。因此在進(jìn)行軌跡設(shè)計(jì) 時，按最短造斜距離的要求考慮，實(shí)際施工時只要不小于該距離即可。該最短造斜距離其實(shí) 是最節(jié)約鉆桿和施工工期的安全距離。這里提到的最小轉(zhuǎn)彎半徑是根據(jù)相應(yīng)材料抗彎強(qiáng)度極限推算岀來的幾何槪念，其意 義為：如果管線或鉆桿實(shí)際彎曲半徑小于該最小轉(zhuǎn)彎半徑就會造成管線或鉆桿的變形損壞。 如果施工中所設(shè)計(jì)鉆孔造斜段的某點(diǎn)或某段處的彎曲半徑小于管線或鉆桿的最

7、小轉(zhuǎn)彎半徑 限制就會造成鉆桿、管線損壞或造成回拖時管線無法沿鉆孔軌跡行進(jìn)而被卡死的現(xiàn)象。實(shí)際設(shè)計(jì)時，對于電纜線、硅芯管和PE管等柔性管線的施工由于英最小允許轉(zhuǎn)彎半徑 都可以比鉆桿的最小轉(zhuǎn)彎半徑小，因此多以鉆桿的最小轉(zhuǎn)彎半徑為依據(jù)進(jìn)行：對于鋼管的施 工由于英允許最小轉(zhuǎn)彎半徑大于鉆桿的允許半徑，因此不能僅以鉆桿的允許轉(zhuǎn)彎半徑作為依 據(jù)。下表分別列出鋼管的允許轉(zhuǎn)彎半徑和美國溝神（DITCH WITCH ）公司各型鉆機(jī)所用鉆 桿的最小轉(zhuǎn)彎半徑值供設(shè)計(jì)時參考。非溝神鉆機(jī)的使用者設(shè)汁時應(yīng)參考所用鉆桿的相應(yīng)最小 轉(zhuǎn)彎半徑值。表1 常用鋼管最小彎曲半徑參數(shù)（表內(nèi)數(shù)據(jù)由美國溝神公司技術(shù)部門提供）鋼管公稱直徑（竜

8、米"最小彎曲半徑（米5047公7SP70310289弘127卩11131521313202170®250432133302253“350277一知402317Q450356®機(jī)型。鉆桿最小轉(zhuǎn)彎半徑（米）甲單桿傾角允許改變量（%）卩JT52221.3門6 （桿長1.5米）QJT920L3329 （桿長3米）pJT1720MK427 （桿長3米）。JT272W：54屮5 （桿40米卩JT4020M1-5也7 （桿長斗.5米）aTT7020Mb726 （桿長4.5米）&TT2720AT54 （雙壁鉆桿）“5 （桿長2.8米）“JT4020AT91 （農(nóng)壁鉆桿）卩

9、6 （桿長4.3米）卩renchless.CN 中國非幵挖工程技術(shù)財(cái)威2溝神公司各型導(dǎo)向鉆機(jī)酉I套鉆桿的最小轉(zhuǎn)彎半徑和單桿傾角允許最大改變墜500P396.2Q600P475.4-P752594.3-P2.5逍斜段每根鉆桿端點(diǎn)所在的深度、傾角：這是設(shè)計(jì)汁算時最終為操作者需要使用的參數(shù)，實(shí)際施工時導(dǎo)向人員從導(dǎo)向儀上能讀取這些參數(shù)，并以此作為 導(dǎo)向操作的依據(jù)。3簡易設(shè)計(jì)訃算步驟3.1計(jì)算最短造斜距離L （米）錢山灤至城西水匚餐隠程設(shè)產(chǎn)品管線鋪設(shè)深度（一般由工程發(fā)包方給出并考慮地面、地下障礙物及地層條件以 后確泄的）為H （米），產(chǎn)品管線（或所用鉆桿）的最小轉(zhuǎn)彎半徑為R （米），則第一造斜 段的最短

10、適斜距離L為：L=R2 - （R-H） 2 1/2公式說明：將造斜段擬合為幾何圓弧，以軌跡水平段起點(diǎn)處的垂直線上距起點(diǎn)R處 一點(diǎn)為圓心，R為半徑，作圓弧與水平線（地面）相交，該交點(diǎn)與軌跡水平段起點(diǎn)在水平線 上的投影點(diǎn)間距禽即為最短造斜距禽L （如圖2所示）。renchl 亡 ss.C中EB非幵挖工程披術(shù)網(wǎng)圖2造斜距離簡易幾何圖亠3.2造斜段所用鉆桿的根數(shù)n （根）設(shè)所用鉆桿單根長度為S （米），則適斜段所需使用鉆桿的大概根數(shù)為：n = L/S （根）公式說明：將軌跡造斜段圓弧曲線近似看作英在水平而上的投影直線（即造斜距離），這樣可簡化計(jì)算公式。在實(shí)際工程中由于開孔角度一般不大于20度（36%傾

11、角）， 且每根鉆桿傾角變化不超過10%,因此每根鉆桿所對應(yīng)軌跡圓弧曲線段長度與其在水平而上的投影長度相差不會太大，因而這種近似也是合理的，造成的誤差可通過對計(jì)算出的n值稍 作放大來進(jìn)行修正。3.3計(jì)算開孔角先采用反推法粗略算出開孔角，再以此粗略值為準(zhǔn)從第一根鉆桿開始往后順序推算 出造斜段每一根鉆桿的具體傾角和深度。反推法粗略il算：以造斜段每一根鉆桿為訃算單元，從軌跡水平段起點(diǎn)開始，按與鉆 孔相反的方向逐根鉆桿訃算其深度改變量直至到達(dá)地而，最后一根鉆桿相應(yīng)的傾角值即位開 孔角。簡化方法：將造斜段每一根鉆桿的軌跡弧線簡化為直線，以簡化的直線（即每一根鉆桿）為斜邊作直角三角形（如圖3所示）對于圖中

12、的任意一個小直角三角形，其短直角邊長度（實(shí)際為軌跡中單根鉆桿的深度改變量近似值）為AH=S xsina由于單根鉆桿傾角改變量很?。ɡ鐪仙窆舅秀@桿單根傾角允許改變疑都小于10%）,根據(jù)小角度三角函數(shù)的特性，有J ' I J W鐵山灤至城西水廠簣網(wǎng)工6!sina - tga這樣深度改變量公式可簡化為：AH-S xtga式中S為鉆桿單根長度，對于特定鉆機(jī)而言是常數(shù)：tga即為鉆桿傾角值，該值是控向 儀上可以直觀顯示的（如某根鉆桿處控向儀顯示18%時，表明該鉆桿所在小直角三角形的t ga=0.18）。通過該簡化公式將每根鉆桿深度改變量的計(jì)算由三角訃算簡化為一般的乘法運(yùn)算，免 除了三角函數(shù)

13、的復(fù)雜查閱，這給導(dǎo)向人員現(xiàn)場訃算帶來極大方便，甚至可以一邊施工一邊隨 時心算下一根鉆桿所可能到達(dá)的深度。反推法粗算開孔角時，每根鉆桿傾角允許改變疑取最大值，在隨后的順推過程中再根 拯需要進(jìn)行調(diào)整。4計(jì)算舉例某工程鋪設(shè)PE管，鋪設(shè)深度3米，使用溝神JT27M1施工，已知鉆桿單根長度3米， 最小轉(zhuǎn)彎半徑54米，設(shè)計(jì)該工程鉆孔軌跡。解：（1）所需最小造斜距離（即開孔點(diǎn)位豊）根據(jù)前述最小造斜距離計(jì)算公式，這里254米，H=3米，最短造斜距離為L=542- （54-3） 2 1/2=17.75 （米）按前面討論的軌跡弧線和投影直線間誤差問題，這里將訃算出的最短造斜距離修正為1 8米，即鉆機(jī)需泄位在距離水

14、平段起點(diǎn)至少18米或以遠(yuǎn)。（2）造斜段所需鉆桿最少根數(shù)nJ ' I J W錢山灤至城西水匚餐隠程根據(jù)公式，已知L=18,鉆桿單根長3米，故該造斜段所需鉆桿至少為n = 18/3 =6 （根）在（1）、（2）的計(jì)算中，也可以先不修正L,直接用計(jì)算出的L算出鉆桿根數(shù)n的值, 再將算出的n值修正成整（根）數(shù)。（3）開孔角計(jì)算由前而列表可知JT27M1鉆機(jī)的鉆桿傾角最大允許改變量為5%,反推法粗算，傾角 改變量取最大值，軌跡水平段起點(diǎn)（傾角為0）開始倒數(shù)第一根鉆桿起點(diǎn)處傾角即為5%,根據(jù)前述公式，該鉆桿長度內(nèi)軌跡深度改變量為AH=S xtga=3x0.05=0.15 （米）該桿起點(diǎn)處深度值為H

15、-AH =3-0.15=2.85 （米）；以此類推，每相鄰兩根鉆桿傾角變化按最大值5%遞增，則各桿起點(diǎn)處的傾角、深度改 變量及相應(yīng)深度值分別為：鉆桿序數(shù)傾角深度改變（米）深度值（米）倒數(shù)第一桿5%0.152.85倒數(shù)第二桿10%0.32.55倒數(shù)第三桿15%0.452.1倒數(shù)第四桿20%0.61.5倒數(shù)第五桿25%0.750.75倒數(shù)第六桿25%0.750粗算結(jié)果表明，開孔角應(yīng)為25%,但由于溝神控向儀顯示時的特點(diǎn)為：在大于20%時, 只可顯示24%、28%等，增幅為4%；在10%至20%之間時可顯示10%、12%等，增幅為2%；小于10%時增幅為1%。所以，在本設(shè)計(jì)中采用開孔角24%,并據(jù)此

16、（只要每相鄰兩 鉆桿傾角最大改變量不超過5%即可）從第一根鉆桿開始順序推算出各桿參數(shù)：鉆桿序數(shù)傾角深度改變（米） 深度值（米）第一桿24%第二桿20%第三桿20%第四桿16%第五桿12%第六桿7%第七桿2%0.720.600.600.480.360.210.060.721.321.922.402.762.973.03第八桿0 （取中間值1%計(jì)算）0033.06此即為實(shí)際施工時第一造斜段每根鉆桿的操作參數(shù)。計(jì)算結(jié)果中，第六桿的深度為2 97米，比要求的3米差0.03米：第八桿完全進(jìn)入水平狀態(tài)，此時深度3.06米，比要求的深 度大0.06米。這種誤差在導(dǎo)向孔施工的允許范用內(nèi)，并可在實(shí)際操作中根據(jù)現(xiàn)

17、場控向儀上 顯示的每桿深度值大小進(jìn)一步微調(diào)，以達(dá)到理想的稱度。當(dāng)然也可以先給左一個開孔角，再順推（以每根鉆桿傾角改變量不超出給定最大值為 準(zhǔn)）算岀每根鉆桿的深度和傾角：或者使用軌跡設(shè)計(jì)軟件（如溝神的TMS軌跡設(shè)訃軟件） 幫助設(shè)計(jì)。這里提供的是設(shè)計(jì)計(jì)算的方法，對于一個現(xiàn)場施工人員來說，自己所用鉆桿的長度、 最小轉(zhuǎn)彎半徑、單桿傾角最大允許改變呈是個常數(shù)，很容易記住。唯一變化的是產(chǎn)品管線鋪 設(shè)深度值。這樣每種鋪設(shè)深度的情況只要設(shè)計(jì)一次，下次遇到同樣深度要求且其它條件相同 時即可采用相同方案。5鋼管鋪設(shè)時鉆桿傾角最大允許改變量的il算在產(chǎn)品管線最小轉(zhuǎn)彎半徑大于鉆桿的最小轉(zhuǎn)彎半徑時（例如鋼管），每根鉆桿

18、傾角最 大改變疑的計(jì)算方法如下：設(shè)該產(chǎn)品管線最小轉(zhuǎn)彎半徑為R'，鉆桿單根長度為S,則單桿長度內(nèi)鉆孔允許改變的角 度大小a為：a= （180/nRz）xS相應(yīng)傾角改變量6為：5= tgaxlOO%例如：產(chǎn)品管線為鋼管，直徑250亳米，由前面的鋼管彎曲半徑參數(shù)表（表1）可知，其最小彎曲半徑為213.3米：設(shè)所用鉆桿單根長度為3米，則單根鉆桿長度范用 內(nèi)角度允許最大改變?yōu)閍= （180/213.3r） x3=0.806°相應(yīng)傾角允許改變量為5= tg0.806xl00%=1.4%若前面軌跡設(shè)計(jì)的例子中所施工的是此鋼管，則帶入開孔角il算公式中的每桿傾角最 大改變呈:值就得由上述的5%改為1.4%o當(dāng)然