非開挖施工中導(dǎo)向孔軌跡的簡易設(shè)計計算

1、非開挖施工中導(dǎo)向孔軌跡的簡易設(shè)計計算摘要：就一些非開挖施工人員在現(xiàn)場憑經(jīng)驗打?qū)蚩自斐晒こ淌〉默F(xiàn)象，本文介紹簡易實用的鉆孔軌跡設(shè)計計算方法并舉例說明，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 technology, a simple way of pilot bore path design is recommended. Examples

2、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)向鉆機使用者在實際施工時多憑借經(jīng)驗估計開孔角度和造斜距離以

3、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種憑經(jīng)驗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)濟損失。有的在事故之后找一個懂行的人幫助設(shè)計一個新軌跡，問題立即得到解決。其實這種基本的設(shè)計并不麻煩，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)計計算的方法內(nèi)容作一歸納與大家共享，期望能對一線施工人員有切實幫助。導(dǎo)向孔是施工的第一步，隨后的擴孔、拖管作業(yè)都是在此基礎(chǔ)上進行的。導(dǎo)向孔的質(zhì)量如造斜段轉(zhuǎn)彎半徑的大小、軌跡曲線的平滑程度、避讓地下障

4、礙物的位置等是否正確直接關(guān)系到后續(xù)拖管作業(yè)的成敗，因此要認真做好導(dǎo)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。其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入水平段和露出地面順利與否的關(guān)鍵孔段，鉆孔軌跡設(shè)計計算的主要內(nèi)容也是指造斜段。鉆孔軌跡設(shè)計要參考多種影響因素：（1）所施工產(chǎn)品管線的材料性能、尺寸大小；（2）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）地面、地下障礙物的狀況；（4）地層特點等等。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)計計算的方法，對特殊地層、障礙物狀況等的影響因素

5、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  開孔點：即鉆機需要擺放的位置（圖1中的A點）；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)品管線的作用特點和所穿越環(huán)境的要求來決定，作為施工者就應(yīng)當根據(jù)地層條件和地面、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）。這其實與開孔點表示相同的含義，造斜距離確定后，鉆機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

6、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，造斜距離越長越好，因為造斜距離越長，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、更長的時間進行施工，這會提高施工成本且加重工程的風(fēng)險性。因此在進行軌跡設(shè)計時，按最短造斜距離的要求考慮，實際施工時只要不小于該距離即可。該最短造斜距離其實是最節(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)材料抗彎強度極限推算出來的幾何概念，其意義為：如果管線或鉆桿實際彎曲半徑小

7、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)計鉆孔造斜段的某點或某段處的彎曲半徑小于管線或鉆桿的最小轉(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而被卡死的現(xiàn)象。實際設(shè)計時，對于電纜線、硅芯管和PE管等柔性管線的施工由于其最小允許轉(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)進行；對于鋼管的施工由于其允許最小轉(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）公司各型鉆機所用鉆桿的最小轉(zhuǎn)彎半徑值供設(shè)計時參考。非溝神鉆機的使用者設(shè)計時應(yīng)參考所用鉆桿的相應(yīng)

8、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）2.5 造斜段每根鉆桿端點所在的深度、傾角：這是設(shè)計計算時最終為操作者需要使用的參數(shù)，實際施工時導(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)計計算步驟3.1  計算最短造斜距離L（米） 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定的）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造斜距離L為：L=R2 -（R-H）21/2 &#

9、160; 公式說明：將造斜段擬合為幾何圓弧，以軌跡水平段起點處的垂直線上距起點R處一點為圓心，R為半徑，作圓弧與水平線（地面）相交，該交點與軌跡水平段起點在水平線上的投影點間距離即為最短造斜距離L （如圖2所示）。 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），則造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其在水平面上的投影直線（即造斜距離），這樣可簡化計算公式。在實際工

10、程中由于開孔角度一般不大于20度（36%傾角），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面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算出的n值稍作放大來進行修正。 3.3  計算開孔角     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。反推法粗略計算：以造斜段每一根鉆桿為計算單元，從軌跡水平段起點開始，按與鉆孔相反的方向逐根鉆桿計算其深度改變量直至到達地面，最后一根鉆桿相應(yīng)的傾角值即位開孔角。 

11、    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）對于圖中的任意一個小直角三角形，其短直角邊長度（實際為軌跡中單根鉆桿的深度改變量近似值）為H=S ×sin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量都小于10%），根據(jù)小角度三角函數(shù)的特性，有sin tg 這樣深度改變量公式可簡化為：  HS ×tg式中 S為鉆桿單根長度，對于特定鉆機而言是常數(shù)；tg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

12、桿所在小直角三角形的tg=0.18）。通過該簡化公式將每根鉆桿深度改變量的計算由三角計算簡化為一般的乘法運算，免除了三角函數(shù)的復(fù)雜查閱，這給導(dǎo)向人員現(xiàn)場計算帶來極大方便，甚至可以一邊施工一邊隨時心算下一根鉆桿所可能到達的深度。反推法粗算開孔角時，每根鉆桿傾角允許改變量取最大值，在隨后的順推過程中再根據(jù)需要進行調(diào)整。4  計算舉例某工程鋪設(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)計該工程鉆孔軌跡。解：（1）所需最小造斜距離（即開孔點位置）    根據(jù)前述最小造斜距離計算公式，這里R=54米，H=3米，最短

13、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，這里將計算出的最短造斜距離修正為18米，即鉆機需定位在距離水平段起點至少18米或以遠。（2）造斜段所需鉆桿最少根數(shù)n     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）的計算中，也可以先不修正L，直接用計算出的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）開孔角計算     由前面列表可知JT27M1鉆機的鉆桿傾角最大允許改變量為

14、5%，反推法粗算，傾角改變量取最大值，軌跡水平段起點（傾角為0）開始倒數(shù)第一根鉆桿起點處傾角即為5%，根據(jù)前述公式，該鉆桿長度內(nèi)軌跡深度改變量為H=S ×tg=3×0.05=0.15（米）該桿起點處深度值為H-H =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  &#

15、160;        深度改變（米）        深度值（米）倒數(shù)第一桿                5%                 0.

16、15                  2.85倒數(shù)第二桿                10%                0

17、.3                   2.55倒數(shù)第三桿                15%              &#

18、160; 0.45                  2.1倒數(shù)第四桿                20%              &#

19、160; 0.6                   1.5倒數(shù)第五桿                25%             

20、60;  0.75                  0.75倒數(shù)第六桿                25%             &#

21、160;  0.75                   0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)計中采用開孔角24%，并據(jù)此（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) &#

22、160;              傾角               深度改變（米）         深度值（米）第一桿           

23、;       24%                    0.72                  0.72第二桿     

24、             20%                    0.60                  1.

25、32第三桿                  20%                    0.60           

26、0;      1.92第四桿                  16%                    0.48      

27、;            2.40第五桿                  12%                    0.36

28、                  2.76第六桿                  7%              &

29、#160;      0.21                  2.97第七桿                  2%       

30、60;             0.06                  3.03第八桿                  0（取中間值1

31、%計算）    0.03                  3.06此即為實際施工時第一造斜段每根鉆桿的操作參數(shù)。計算結(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)向孔施工的允許范圍內(nèi)，并可在實際操作中根據(jù)現(xiàn)場控向儀上顯示的每桿深度值大小進一步微調(diào)，以達到理想的精度。     當然也可以先給定一個開孔角，再順推（以每根鉆桿傾角改變量不超出給定最大值為準）算出每根鉆桿的深度和傾角；或者使用軌跡設(shè)計軟件（如溝神的TMS軌跡設(shè)計軟件）幫助設(shè)計。這里提供的是設(shè)計計算的方法，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