非開挖HDD鉆頭導(dǎo)向強(qiáng)度影響因素及計算模型研究

梁小強(qiáng)，黎永索，胡 達(dá)，張順金

（1. 湖南城市學(xué)院 a. 城市地下基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)安全與防災(zāi)湖南省工程研究中心，b. 土木工程學(xué)院，c. 市政與測繪工程學(xué)院，湖南 益陽 413000；2. 長沙市規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司巖土所，長沙 410007)

非開挖水平定向鉆進(jìn)(horizontal directional drilling，HDD)技術(shù)憑借其對環(huán)境影響小、施工速度快、綜合成本低等優(yōu)點在我國被廣泛推廣和使用[1].特別是隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的加速推進(jìn)，該技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于給水、排水、電力、通信、市政及燃?xì)獾雀黝惷裼霉艿来┰胶头笤O(shè)之中[2].

按照水平定向鉆進(jìn)的穿越軌跡長度，一般可將其劃分為4 類：穿越長度小于300 m 為短距離穿越；穿越長度300～900 m 為中等距離穿越；穿越距離900～1 400 m 為長距離穿越；穿越長度大于1 400 m 為超長距離穿越[3].穿越距離越大，對水平定向鉆機(jī)的扭矩、給進(jìn)力和回拖力的性能要求就越高.在水平定向鉆進(jìn)施工中，導(dǎo)向孔能否順利貫通是決定工程成敗的關(guān)鍵[4].導(dǎo)向鉆頭的力學(xué)效應(yīng)與導(dǎo)向孔施工息息相關(guān).因此，對鉆頭導(dǎo)向強(qiáng)度影響因素與力學(xué)效應(yīng)的研究尤為重要.

1 HDD 技術(shù)施工工藝流程

HDD 技術(shù)施工工藝流程可分為3 個步驟：導(dǎo)向孔施工→擴(kuò)孔→管線鋪設(shè)(見圖1).

圖1 導(dǎo)向鉆進(jìn)施工示意

1.1 導(dǎo)向孔施工

非開挖導(dǎo)向孔一般采用手提式地表導(dǎo)航儀來確定鉆頭所在的地下空間位置.在施工中導(dǎo)向鉆頭的準(zhǔn)確位置狀態(tài)和造斜面方向是通過安裝在鉆頭腔室內(nèi)的信號發(fā)射器及地面跟蹤儀器來測定的.導(dǎo)向鉆進(jìn)是按設(shè)計軌跡的參數(shù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)偏離設(shè)計軌跡時，就通過調(diào)節(jié)鉆頭斜面的方向，進(jìn)行造斜糾偏，直到鉆頭的位置回到設(shè)計軌跡上為止[5].

導(dǎo)向孔施工時鉆頭進(jìn)入巖土體后對巖土體的作用主要以擠壓和研磨為主.在導(dǎo)向鉆頭自入鉆口至出鉆口完成導(dǎo)向孔施工后，即可進(jìn)行擴(kuò)孔和鋪管工作(見圖1).

1.2 擴(kuò)孔

當(dāng)導(dǎo)向孔鉆進(jìn)完成后先卸下導(dǎo)向鉆頭；隨后接上擴(kuò)孔鉆頭(擴(kuò)孔器)和旋轉(zhuǎn)接頭；然后再接上回拉鉆桿，進(jìn)行分級擴(kuò)孔.根據(jù)鉆孔長度、直徑和設(shè)備能力選擇合適的擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔是施工能否成功的關(guān)鍵.

擴(kuò)孔的目的主要是為了減小鋪管時的阻力.對直徑小于擴(kuò)孔鉆頭直徑的較小管線可不進(jìn)行專門的擴(kuò)孔，而是在導(dǎo)向孔施工完畢后，將導(dǎo)向鉆頭卸掉，更換為“擴(kuò)孔鉆頭+旋轉(zhuǎn)接頭+拉管組件”的組合，直接將待鋪設(shè)的管線拉入；對直徑較大的管線，須進(jìn)行多次分級擴(kuò)孔，即鉆孔直徑逐級擴(kuò)大，且在擴(kuò)孔鉆進(jìn)時，同步拉入鉆桿[6].擴(kuò)孔時鉆具組合包括鉆桿、擴(kuò)孔頭(擴(kuò)孔器)、旋轉(zhuǎn)接頭(分動器)和回拉鉆桿(見圖2).

圖2 擴(kuò)孔時的鉆具組合

1.3 管線鋪設(shè)

管線鋪設(shè)是非開挖水平定向鉆進(jìn)施工方法中最后一道關(guān)鍵工序，也是實現(xiàn)鋪管作業(yè)目標(biāo)的最后一步.其原則上要求最后一級擴(kuò)孔與鋪管同步進(jìn)行，以便減少因鉆孔暴露時間過長而引起孔壁垮塌的危險.擴(kuò)孔鉆進(jìn)完成后，在回拉鉆桿后依次接上擴(kuò)孔頭、旋轉(zhuǎn)接頭、拉管頭與待鋪設(shè)管線進(jìn)行回拖.當(dāng)被鋪設(shè)管線到達(dá)鉆機(jī)一側(cè)地表時，鋪管工作即告完成(見圖3).

圖3 管線回拉時的鉆具組合

2 導(dǎo)向鉆頭工作原理及導(dǎo)向強(qiáng)度影響因素

2.1 導(dǎo)向鉆頭工作原理

導(dǎo)向孔鉆進(jìn)采用帶斜掌(面)的非對稱鉆頭.導(dǎo)向鉆頭勻速回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時，在鉆進(jìn)推力p的作用下，土層作用在造斜面上的反力p' 的方向也是沿圓周做均勻變化的.如果鉆頭周圍的土層硬度大致相同，在不考慮鉆頭本身重量的情況下，在一定時間內(nèi)可認(rèn)為反力p' 對鉆頭的作用相互抵消.

與此同時，水射流在孔底切出相同深度的原槽，導(dǎo)向鉆頭進(jìn)行保直鉆進(jìn).當(dāng)鉆頭只給進(jìn)不回轉(zhuǎn)時，即只有推力p的作用時，則反力p' 的作用方向始終朝著某一方向.同時，水射流也只沖蝕該方向的土層.因此，鉆頭將有朝著該方向前進(jìn)的趨勢，從而實現(xiàn)造斜鉆進(jìn)(見圖4).由于鉆頭是靠土層對造斜反作用力使鉆孔變向，故地層越硬，造斜效果越好；地層越軟，造斜效果越差.當(dāng)鉆頭前方向為空洞時，將不能造斜.另外，給進(jìn)速度對造斜效果也有影響.

圖4 導(dǎo)向孔鉆進(jìn)的造斜原理示意

2.2 導(dǎo)向鉆頭的導(dǎo)向強(qiáng)度影響因素

由上述工藝原理可知，水平定向鉆進(jìn)技術(shù)是通過交替控制鉆機(jī)即導(dǎo)向鉆頭的“定向頂進(jìn)”或“回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)”來實現(xiàn)造斜或保直鉆進(jìn)，從而形成可以有彎曲段的地下空間軌跡.定向頂進(jìn)的造斜程度為“導(dǎo)向強(qiáng)度”，它表示在導(dǎo)向鉆頭只給進(jìn)不旋轉(zhuǎn)過程中，單位長度內(nèi)的鉆孔在平面上偏離鉆具(主要為導(dǎo)向鉆頭與鉆桿)既定方向上方位角的改變量[7]，且它在一定條件下具有確定的數(shù)值.其主要影響因素如下：

1)巖土體強(qiáng)度.地層是導(dǎo)向鉆頭的作用對象，其軟硬程度與完整性決定造斜反作用力的大小.力學(xué)分析、現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計和實驗室試驗結(jié)果都證明：巖土體強(qiáng)度越大，造斜作用力就越大，造斜彎曲就越明顯，因而導(dǎo)向強(qiáng)度就越大.

2)導(dǎo)向鉆頭斜掌的結(jié)構(gòu)形狀(見圖5).在水平定向鉆進(jìn)技術(shù)中，導(dǎo)向鉆頭能控制鉆孔軌跡產(chǎn)生彎曲的根本原因在于斜掌面受到了地層的斜向反作用力.斜掌面積越大，反作用力越大，即造斜導(dǎo)向強(qiáng)度越大.從力學(xué)理論上分析斜掌角度，其值越大導(dǎo)向強(qiáng)度就越大，但由于摩擦力的存在，斜掌角度超過一定數(shù)值(約30°)就會產(chǎn)生摩擦自鎖而導(dǎo)致鉆頭無法發(fā)生斜向滑移.

圖5 不同形狀的導(dǎo)向鉆頭斜掌

3)給進(jìn)力大小與速度.給進(jìn)力大小決定水平定向鉆進(jìn)施工長度與所穿越地層的困難程度.通過簡單的力學(xué)模型可知，造斜導(dǎo)向強(qiáng)度的大小很大程度是由給進(jìn)力大小決定的.土體蠕變到破壞是一個變化過程，造斜作用力在頂進(jìn)時也相應(yīng)地有一個由高變低的過程.在鉆頭前部土體還來不及蠕變和破壞時的造斜作用力較大，所以加快頂進(jìn)速度可以提高造斜導(dǎo)向強(qiáng)度.

4)沖洗液.導(dǎo)向鉆頭上設(shè)置有噴水口，其作用是在施工過程中為清水或泥漿等沖洗液提供流通通道.沖洗液具有冷卻鉆頭、潤滑穩(wěn)定孔壁與攜帶鉆屑三重作用，其通常具有較大的噴射壓力.在導(dǎo)向孔的施工過程中，一般用清水作沖洗液.由于導(dǎo)向鉆頭上的噴水口方向通常是與鉆桿軸心平行的，在斜掌法線方向并無分力，因此沖洗液的沖力并不影響造斜導(dǎo)向強(qiáng)度.相反，由于沖洗液軟化了地層，致使地層硬度降低，反而減小了造斜導(dǎo)向強(qiáng)度.

5)鉆桿剛度.鉆桿剛度是抵抗彎曲的重要影響因素，其值越大造斜導(dǎo)向強(qiáng)度越低.鉆桿的剛度由鉆桿材料的力學(xué)參數(shù)即彈性模量E和鉆桿橫截面的幾何效應(yīng)即慣性矩I來決定.E和I越大，鉆桿的剛度越大.

3 鉆頭導(dǎo)向強(qiáng)度分析及計算模型

3.1 導(dǎo)向孔軌跡設(shè)計

導(dǎo)向孔的軌跡通常由3 段組成(見圖6)，分別為第1 造斜段L1、直線段L和第2 造斜段L2.

圖6 水平定向鉆導(dǎo)向孔設(shè)計示意

第1 造斜段是鉆頭進(jìn)入鋪管位置的過渡段(AB)；直線段是管線穿越障礙物的實際長度(BC)；第2 造斜段是鉆頭露出地表的過渡段(CD).因此，設(shè)計導(dǎo)向孔時要綜合考慮地層條件、工程要求、管線的允許半徑、鉆頭的最小曲率半徑、鋪管深度、施工場地條件等多種因素，最后在確保安全、經(jīng)濟(jì)可行的前提下設(shè)計出最優(yōu)導(dǎo)向孔軌跡.

3.2 導(dǎo)向強(qiáng)度作用分析

水平定向鉆進(jìn)中導(dǎo)向頭鉆進(jìn)的單位長度角度的變化值被稱為導(dǎo)向強(qiáng)度.導(dǎo)向強(qiáng)度能夠說明鉆孔中任何一段的彎曲程度，無論是在保直回轉(zhuǎn)(導(dǎo)向強(qiáng)度為0)還是在造斜頂進(jìn)(導(dǎo)向強(qiáng)度非0)中，都能很好地定量地反映工程施工情況和軌跡形態(tài).其經(jīng)驗值一般在1～3 °/m.

導(dǎo)向強(qiáng)度的大小直觀地反映出斜線段的傾斜程度，由此可以判斷出鉆孔軌跡是否合理、是否滿足鉆桿和待鋪設(shè)管線的極限彎曲強(qiáng)度等[8].水平定向鉆進(jìn)設(shè)計人員應(yīng)重視導(dǎo)向強(qiáng)度作用，避免因?qū)蚩自O(shè)計不合理(造斜段與水平段銜接處導(dǎo)向強(qiáng)度過大)而發(fā)生鉆桿斷裂、拖管卡管或管道變形損傷等工程事故.

3.3 導(dǎo)向強(qiáng)度計算模型

導(dǎo)向強(qiáng)度的影響因素涉及很多方面.因其與角度的變化值有關(guān)，故可以推出導(dǎo)向鉆頭的規(guī)格包括它的斜面角α、斜面形狀尺寸S和剛度K；鉆進(jìn)的長度取決于地層的力學(xué)性質(zhì)(包括硬度Hy、塑性Ps、彈性模量E、泊松比μ、強(qiáng)度σ、摩擦角φ和摩擦系數(shù)f)和鉆桿的給進(jìn)力PG的大小；另外，還有工藝方面的原因(如技術(shù)參數(shù)β).依此可以列出導(dǎo)向強(qiáng)度的因素關(guān)系式：

具體的公式推導(dǎo)還需要大量的實驗與工程來提供相關(guān)數(shù)據(jù).在一個具體的工程中，鉆頭規(guī)格是確定的，給進(jìn)力和工藝技術(shù)是確定的，此時關(guān)鍵的影響因素是土層的力學(xué)性質(zhì).下面對鉆頭與巖土相互作用進(jìn)行分析.導(dǎo)向鉆頭造斜時，鉆具不旋轉(zhuǎn)，由于其受到軸向力的頂推而切入巖土.此時，其斜面上由于巖土反作用而產(chǎn)生反作用力.該反作用力N可分解為2 部分：一是與鉆具的軸線平行的橫向力Nx；二是與鉆具的軸線垂直的豎向力Ny.該豎向力使得導(dǎo)向鉆頭前進(jìn)方向發(fā)生改變，鉆孔軌跡也隨之改變(見圖7).

圖7 導(dǎo)向鉆頭受力示意

導(dǎo)向鉆頭在被向前頂進(jìn)時，其上部的巖土層受到擠壓并發(fā)生變形.其周圍的巖土越軟，受到擠壓時所產(chǎn)生的壓縮變形就越大，這樣對導(dǎo)向孔彎曲就越有利，導(dǎo)向強(qiáng)度增加；鉆頭逐漸向前推進(jìn)，其彎曲度隨之增大，且后方鉆桿向下的回彈力也會增大，即巖土受到的擠壓力增大，下部巖土的壓縮變形量增大，其結(jié)果便是減小了鉆具的導(dǎo)向強(qiáng)度[9].由此可見，巖土體的抗壓強(qiáng)度、鉆具的抗彎強(qiáng)度以及導(dǎo)向鉆頭斜掌的結(jié)構(gòu)形狀是影響導(dǎo)向鉆頭力學(xué)效應(yīng)的主要因素.

4 結(jié)論

設(shè)計導(dǎo)向孔時要綜合考慮地層條件、工程要求、管線允許半徑、鉆頭最小曲率半徑、鋪管深度、施工場地的條件等多方面的因素，在確保安全、經(jīng)濟(jì)可行的前提下設(shè)計出最優(yōu)導(dǎo)向孔軌跡.非開挖HDD 技術(shù)是通過交替控制鉆機(jī)，即導(dǎo)向鉆頭的“定向頂進(jìn)”或“回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)”，實現(xiàn)造斜或保直鉆進(jìn)的，從而形成了可以有彎曲段的地下空間軌跡.鉆頭導(dǎo)向強(qiáng)度的影響因素主要包括巖土體強(qiáng)度、導(dǎo)向鉆頭斜掌的結(jié)構(gòu)形狀、給進(jìn)力大小與速度、沖洗液和鉆桿剛度.經(jīng)過對導(dǎo)向強(qiáng)度的分析可知，巖土體的抗壓強(qiáng)度、鉆桿剛度以及導(dǎo)向鉆頭斜掌的結(jié)構(gòu)形狀是影響導(dǎo)向鉆頭力學(xué)效應(yīng)的主要因素.