非開挖施工中導(dǎo)向孔軌跡的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)計(jì)算

1、融山興至城西水廠管溝工程非開挖施工中導(dǎo)向孔軌跡的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)計(jì)算摘要：就一些非開挖施工人員在現(xiàn)場(chǎng)憑經(jīng)驗(yàn)打?qū)蚩自斐晒こ淌〉默F(xiàn)象，本文介紹 簡(jiǎn)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(chǎng)人員容易理解、掌握并 方便使用，對(duì)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 recommen

2、d ed. Examples 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, Pitc h從多年客戶培訓(xùn)時(shí)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(shí)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(shí)都能僥幸成 功，但在

3、施工大直徑管或鋼管時(shí)這種憑經(jīng)驗(yàn)的做法往往就會(huì)遇到許多麻煩，出現(xiàn)拖管時(shí)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(gè)懂行的人幫助設(shè)計(jì)一 個(gè)新軌跡，問題立即得到解決。其實(shí)這種基本的設(shè)計(jì)并不麻煩，只要稍微懂得一些簡(jiǎn)單數(shù)學(xué) 知識(shí)并查閱一些相關(guān)數(shù)據(jù)即可進(jìn)行，這里我將平時(shí)給溝神(DITCH WITCH )客戶理論培訓(xùn)課 上講授的一些簡(jiǎn)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(duì)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) 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

4、成敗，因此要認(rèn)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(gè)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(gè)造斜段則分別為管線進(jìn)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(jì)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）地面、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(jiǎn)單設(shè)計(jì)計(jì)算的方法，對(duì)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）

5、：2.1 開孔點(diǎn)：即鉆機(jī)需要擺放的位置（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J I J W基山洪至城西水廠管煙工6;條件和地面、地下障礙物狀況看是否能滿足要求，必要時(shí)需要與工程建設(shè)方協(xié)調(diào)對(duì)深度進(jìn)行 改變。2.3 造斜距離：即造斜段的水平投影長(zhǎng)度（圖1中AB段）。這其實(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)

6、品管線埋深相同的前提下，造斜距離越 長(zhǎng)越好，因?yàn)樵煨本嚯x越長(zhǎng)，軌跡曲線越平緩，越利于后續(xù)管線順利回拖。但考慮到場(chǎng)地限 制和施工工期、施工成本、施工風(fēng)險(xiǎn)的要求，造斜距離又不能太長(zhǎng)，距離太長(zhǎng)將需要更多的 鉆桿、更長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行施工，這會(huì)提高施工成本且加重工程的風(fēng)險(xiǎn)性。因此在進(jìn)行軌跡設(shè)計(jì) 時(shí)，按最短造斜距離的要求考慮，實(shí)際施工時(shí)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)度極限推算出來的幾何概念，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(huì)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

7、半徑小于管線或鉆桿的最小轉(zhuǎn)彎半徑 限制就會(huì)造成鉆桿、管線損壞或造成回拖時(shí)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(shí)，對(duì)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(jìn)行：對(duì)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(guó)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(shí)參考。非溝神鉆機(jī)的使用者設(shè)計(jì)時(shí)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(guó)溝神公司技術(shù)部門

8、提供）鋼管公稱直徑（毫米，最小彎曲半徑（米）50d47.2小75Q701Q10089.9127戶111.315g1319。20M170&250P213.30300253d350戶2773 戶400d31加450356.6口500P396.2川600P475.4。75A594.3dyVrenchless.CN中國(guó)韭開挖工程技術(shù)網(wǎng)2溝神公司各型導(dǎo)向鉆機(jī)配套鉆桿的最小轉(zhuǎn)彎半徑和單桿傾角允許最大改變量機(jī)型口鉆桿最小轉(zhuǎn)彎半徑（米）不單桿頒角允許改變量（%）JT52。21.306 （桿長(zhǎng)1.5米）3JT920LQ3 g9 （桿長(zhǎng)3米）口JT172OMU407 （桿長(zhǎng)3米）。JT2720MW5心5

9、（桿長(zhǎng)3米JT4020M1-5k7 （桿長(zhǎng)4.5米）dJT7020Mb7046 （桿長(zhǎng)4.5米）八JT2720力54 （雙壁鉆桿）而5 （桿長(zhǎng)2.8米）dJT4020AW91（雙壁鉆桿）干6 （桿長(zhǎng)4.3 ?K）爐2.5 造斜段每根鉆桿端點(diǎn)所在的深度、傾角：這是設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)最終為操作者需要使用的參數(shù)，實(shí)際施工時(shí)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(jiǎn)易設(shè)計(jì)計(jì)算步驟3.1 計(jì)算最短造斜距離L （米）基山沐至城西水子曲工再設(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

10、一造斜 段的最短造斜距離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（地而）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)間距離即為最短造斜距離L （如圖2所示）0中國(guó)非開挖工程找術(shù)網(wǎng)圖2造斜距離面易幾何圖3.2 造斜段所用鉆桿的根數(shù)n （根）設(shè)所用鉆桿單根長(zhǎng)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而上的投影直線（即造斜距 離），這樣可簡(jiǎn)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%傾角）， 且

11、每根鉆桿傾角變化不超過10%,因此每根鉆桿所對(duì)應(yīng)軌跡圓弧曲線段長(zhǎng)度與其在水平面上 的投影長(zhǎng)度相差不會(huì)太大，因而這種近似也是合理的，造成的誤差可通過對(duì)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。反推法粗略計(jì)算：以造斜段每一根鉆桿為計(jì)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計(jì)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(jiǎn)化方法：將造斜段每一根鉆桿的軌跡弧線簡(jiǎn)化為直線，以簡(jiǎn)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(duì)于圖中的任意一

12、個(gè)小直角三角形，其短直角邊長(zhǎng)度（實(shí)際為軌跡中單根鉆桿的深度 改變量近似值）為H=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量都小于1 0%）,根據(jù)小角度三角函數(shù)的特性，有虢山洪至城西水廠管溝工程sina x tga這樣深度改變量公式可簡(jiǎn)化為：H-S xtga式中S為鉆桿單根長(zhǎng)度，對(duì)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(shí)，表明該鉆桿所在小直角三角形的t ga=0.18）。通過該簡(jiǎn)化公式將每根鉆桿深度改變量的計(jì)算由三角計(jì)算簡(jiǎn)化為一般的乘法運(yùn)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(chǎng)計(jì)算帶來

13、極大方便，甚至可以一邊施工一邊隨 時(shí)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(shí)，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(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JT27Ml施工，已知鉆桿單根長(zhǎng)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)位置）根據(jù)前述最小造斜距離計(jì)算公式，這里R=54米，H=3米，最短造斜距離為L(zhǎng)=542- （54-3） 2 1/2=17.75 （米）按前而討論的軌跡弧線和投影直線間誤差問題，這里將計(jì)算出的最短造斜距離修正為1 8米，即鉆機(jī)需定位在距離水平段起點(diǎn)至少18米或以遠(yuǎn)。（2）造

14、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(zhǎng)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JT27Ml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(zhǎng)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-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

15、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型建至城西樸睪網(wǎng)工程倒數(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(shí)的特點(diǎn)為：在大于20%時(shí),只可顯示24%、28%等，增幅為4%；在10%至20%之間時(shí)可顯示10%、12%等，增幅為2%；小于10%時(shí)增幅為1%.所以，在本設(shè)計(jì)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

16、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%0.720.72第二桿20%0.601.32第三桿20%0.601.92第四桿16%0.482.40第五桿12%0.362.76第六桿7%0.212.97第七桿2%0.063.03第八桿0 （取中間值1%計(jì)算）0.033.06此即為實(shí)際施工時(shí)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(shí)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(shí)際操作中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控向儀上 顯示的每桿深度值大小進(jìn)一步微調(diào)，以達(dá)到理想的精度。當(dāng)然

17、也可以先給定一個(gè)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)）算出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)計(jì)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(duì)于一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)施工人員來說，自己所用鉆桿的長(zhǎng)度、 最小轉(zhuǎn)彎半徑、單桿傾角最大允許改變量是個(gè)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(shí)即可采用相同方案。5鋼管鋪設(shè)時(shí)鉆桿傾角最大允許改變量的計(jì)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(shí)（例如鋼管），每根鉆桿傾角最 大改變量的計(jì)算方法如下：設(shè)該產(chǎn)品管線最小轉(zhuǎn)彎半徑為R'

18、;，鉆桿單根長(zhǎng)度為S，則單桿長(zhǎng)度內(nèi)鉆孔允許改變的角 度大小。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毫米，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(zhǎng)度為3米，則單根鉆桿長(zhǎng)度范圍 內(nèi)角度允許最大改變?yōu)閍= （180/213.3r） x3=0.8060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，則帶入開孔角計(jì)算公式中的每桿傾角最 大改變量值就得由上述的5%改為1.4%。當(dāng)然以上是基本計(jì)算，實(shí)際軌跡設(shè)計(jì)時(shí)還要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地狀況和不同產(chǎn)品管線、不同 工程要求的特點(diǎn)作相應(yīng)調(diào)整，如在場(chǎng)地受限制而產(chǎn)品管線的極限彎曲半徑比較大、要求造斜 段很長(zhǎng)時(shí)可通過開挖工作坑的形式，產(chǎn)品管線回拖到工作坑即可，這時(shí)軌跡造斜段轉(zhuǎn)彎半徑 計(jì)算可分開成兩段考慮：從工作坑至地而開孔點(diǎn)的軌跡段以鉆桿的極限轉(zhuǎn)彎半徑作為設(shè)計(jì)依 據(jù)：從工作坑至水平段的軌跡部分以產(chǎn)品管線的極限轉(zhuǎn)彎半徑為設(shè)計(jì)依據(jù)，這樣，由于鉆桿 的極限轉(zhuǎn)彎半徑比產(chǎn)品管線的極限轉(zhuǎn)彎半徑小從而可減小該造斜段長(zhǎng)度。但一般情況下，工 作坑越深其開挖和支護(hù)的難度越高、費(fèi)用越大，現(xiàn)場(chǎng)需根據(jù)產(chǎn)品管線埋置深度要求和不同場(chǎng) 地工作坑開挖難度的不同靈活布置工作坑的位