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

1、非開(kāi)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(kāi)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(shuō)明，確保非開(kāi)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 whe n in stall steel pipe or large diameter HDPE pipe with HDD tech no logy, a simple way of pilot bore path desig n is recom mended. Ex

2、amples are also given so that those who work on jobsite can easily m aster the way and use for practice.關(guān)鍵詞：鉆孔軌跡、造斜、轉(zhuǎn)彎半徑、開(kāi)孔角、傾角Key Words: Pilot bore path, Set back distanee, 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(kāi)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，但在施工大直徑管或

3、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(wèn)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)的成敗，因此要認(rèn)真做好導(dǎo)向

4、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。ABCD一_F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?。唬? ）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。對(duì)特殊地層、障由于篇幅所限，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，礙物狀況等的影響因素不作過(guò)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(kāi)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(lái)決定，作為施工者就應(yīng)當(dāng)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(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(kāi)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(lái)考慮，在產(chǎn)品管線埋深相同的前提下，造斜距離越長(zhǎng)越好，因?yàn)?/p>

6、造斜距離越長(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)地限制和距離太長(zhǎng)將需要更多的鉆桿、 因此在進(jìn)行軌跡設(shè)計(jì)時(shí)，按 該最短造斜距離其實(shí)是最節(jié)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), 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。 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。 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(lái)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)或某段處的彎曲半徑小于管線或鉆桿的最小轉(zhuǎn)彎半徑限制就 會(huì)造成

7、鉆桿、管線損壞或造成回拖時(shí)管線無(wú)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(mén)提供）鋼管公稱直徑（竜米昇最嚴(yán)彎曲半徑（米八47.27知

8、叫眇如127111.31523200170252|213.33朋2妙353277處400+J317P452356.62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訐最大改變童機(jī)型J鉆桿最小轉(zhuǎn)彎半徑（米）單桿傾甬允許改變重JT52W21-舁6 （桿快15米）心JT920L329 （桿長(zhǎng)3米）心JT1720X11'7米）4JT2720Ml*5 （桿長(zhǎng)3米）aJT4020Mb7 （桿扶4 J米）PJT7O2OM16 （桿長(zhǎng)4 5米）3JT2720AI54 （雙壁鉆桿）中5 （桿長(zhǎng)2點(diǎn)米）心JT4020.ATP91 （雙壁鉆桿）心6 （桿長(zhǎng)4 3米）卩1 500396.2 戶475.

9、47325943Vrenchle$.CN中任菲幵揑工程披術(shù)財(cái)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）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公式說(shuō)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

10、，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）。圖2 造斜距離簡(jiǎn)易幾何圖心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(shuō)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(jiǎn)化計(jì)算公式。在實(shí)際工程中由于開(kāi)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(guò)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(guò)對(duì)計(jì)算出的n值稍作放大來(lái)進(jìn)行修正。3.3計(jì)算開(kāi)孔角先采用反推法

11、粗略算出開(kāi)孔角，再以此粗略值為準(zhǔn)從第一根鉆桿開(kāi)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(kāi)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)地面，最后一根鉆桿相應(yīng)的傾角值即位開(kāi)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 x sina由于單根鉆桿傾角改變量很小（例如溝神公司所有鉆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si

12、n a tg a這樣深度改變量公式可簡(jiǎn)化為： Sx tga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)；tg a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tg a=0.18 ）。通過(guò)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(lái)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(kāi)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(guò)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JT27M1施工，已知鉆桿

13、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(kāi)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）按前面討論的軌跡弧線和投影直線間誤差問(wèn)題，這里將計(jì)算出的最短造斜距離修正為18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)

14、。（3）開(kāi)孔角計(jì)算由前面列表可知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(kāi)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 H=S x tg=3X0.05=0.15（米）該桿起點(diǎn)處深度值為H- H =3-0.15=2.85（米）；以此類(lèi)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

15、五桿25%0.750.75倒數(shù)第六桿25%0.750粗算結(jié)果表明，開(kāi)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(kāi)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(guò)5%即可）從第根鉆桿開(kāi)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%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第八桿7%0.212.97第七桿2%0.0

16、63.03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)然也可以先給定一個(gè)開(kāi)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)）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 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(lái)說(shuō)， 彎半徑、單桿傾角最大允許改變量是個(gè)常數(shù)， 很容易

17、記住。算TMS軌跡設(shè)計(jì)軟件）幫助設(shè)自己所用鉆桿的長(zhǎng)度、最小轉(zhuǎn) 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。（例如鋼管），每根鉆桿傾角最大改變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) 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',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a為：a= （180/ n R' ） X S 相應(yīng)傾角改變量 3為：S = tg aX100%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 ）

18、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= （180/213.3 n） X3=0.806°相應(yīng)傾角允許改變量為S = tg0.806 x 100%=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(kāi)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(guò)開(kāi)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(kāi)成兩段考慮：從工作坑至地面開(kāi)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(kāi)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(kāi)挖難度的不同靈活布置工作坑的位置