非開挖施工鋪設(shè)地下管線技術(shù)由于其對地表結(jié)構(gòu)破壞性小、環(huán)保性好、施工效率高、總體成本低而受到廣泛應(yīng)用。我國在這一領(lǐng)域的發(fā)展水平雖較發(fā)達(dá)國家晚十多年,但隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展、西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施和城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快,使非開挖市場正如火如荼地壯大開來。了解并掌握非開挖行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)有助于促進(jìn)我國這方面水平的提高。本文將就巖層中非開挖導(dǎo)向鉆孔技術(shù)作一介紹。
　　1 土層中鉆進(jìn)導(dǎo)向機理
　　一般意義上的非開挖導(dǎo)向鉆孔施工大多在土層條件下進(jìn)行,此時,導(dǎo)向鉆頭采用的是帶斜面的非對稱式結(jié)構(gòu)。這類鉆頭在孔內(nèi)實現(xiàn)方向改變的力學(xué)機理是從鉆桿獲得的推力克服地層阻力使鉆頭前進(jìn)。以斜面鉆頭為分析對象,通過鉆桿傳來的鉆機推力與地層阻力共同作用于鉆頭斜面上,兩個力各自分解為垂直于斜面的分力和平行于斜面的分力,垂直于斜面的兩分力大小相等,方向相反,相互抵消;平行于斜面的兩分力則由于鉆機推力分力大于地層阻力分力,最終的合力指向沿斜面的方向,使鉆頭順著斜面前進(jìn),如圖1所示。具體操作時表現(xiàn)為,當(dāng)鉆機回轉(zhuǎn)動作與給進(jìn)動作同時進(jìn)行時,鉆孔軌跡呈直線;當(dāng)鉆機只給進(jìn)不回轉(zhuǎn)時,鉆孔軌跡沿鉆頭斜面方向轉(zhuǎn)彎,從而實現(xiàn)方向改變。
　　但當(dāng)所鉆地層為巖層時,鉆機推力無法有效克服地層阻力,因而無法實現(xiàn)只推不轉(zhuǎn)改變方向的功能,即使只是在卵石層或含石土層中鉆進(jìn),也會由于硬石的存在,造成孔內(nèi)導(dǎo)向板鉆頭受力不均勻,很難實現(xiàn)有效的方向控制。
　　2 巖層中導(dǎo)向工藝
　　2.1 傳統(tǒng)方法一
　　當(dāng)在巖層中無法用只推不轉(zhuǎn)的方法改變鉆孔方向時,一般的做法是將普通切削式斜面鉆頭(導(dǎo)向板)換成偏心式磨削鉆頭或單掌牙輪鉆頭,這時若要改變鉆孔軌跡方向,需推頂和間歇回轉(zhuǎn)同時作用,即在導(dǎo)向儀鐘面顯示的預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)彎方向點兩側(cè)各60度扇形范圍內(nèi)推頂并轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)偏心磨削,在鐘面指示的其余各點則空轉(zhuǎn)過去。例如,要使鉆孔軌跡朝鐘面指示的12點鐘位置(朝上)改變方向,需將偏心鉆頭空轉(zhuǎn)至10點鐘處,施加推力,推轉(zhuǎn)至2點鐘位置,形成120度扇形面的磨削。然后稍微回拉鉆頭,使脫離切削面,再空轉(zhuǎn)至10點鐘位置,施加推力,推轉(zhuǎn)至2點鐘位置,實現(xiàn)另一次120度扇形面的磨削。這樣反復(fù)進(jìn)行推轉(zhuǎn)和空轉(zhuǎn),使鉆孔軌跡偏離原來軸線,朝上傾斜一個角度,實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎,見圖2所示。
　　這種施工工藝只能間歇性克取巖石,而這種推轉(zhuǎn)和空轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換操作需人為地一下一下進(jìn)行,使導(dǎo)向效率極低,改變一次方向需數(shù)小時之久。在破碎地層或卵石地層中由于不均勻性,有時根本無法實現(xiàn)有效控向。
　　2.2 傳統(tǒng)方法二
　　另一種傳統(tǒng)的巖石鉆進(jìn)工藝是孔底泥漿馬達(dá),這種工藝條件下鉆孔轉(zhuǎn)彎時,泥漿馬達(dá)通過由鉆桿內(nèi)腔輸送來的高壓泥漿驅(qū)動,提供牙輪鉆頭克取巖石所需扭矩,鉆桿無須回轉(zhuǎn),只提供推力和鉆孔方向控制,泥漿馬達(dá)與鉆桿軸線間有一安裝偏角,以實現(xiàn)方向改變;鉆直線孔時,鉆桿與泥漿馬達(dá)同時回轉(zhuǎn)。使用這種工藝進(jìn)行施工時,存在如下問題: (1)機器需配置高壓力大流量泥漿泵以確保泵送足夠的泥漿驅(qū)動泥漿馬達(dá)工作。普通鉆機現(xiàn)有泥漿泵難以滿足要求;(2)泥漿耗量比普通鉆進(jìn)時的大2??3倍,使泥漿材料的消耗成本大大提高;(3)需配備專門的大功率泥漿攪拌系統(tǒng),以滿足大量泥漿需要;(4)從環(huán)保角度看,特別在城市施工時,大量的廢漿需要處理,增加了施工成本;(5)為使泥漿動力有效到達(dá)泥漿馬達(dá)部位,對鉆桿柱各連接處的密封要求及抗高壓沖刷要求進(jìn)一步提高;(6)探頭容納管與導(dǎo)向鉆頭之間增加了1米多長的泥漿馬達(dá),使鉆孔軌跡的控向精度受到影響。
　　傳統(tǒng)的方法還有利用氣動潛孔錘工藝和液壓沖擊整體鉆桿柱方法進(jìn)行巖層導(dǎo)向孔施工,這些方法雖然在碎巖效率上有所提高,但在鉆孔轉(zhuǎn)彎時都只能采用偏磨的方式進(jìn)行,總體效率依然很低。另外,氣動潛孔錘工藝中需另外配備高壓力大流量空壓機,干式鉆進(jìn)時則還需一套降塵和除塵裝置;而液壓沖擊整體鉆桿柱的方法則增加了鉆桿的疲勞破壞程度,影響施工安全和鉆桿使用壽命。
　　3 最新施工技術(shù)――雙壁鉆桿工藝
　　3.1 工藝原理
　　3.1.1 結(jié)構(gòu)
　　雙壁鉆桿是美國溝神(DITCH WITCH)公司的新一項非開挖方面的技術(shù)專利。這是一種桿中桿結(jié)構(gòu),分成內(nèi)鉆桿和外鉆桿兩部分。工作過程中外鉆桿之間通過螺紋相互連接,內(nèi)鉆桿之間則通過六方結(jié)構(gòu)的公母接頭插接相連。泥漿通過內(nèi)外鉆桿之間的環(huán)狀空間輸送到孔底。在雙馬達(dá)動力頭驅(qū)動下,內(nèi)鉆桿和外鉆桿可相對獨立旋轉(zhuǎn),鉆巖用三牙輪導(dǎo)向鉆頭與內(nèi)鉆桿連接,鉆頭后部的探頭容納管與外鉆桿連接,并與鉆桿柱軸線呈2°安裝偏角。
　　3.1.2 導(dǎo)向機理
　　施工過程中,當(dāng)內(nèi)外鉆桿同時旋轉(zhuǎn)時,鉆孔軌跡呈直線狀態(tài);當(dāng)內(nèi)鉆桿旋轉(zhuǎn)而外鉆桿依據(jù)探頭容納管的安裝偏角位置停止在某固定方向上不旋轉(zhuǎn)只推進(jìn)時,鉆孔軌跡便朝該方向轉(zhuǎn)彎,即內(nèi)鉆桿供給鉆頭扭矩,外鉆桿供給鉆頭推力和方向控制。例如要想讓鉆孔朝上轉(zhuǎn)彎,可旋轉(zhuǎn)外鉆桿使其在地面跟蹤儀上的鐘面位置為12點,表明此時安裝偏角朝上,如圖3所示。外鉆桿固定在12點位置停止旋轉(zhuǎn)只施加推力,而讓內(nèi)鉆桿帶動鉆頭旋轉(zhuǎn),使鉆孔快速實現(xiàn)朝上轉(zhuǎn)彎。到達(dá)預(yù)定傾角后再讓內(nèi)外管同