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学术论文：水平定向钻大口径钢管技术 作者：刘春海 时间：2015 年 6 月 26 日 单位：十四冶建设集团云南矿业工程有限公司非开挖管道分公司 摘要：曲率半径R,轨迹设计，轨迹改进，拖管与顶管优劣，泥 浆的应用，达西渗流定理，顶拉铺管方式关键词：弹性敷设半径R敷管段L2扩孔直径De达西渗流定 理 顶拉结合法1. 前言 非开挖水平定向钻（以下简称拖管）最早出现在20世纪 70年代，80 年代末开始传入我国，21 世纪初在我国迅速地发展起来，广泛地应 用在电力、电信、供水、燃气、污水等等施工当中，用于管道的马路、 铁路、河道、山坡等穿越当中非开挖之所以能如此快速地发展成为 一个新生的行业，它有它自身的优势：安全、快速、质量等近几年 大口径钢管拖管工程（管径大于等于DN800）迅速发展本文针对大 口径钢管拖管工程，从理论分析实现拖管的原理及经济措施以下我 们针对一个典型的案例：昭通支线天然气管道工程项目施工总承包第 一标段（曲靖分输站一宣威分输站）DN1100钢套管穿越G326国道及 昆贵铁路非开挖岩石钻专项工程为例，展开我们的研究2. 理论根据我们国家对大口径输气钢管弹性敷设有明确规定：《输气管道工程设计规范》GB50251-2003-I 一 3. M输汽暫道采川弹性敷说时隔符仃卜列规定:1弹性數设管道与相邻的反向弹性弯曲管段之间及弹性弯曲管段和人工弯管之间，应采 用直管段连接；直管段长度不应小于管子外径值，且不应小于500nn.2弾性敷设营迫的曲率半社应淌圮骨子强度要朮JL不得小外戊的汕汕呱-ip： Hlfll匕弹件敷设管道的曲率半径淌应人丁带皿小甲件川卜产生旳挠度Illi线的曲率半 讹 其曲率半径庇按卜•式讣算’』~ cos —式中 尺一 管道弹性弯曲曲卒半径〔皿卄 D——管道的外径“mh 住-一晋道的转曲r>.其他类型大口径钢管也可按以上规范进行弹性敷设。

3. 大口径钢管拖管穿越轨迹设计如图下图：00/山K R1R2 /7D\/Li r\D田 分越轨辺线A1cBRi彝段弯曲段IL3L2LI拖管穿越轨迹线包括三部分：弯曲段1 （L1）直线段（L2） 弯曲段 2（L3）假设弯曲段1及弯曲段2近视为一圆弧，其弯曲半径为R, 则R必须满足上述要求R21OOOD （D为敷设钢管外径）L1= VH (2R1-H)H- 设计穿越深度R1-穿越钢管弹性敷设弯曲半径L2=V H(2R2-H)H-设计穿越深度R2-穿越钢管弹性敷设弯曲半径入钻角a 1=2arctgVH/ (2R1-H)出钻角a 2=2arctg VH/ (2R2-H)设i点为弯曲段1上任意点Li为i点水平投影点i'与B点间 的距离Hi为i点深度a i为i点轨迹角贝U：Hi= (H-R1) +V(R1A2- LiA2)a i=arctgV [(H-Hi)/(2R1-H-Hi)]如上例 DN1100 钢套管需穿越 G326 国道，穿越深度初步设计 为 -5.5 米，贝：R=1000D=1100 米 H=5.5 米 L2=60 米L1=L3=VH(2R1-H) =110米a 1=a 2=2arctgV H/(2R2-H) =5.7°穿越总长度L=L1+L2+L3=280米4. 改进穿越技术节约穿越成本对大口径钢管，由上述可知，因钢管弹性敷设弯曲半径R太大， L1及L3大大增长，造成施工成本成倍增长，因此一般截取穿越轨 迹线路直线段L2作为敷管段，L1与L3做为辅助段即可大大节约施工成本。

如下图00山R2WlDL3L2辅助段2辅助段1lF--H 穿越轨迹线WW敷管段ww真实敷管段为L2距离大大缩短，L1段不涉及管道回拖，所以R1 可取钻杆曲率半径， L3 段仅用于管道回拖通道，实际不敷设钢管5. 拖管施工与顶管工艺的优劣相同处：在大口径钢管施工中，两者的相同点都是以水平段作为敷管段不同处：①拖管施工中实际施工长度变长，拖管施工需要辅助段L1 及 L3② 拖管施工不需要设顶进工作井，拖管辅助井可以在拖 管完工后开挖施工，大大节约施工工期③ 拖管施工使用机械操作，顶管施工使用人工操作④ 拖管施工使用管材必须为钢管或HDPE管且必须一 次性焊接完成，顶管施工使用管材为钢管或钢筋混凝 土管且必须分段顶进⑤ 拖管施工使用地表式导向仪器控制轨迹的水平及标高，顶管施工使用全转仪器控制顶进轨迹的水平及标6. 大口径拖管工程中泥浆的应用在拖管施工中，由于扩孔直径De=1.5~2.0Do（Do为敷设钢管外径） 必须考虑孔道塌孔及失水造壁问题6.1 压力平衡控制孔壁稳定 孔内静液柱压力的大小决定了钻孔与地层间的物理平衡，孔内静 液柱压力按如下公式计算：Ps=0.1y HPs-静液柱压力y -单位体积成孔液重量H-液柱垂直高度6.2 失水造壁防止孔道塌孔成孔液中的自由水通过孔壁孔隙或裂缝向地层中渗透，称为成孔 液失水。

失水的同时，成孔液中的固相颗粒附着在孔壁上形成泥 皮，称为造壁孔壁上形成泥皮，渗透性逐渐减小，减慢成孔液的继续流失 失水对成孔的影响：① 当地层为泥页岩、黄土、黏土时，失水过大会引起孔壁吸水膨 胀、缩径、散落、塌陷② 对于破碎带的地层，自由水减少破碎物的结构力，容易造成孔壁塌陷③ 在溶解性地层中的失水越多，井壁地层被溶解的程度就越高 成孔液失水量遵循达西渗流定理：Qt二KA^P/hpQt-渗透速率K-泥皮渗透率A- 渗滤面积△ P-渗滤压力h-泥皮厚度p -滤液粘度7. 大口径拖管工程的铺管方式 大口径钢管铺管方式可采用顶拉结合法 顶拉结合法是指管道前端有设备牵引，而后端有顶管设备顶入的 施工方法参考文献1）颜纯文，蒋国盛，叶建良《非开挖铺设地下管线工程技术——地下工程技术专著》 上海科学技术出版社，2005年1月1日出版，226页2) 乌效鸣，胡郁乐，李粮纲等《导向钻进与非开挖铺管技术》中国地质大学出版社, 2009年9月第三次印刷，175页3) 《输气管道工程设计规范》GB50251-2003作者信息：2002年开始从事非开挖，至今13年现当任十四冶建设集团云南矿业工程有限公司非开挖管道分公司工程师。