HDD施工中关键技术的分析与研究

李欣

摘要：HDD施工方式具有不开挖路面、不阻断交通、不影响环境的优点，它的前景相当广阔，具有极大的社会效益和经济效益。本文将对HDD技术的施工原理、施工过程、施工方式、施工中的关键技术要点、技术参数做出研究。

关键词：HDD施工工艺回拉力施工参数

中图分类号： U215 文献标识码： A 文章编号：

1 概述

HDD，即Horizontal Directional Drilling,水平定向钻技术是指利用导航仪的导向作用,使导向钻头沿着设计轨迹钻进,完成导向孔的施工,再利用反拉扩孔的施工方法将工作管道铺设在设计位置的一种非开挖管道施工的方式。随着现代文明意识和环保意识的逐渐加强，开挖路面进行各类地下管线施工导致的社会问题，交通问题和环境污染问题已越来越受人民的关注，城市限制开挖施工的法规将陆续出台，可以进行非开挖施工的水平定向钻穿越施工技术是不破坏地貌状态和保护环境的最理想的施工方法。

无论是大型还是中小型水平定向钻，其基本结构包括主机、钻具、导向系统、泥浆系统以及智能辅助系统。

HDD工艺流程包括：现场勘测及地下构筑物调查→导向孔轨迹设计→操作坑开挖→导向孔施工→反拉扩孔→回拖管道→竣工验收。其中最关键的技术是导向孔轨迹设计和回拖拉力的核算。

2导向孔轨迹设计及扩孔技术要求

2.1现场勘测及地下构筑物调查

施工前施工技术人员需对施工现场进行勘测，确定HDD施工管线的起点、终点位置。对沿线各种检查井逐一探查，判明地下管线设施直径、走向及高程。同时前往相关管理部门，调阅档案资料，并与现场勘测结果逐一核对，不符之处重新勘察，最后绘制出完整的施工现场地下管线设施分布平面图及剖面图。

2.2 导向孔轨迹设计

结合完整的地下管线设施分布平面图及剖面图，合理确定施工管道需避让其他现状管线设施的深度和轨迹。

2.2.1导向孔轨迹相关计算

（1）定向钻孔轨迹线段由造斜直线段、曲线段、水平直线段等组成，为保证水平直线段精度要求，造斜段水平距离L见下图，可按下式计算确定。

Ho=H-D/2

L=2A+[Ho-A(Sinα+Sin2α+…+Sin(nα))]/tg(nα)+A(Cosα+Cos2α+…+Cos(nα))

n 取值在3~5 范围。

图1

图2

（2） PE管材的弯曲半径应大于管材外径的40倍。控制的最小曲率半径可按下式计算。

Rmin=ED/（2σp）

（3）钻杆的曲率半径应由钻杆的弯曲强度值所确定。根据经验一般Rz≥1200DZ。

H―管道埋深（管内底深度，单位为m）

Ho－管道中心线深度 (m)

D－管外径 (mm)

DN－管公称内径 (mm)

L－定向钻造斜段水平距离 (m)

A－每节导向钻杆长度 (m)

α－相邻两节钻杆允许转向角(°)

Rmin－管道最小曲率半径 (m)

E－管道弹性模量（MPa）

σp－管道弯曲应力（MPa）

Rz－钻杆曲率半径 (m)

2.2.2.导向孔轨迹相关要求

（1）入土造斜段与管道直线段之间及管道直线段与出土造斜段之间，至少应有一根钻杆长度达到管道直线段坡度要求。

（2）入土角不宜超过15°，出土角按导向钻杆及拖拉管材允许曲率半径较大值确定，一般不宜超过20°。

（3）相邻两节钻杆允许转向角根据土质条件，钻杆长度、材料等因素确定，土质越软弱，α角越小，α角取值一般在1.5°~3.0°。

（4）定向钻进敷管穿越公路、铁路、河流时，最小覆土厚度应符合有关专业规范要求；当专业规范无特殊要求时，管道敷设最小覆土厚度应符合下表规定

表1

（5）钻进中每根钻杆允许调整变化的角度为：α=Li*360/2Rπ

2.3 HDD反拉扩孔施工的技术要求

扩孔施工是HDD非开挖施工技术中的关键技术之一，它直接关系到HDD施工的成败。扩孔方法主要包括反拉回转扩孔法、正向回转扩孔法、反拉切割扩孔法。其中，反拉回转扩孔法应用比较广泛，该方法首先利用小孔径的扩孔钻头反拉扩孔，然后依次扩大，直到达到实际要求的孔径。最终完成的扩孔直径按下面的公式计算：

D=K.d

其中：D—适合铺管的钻孔直径；

d—管材外径；

K—经验系数，一般K取1.2—1.5，地层完整时K取值较小，地层复杂时K取值较大。

3 HDD技术安装管道时回拖拉力的计算

3.1 管道回拖时受力特征

理想的钻孔轨迹如图3所示，由进口处的倾斜段、中间的水平直线段和出口处的倾斜段组成。回拖时钻机作用于管道的拉力主要克服管道与地表面摩擦阻力、孔道内壁的摩擦阻力、钻孔液阻力和通过弯曲段时管道变形的阻力。

图3钻孔轨迹示意图

3.1.1 直线段摩擦阻力

直线段摩擦阻力可分为与地表面摩擦阻力和与管道壁的摩擦阻力。

(1) 与地面摩擦阻力

式中:ws—单位长度管道的重力，kN/m；

fd—管道与地表面的摩擦系数；

L—管道的总长度，m；

Lk一管道在孔道内的长度，m。

(2) 与孔道内壁的摩擦阻力

由于孔道内钻孔液的作用，孔内管道可能因浮力作用向上漂浮，图2为管道通过倾斜段时的受力分析。管道与孔道壁的摩擦阻力应是管道的重力与浮力共同作用的结果，除此之外在倾斜段管道的重力在运动方向上的分量对管道拉力起不同的作用，因为水平段转向倾斜段拉出孔道时，管道重力的分量与拉力方向相反。

图4 管道通过倾斜段的受力分析

孔道内摩擦阻力

式中: wb— 孔道内单位长度的浮力，kN/m；

Fi— 管道与孔道壁的摩擦系数;

a—孔道与水平向的倾斜角。

倾斜段管道重力的分量对拉力影响

,

管道重力的分量方向与拉力方向相同时取负号。

3.1.2 孔道内钻孔液的阻力

影响钻孔液阻力的因素有孔道与管道之间环形间隙的大小，钻孔相对于管道流动的速度以及钻孔的粘度。据资料介绍孔道内钻孔液的阻力可用下式表示

式中:r—管道的半径，m;

p—钻孔液对管道壁表面剪切阻力，Pa；

Lk— 孔道内管道长度，m。

3.2回拖拉力计算方法分析

3.2.1Driscopipe的方法

1993年PhillpsDriscopipe第一次给出了计算聚乙烯管回拖拉力的计算公式，它假设整个管道由许多直线段的直管组成，并且仅考虑管道与地表的摩擦力和管道与孔道内的摩擦力，没有考虑弯曲段的变形阻力和钻孔液的流体阻力，其回拖拉力的计算公式如下式所示

式中:Li— 第i段管道的长度，m；

u—管道与地表面或孔壁摩擦系数；

一管道的倾斜角度。

3.2.2 国际管道研究会的计算方法

该计算方法是由Huey.etal在1996年为应用定向钻安装钢管道而提出的，它考虑了摩擦力、钻孔液的阻力、重力和弯曲变形阻力的影响，但没有考虑管道在被拖入孔道之前管道与地表面的摩擦阻力，并认为最大拉力出现在回拖最后阶段并以递增的方法沿管线分布，在管道进入孔道时拉力为零。为了计算的目的，把整个管线分解为许多直段和曲线段，最后的轴向拉力由每小段的拉力所组成。直线段拉力计算公式为：

式中: — 孔道内摩擦阻力；

DRAG— 孔道内钻孔液的阻力；

Wp一 考虑钻孔液浮力后管道单位长度有效重力。

弯曲段拉力的计算公式为:

式中:Larc— 管道弧线长度。

总的轴向拉力：

3.2.3 Meria Anna Palk的方法

2002年Meria Anna Palk等提出了该方法，它全面考虑了管道在回拖时与地表面和孔壁摩擦阻力，钻孔液的粘性阻力，管道通过弯曲段时摩擦阻力的变化以及方向改变时轴向拉力的增量，在计算时把整个长度分为多个直线段和曲线段，以前一段计算的轴向拉力作为后一段轴向力计算的已知条件，最后形成总的轴向拉力。

孔道外管道与地表面摩擦阻力和重力分量：

式中:— 地表面水平面夹角。

孔道内管道与孔壁摩擦阻力和重力分量：

钻孔液的粘性阻力：

总的轴向拉力：

3.2.4 相关参数的选择

(1)表面摩擦系数F地

管道与地面的摩擦系数，取值范围为0.1-0.5。影响取值的因素有地表状态、管道材质及管道的支承状态，如果管道被托轴辊支承时取小值。

(2)孔道内摩擦系数

根据国际管道研究会提供的数据该摩擦系数的取值范围为0.21-0.30

(3)钻孔泥浆密度

为了计算管道在孔道内所受的浮力，必须知道钻孔液泥浆的密度，其密度值与膨润土的含量有关，通常为1000 kg/m3，最大可达1440 kg/m3。

(4)泥浆粘性阻力

在1996年Hueyet根据钢管通过由膨润土组成泥浆钻孔液时的测定，其粘性阻力为345Pa。

4 结语

HDD技术是一种新型科学的施工方法，同时也是一项高风险的系统工程。本文通过对HDD导向孔轨迹的分析与研究，可以避免在导向孔钻进及回拉扩孔施工时因遇到障碍物所产生的风险。通过对管道回拖拉力的分析与研究，可以指导HDD施工时，在不同管径及不同施工长度的情况下选着合适的钻机，避免因回拖拉力不足而导致工程失败。

5．参考文献

[1] 叶建良 蒋国盛 窦斌 非开挖铺设地下管线施工技术与实践 中国地质大学出版社 2000

[2]乌效明 胡郁乐等，《导向钻进与非开挖铺管技术》，中国地质大学出版社，2004

[3]张启君，张忠海.水平定向钻机技术现状与可行性研究的分析「J].筑路机械与施工机械化，2004

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。