非开挖HDD钻头导向强度影响因素及计算模型研究

梁小强，黎永索，胡 达，张顺金

（1. 湖南城市学院 a. 城市地下基础设施结构安全与防灾湖南省工程研究中心，b. 土木工程学院，c. 市政与测绘工程学院，湖南 益阳 413000；2. 长沙市规划设计院有限责任公司岩土所，长沙 410007)

非开挖水平定向钻进(horizontal directional drilling，HDD)技术凭借其对环境影响小、施工速度快、综合成本低等优点在我国被广泛推广和使用[1].特别是随着我国城镇化建设的加速推进，该技术已经被广泛应用于给水、排水、电力、通信、市政及燃气等各类民用管道穿越和敷设之中[2].

按照水平定向钻进的穿越轨迹长度，一般可将其划分为4 类：穿越长度小于300 m 为短距离穿越；穿越长度300～900 m 为中等距离穿越；穿越距离900～1 400 m 为长距离穿越；穿越长度大于1 400 m 为超长距离穿越[3].穿越距离越大，对水平定向钻机的扭矩、给进力和回拖力的性能要求就越高.在水平定向钻进施工中，导向孔能否顺利贯通是决定工程成败的关键[4].导向钻头的力学效应与导向孔施工息息相关.因此，对钻头导向强度影响因素与力学效应的研究尤为重要.

1 HDD 技术施工工艺流程

HDD 技术施工工艺流程可分为3 个步骤：导向孔施工→扩孔→管线铺设(见图1).

图1 导向钻进施工示意

1.1 导向孔施工

非开挖导向孔一般采用手提式地表导航仪来确定钻头所在的地下空间位置.在施工中导向钻头的准确位置状态和造斜面方向是通过安装在钻头腔室内的信号发射器及地面跟踪仪器来测定的.导向钻进是按设计轨迹的参数，当发现偏离设计轨迹时，就通过调节钻头斜面的方向，进行造斜纠偏，直到钻头的位置回到设计轨迹上为止[5].

导向孔施工时钻头进入岩土体后对岩土体的作用主要以挤压和研磨为主.在导向钻头自入钻口至出钻口完成导向孔施工后，即可进行扩孔和铺管工作(见图1).

1.2 扩孔

当导向孔钻进完成后先卸下导向钻头；随后接上扩孔钻头(扩孔器)和旋转接头；然后再接上回拉钻杆，进行分级扩孔.根据钻孔长度、直径和设备能力选择合适的扩孔钻头进行扩孔是施工能否成功的关键.

扩孔的目的主要是为了减小铺管时的阻力.对直径小于扩孔钻头直径的较小管线可不进行专门的扩孔，而是在导向孔施工完毕后，将导向钻头卸掉，更换为“扩孔钻头+旋转接头+拉管组件”的组合，直接将待铺设的管线拉入；对直径较大的管线，须进行多次分级扩孔，即钻孔直径逐级扩大，且在扩孔钻进时，同步拉入钻杆[6].扩孔时钻具组合包括钻杆、扩孔头(扩孔器)、旋转接头(分动器)和回拉钻杆(见图2).

图2 扩孔时的钻具组合

1.3 管线铺设

管线铺设是非开挖水平定向钻进施工方法中最后一道关键工序，也是实现铺管作业目标的最后一步.其原则上要求最后一级扩孔与铺管同步进行，以便减少因钻孔暴露时间过长而引起孔壁垮塌的危险.扩孔钻进完成后，在回拉钻杆后依次接上扩孔头、旋转接头、拉管头与待铺设管线进行回拖.当被铺设管线到达钻机一侧地表时，铺管工作即告完成(见图3).

图3 管线回拉时的钻具组合

2 导向钻头工作原理及导向强度影响因素

2.1 导向钻头工作原理

导向孔钻进采用带斜掌(面)的非对称钻头.导向钻头匀速回转钻进时，在钻进推力p的作用下，土层作用在造斜面上的反力p' 的方向也是沿圆周做均匀变化的.如果钻头周围的土层硬度大致相同，在不考虑钻头本身重量的情况下，在一定时间内可认为反力p' 对钻头的作用相互抵消.

与此同时，水射流在孔底切出相同深度的原槽，导向钻头进行保直钻进.当钻头只给进不回转时，即只有推力p的作用时，则反力p' 的作用方向始终朝着某一方向.同时，水射流也只冲蚀该方向的土层.因此，钻头将有朝着该方向前进的趋势，从而实现造斜钻进(见图4).由于钻头是靠土层对造斜反作用力使钻孔变向，故地层越硬，造斜效果越好；地层越软，造斜效果越差.当钻头前方向为空洞时，将不能造斜.另外，给进速度对造斜效果也有影响.

图4 导向孔钻进的造斜原理示意

2.2 导向钻头的导向强度影响因素

由上述工艺原理可知，水平定向钻进技术是通过交替控制钻机即导向钻头的“定向顶进”或“回转钻进”来实现造斜或保直钻进，从而形成可以有弯曲段的地下空间轨迹.定向顶进的造斜程度为“导向强度”，它表示在导向钻头只给进不旋转过程中，单位长度内的钻孔在平面上偏离钻具(主要为导向钻头与钻杆)既定方向上方位角的改变量[7]，且它在一定条件下具有确定的数值.其主要影响因素如下：

1)岩土体强度.地层是导向钻头的作用对象，其软硬程度与完整性决定造斜反作用力的大小.力学分析、现场数据统计和实验室试验结果都证明：岩土体强度越大，造斜作用力就越大，造斜弯曲就越明显，因而导向强度就越大.

2)导向钻头斜掌的结构形状(见图5).在水平定向钻进技术中，导向钻头能控制钻孔轨迹产生弯曲的根本原因在于斜掌面受到了地层的斜向反作用力.斜掌面积越大，反作用力越大，即造斜导向强度越大.从力学理论上分析斜掌角度，其值越大导向强度就越大，但由于摩擦力的存在，斜掌角度超过一定数值(约30°)就会产生摩擦自锁而导致钻头无法发生斜向滑移.

图5 不同形状的导向钻头斜掌

3)给进力大小与速度.给进力大小决定水平定向钻进施工长度与所穿越地层的困难程度.通过简单的力学模型可知，造斜导向强度的大小很大程度是由给进力大小决定的.土体蠕变到破坏是一个变化过程，造斜作用力在顶进时也相应地有一个由高变低的过程.在钻头前部土体还来不及蠕变和破坏时的造斜作用力较大，所以加快顶进速度可以提高造斜导向强度.

4)冲洗液.导向钻头上设置有喷水口，其作用是在施工过程中为清水或泥浆等冲洗液提供流通通道.冲洗液具有冷却钻头、润滑稳定孔壁与携带钻屑三重作用，其通常具有较大的喷射压力.在导向孔的施工过程中，一般用清水作冲洗液.由于导向钻头上的喷水口方向通常是与钻杆轴心平行的，在斜掌法线方向并无分力，因此冲洗液的冲力并不影响造斜导向强度.相反，由于冲洗液软化了地层，致使地层硬度降低，反而减小了造斜导向强度.

5)钻杆刚度.钻杆刚度是抵抗弯曲的重要影响因素，其值越大造斜导向强度越低.钻杆的刚度由钻杆材料的力学参数即弹性模量E和钻杆横截面的几何效应即惯性矩I来决定.E和I越大，钻杆的刚度越大.

3 钻头导向强度分析及计算模型

3.1 导向孔轨迹设计

导向孔的轨迹通常由3 段组成(见图6)，分别为第1 造斜段L1、直线段L和第2 造斜段L2.

图6 水平定向钻导向孔设计示意

第1 造斜段是钻头进入铺管位置的过渡段(AB)；直线段是管线穿越障碍物的实际长度(BC)；第2 造斜段是钻头露出地表的过渡段(CD).因此，设计导向孔时要综合考虑地层条件、工程要求、管线的允许半径、钻头的最小曲率半径、铺管深度、施工场地条件等多种因素，最后在确保安全、经济可行的前提下设计出最优导向孔轨迹.

3.2 导向强度作用分析

水平定向钻进中导向头钻进的单位长度角度的变化值被称为导向强度.导向强度能够说明钻孔中任何一段的弯曲程度，无论是在保直回转(导向强度为0)还是在造斜顶进(导向强度非0)中，都能很好地定量地反映工程施工情况和轨迹形态.其经验值一般在1～3 °/m.

导向强度的大小直观地反映出斜线段的倾斜程度，由此可以判断出钻孔轨迹是否合理、是否满足钻杆和待铺设管线的极限弯曲强度等[8].水平定向钻进设计人员应重视导向强度作用，避免因导向孔设计不合理(造斜段与水平段衔接处导向强度过大)而发生钻杆断裂、拖管卡管或管道变形损伤等工程事故.

3.3 导向强度计算模型

导向强度的影响因素涉及很多方面.因其与角度的变化值有关，故可以推出导向钻头的规格包括它的斜面角α、斜面形状尺寸S和刚度K；钻进的长度取决于地层的力学性质(包括硬度Hy、塑性Ps、弹性模量E、泊松比μ、强度σ、摩擦角φ和摩擦系数f)和钻杆的给进力PG的大小；另外，还有工艺方面的原因(如技术参数β).依此可以列出导向强度的因素关系式：

具体的公式推导还需要大量的实验与工程来提供相关数据.在一个具体的工程中，钻头规格是确定的，给进力和工艺技术是确定的，此时关键的影响因素是土层的力学性质.下面对钻头与岩土相互作用进行分析.导向钻头造斜时，钻具不旋转，由于其受到轴向力的顶推而切入岩土.此时，其斜面上由于岩土反作用而产生反作用力.该反作用力N可分解为2 部分：一是与钻具的轴线平行的横向力Nx；二是与钻具的轴线垂直的竖向力Ny.该竖向力使得导向钻头前进方向发生改变，钻孔轨迹也随之改变(见图7).

图7 导向钻头受力示意

导向钻头在被向前顶进时，其上部的岩土层受到挤压并发生变形.其周围的岩土越软，受到挤压时所产生的压缩变形就越大，这样对导向孔弯曲就越有利，导向强度增加；钻头逐渐向前推进，其弯曲度随之增大，且后方钻杆向下的回弹力也会增大，即岩土受到的挤压力增大，下部岩土的压缩变形量增大，其结果便是减小了钻具的导向强度[9].由此可见，岩土体的抗压强度、钻具的抗弯强度以及导向钻头斜掌的结构形状是影响导向钻头力学效应的主要因素.

4 结论

设计导向孔时要综合考虑地层条件、工程要求、管线允许半径、钻头最小曲率半径、铺管深度、施工场地的条件等多方面的因素，在确保安全、经济可行的前提下设计出最优导向孔轨迹.非开挖HDD 技术是通过交替控制钻机，即导向钻头的“定向顶进”或“回转钻进”，实现造斜或保直钻进的，从而形成了可以有弯曲段的地下空间轨迹.钻头导向强度的影响因素主要包括岩土体强度、导向钻头斜掌的结构形状、给进力大小与速度、冲洗液和钻杆刚度.经过对导向强度的分析可知，岩土体的抗压强度、钻杆刚度以及导向钻头斜掌的结构形状是影响导向钻头力学效应的主要因素.