水平定向鉆回拖力影響因素及計算模型研究

發(fā)布時間：2020-05-16 14:40

【摘要】：隨著基礎設施建設模式的轉型升級和市政工程施工技術的進步,非開挖地下管線鋪設技術取得了較大的發(fā)展,已經被國際建筑行業(yè)列為具有廣闊發(fā)展前景的一個重要分支。由于非開挖技術具有不干擾交通,不破壞綠地植被,不影響周圍人們的正常生活和工作秩序等優(yōu)點,被廣泛地應用于各類不允許或不能明挖的建設工程當中。水平定向鉆技術(horizontal direction drilling,HDD)具有較高的施工效率、較低的施工成本以及對環(huán)境產生的擾動小等優(yōu)點,在長距離輸送管道穿越河流、道路等建設中取得廣泛應用。水平定向鉆穿越施工的核心技術便是擴孔和最后一次管道回拖施工,在整個施工過程中占據重要位置。多種國家或行業(yè)規(guī)范也給出了定向鉆回拖力多種計算模型,但是在實際施工過程中存在各種施工條件的限制,影響回拖力的因素較多。本文以鄭州市侯寨水廠定向鉆輸水管道工程實際為背景,研究適合鄭州地區(qū)定向鉆最優(yōu)回拖力的計算公式和設計參數,主要取得如下成果:(1)對已有回拖力計算理論進行研究,總結各公式的特點,比較各公式間的差異性,且結合實際工程侯寨水廠穿越南水北調干渠,對《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》(GB50268-2008)推薦公式、《油氣輸送管道穿越工程設計規(guī)范》(GB50423-2013)推薦的公式、卸荷拱土壓力法、凈浮力計算方法等進行了比較。(2)定向鉆回拖力主要由管土之間的摩擦阻力、泥漿的拖拽阻力,以及絞盤效應等構成。對于主要以粉土地層為主的鄭州西部片區(qū)而言,每個因素需要結合工程實際選取。本文研究建議:鄭州西部片區(qū)回拖力宜采用中國工程建設協(xié)會的(CECS382-2014)《水平定向鉆法管道穿越工程技術規(guī)程》中給出的鋼管和塑料管道的回拖力計算公式,并建議管土摩擦系數選取0.28~0.55之間的數值為宜(規(guī)程規(guī)定的范圍是為0.1~0.3)。對于泥漿的粘滯系數,本文建議采用落球法或者在條件滿足的情況下使用NZ-3A粘滯系數粘滯儀測得。(3)在上述研究的基礎上,以鄭州市侯寨水廠設計穿越南水北調中線總干渠的輸水管線為例,在鋼管與土摩擦系數取值0.55的情況下,計算得到回拖力的大小為433.9t,與最終的實測值453.8t較為接近,驗證了模型的適用性。本文針對定向鉆回拖力的幾種計算模型進行對比分析,并結合鄭州西部片區(qū)的土層特性建議最優(yōu)公式及主要參數取值,對于鄭州地區(qū)后續(xù)的工程設計和施工具有一定的參考意義。
【圖文】：

定向鉆

圖 1-1 定向鉆入土Fig 1-1 Directional drilling in soil若直接在水平地面將管道拖入孔內，因為開始回拖管道長度較長，從而管道壁將會受到較大的摩擦力，將會增加鉆機的工作負擔，甚至破壞管道的完整性，后續(xù)的投入使用中產生可能會產生安全隱患。實際工程中為實現(xiàn)管道從地面圓滑過渡進入先導孔，通常采用吊裝或者開挖溝槽等方式，從而避免環(huán)境污染�；赝瞎艿肋M入導向孔以后，不僅受置換泥漿的浮力與粘滯阻力、與導向孔壁的接觸摩擦力，還會由于管道的抗彎剛度、自身重力等引起的回拖力阻力的增加[18~19]。在整個非開挖水平定向鉆穿越施工中，回拖管道的連接、鉆機和設備的選型、設備能力的校核、施工工藝的選取、管道安裝的設計以及對管道的長度、卡管現(xiàn)象的預防等，對回拖力而言，都是十分重要的力學參數和確定因子[20]。因此，首先需要解決的問題是確定回拖力，因為它一直被認為是工程成敗的決定性因素。鉆機在整個施工過程中施加的拉力主要由鉆桿、擴孔器、管道三部分產生[21]。水平定向鉆技術屬于非開挖技術中一種重要的施工技術，相比較頂管施工與盾構施工技術，，由于定向鉆施工技術成本較低、工期短以及對周圍環(huán)境不會產生

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