地下管道非开挖技术：水平螺旋钻进法原理与工艺

1.钻进系统

水平螺旋钻进铺设管线系统主要由以下几部分组成：

（1）水平螺旋钻机

水平螺旋钻机是水平螺旋钻进铺管系统的主体部分，主要由回转系统、顶进系统以及为其提供支承的导轨组成。现代水平螺旋钻机的回转和给进都通过液压系统来实现，便于控制、调节。GLP-150型水平螺旋钻机见图2-25。

图2-25 GLP-150型水平螺旋钻机结构示意图

①—导向夹持器 ②—套管 ③—螺旋钻杆 ④—前回转器 ⑤和⑦—电动机 ⑥—钻杆卡盘 ⑧—后回转器 ⑨—主动钻杆 ⑩—托持器 ⑪—水平千斤顶 ⑫—给进油缸 ⑬—垂直千斤顶 ⑭—销钉 ⑮—机座

图2-25为原地矿部西北探矿机械厂和勘探技术研究所联合研制的GLP-150型水平螺旋钻机结构示意图。该钻机为机械动力头式钻机，采用无循环冲洗液，内外管相互反向旋转的双管钻进，利用内螺旋钻杆连续排除钻屑。

GLP-150型水平螺旋钻机除可实现双管的步进给进外，还可实现内管或外管的单独推进或拔出，以实现钻孔结束后在保留外套管的情况下往孔内下入滤水管或工作管，然后再拔出外套管，以防止钻孔坍塌。此外，在钻完150mm孔径的钻孔后，还可在钻杆末端换接扩孔钻具，在拉出钻具的同时实现扩孔作业。最大扩孔直径可达560mm。

（2）螺旋钻杆

螺旋钻杆起传递钻压、扭矩以及排除土渣的作用，其直径略小于铺设钢管的内径，长度与钢管相同。

（3）螺旋钻头

螺旋钻进铺管法主要用于土层施工，所以一般采用刮刀钻头。根据土层软硬的不同，钻头切削具的种类也不一样。总的来说，较软地层用片状的、较锐利的切削具；较硬地层采用柱状的、较耐磨的切削具；而钻进硬黏土、页岩和卵砾石层则采用镶有子弹形圆柱硬质合金的钻头。钻头的直径稍大于钢管外径，形成一定量的超挖，以减轻管壁的摩擦阻力。钻头最外部的切削具是铰接的，可通过反转使其向内折叠，从而使钻头直径小于钢管内径，以便必要时更换钻头。

（4）方向控制系统

最初，螺旋钻进法与水平钻进法一样，施工时均不能控制钻进的方向。为了避免严重的偏斜情况，最近几年开发了各种不同的方向测量和控制装置。

最简单的测斜和纠偏方法是在每一段钢套管的外表面沿其轴线固定一根小直径螺杆和一根钢制水管。水管与工作坑外的水准仪相连，通过观察水准仪的水位，可确定钻孔在垂直平面内的偏斜情况。转动控制方向的螺杆，可使最前端的铰接钢管（又称转向头）上下摆动，从而控制其在垂直方向的偏斜。这种方法的最大有效控制长度达150m，控制准确度可达25mm左右。最近，为了控制在水平方向的偏斜，又在垂直平面控制系统的基础上，加上一套控制螺杆和铰接头，使前端的铰接式转向头可上下、左右摆动，从而实现全方位方向控制。

（5）泥浆润滑系统(www.xing528.com)

由一台小泵和沿轴向固结在每一根钢管外表面的小直径（25.4mm左右）钢管组成。在铺管过程中，不断地泵入膨润土泥浆，以润滑钢管柱，减轻管柱与地层之间的摩擦。这是铺长管的必要措施。

2.铺管方向的测量和控制

（1）方向测量

在每一段钢管的外表面，沿其轴向固结着一根25.4mm左右的钢制水管。水管与一水位计相连，通过观察水位计的水位，可确定钻孔在垂直平面内的偏斜。

水平面内的偏斜通过接收安装在钻头后部的发生器的电磁信号来确定。

（2）方向控制

水平螺旋钻机的纠偏系统是机械式的。这种纠偏方式以往主要用于垂直平面内的控制，已有20多年的历史，控制长度可达150m，控制准确度可达25.4mm。全方位控制系统是最近几年才开发出来的。想实现这种控制，需在垂直平面控制系统的基础上，再加上一套控制螺杆和铰链系统。这种全方位系统的控制长度可达100m，水平面的控制准确度可达76.2mm。

另一种测斜和纠偏系统由发光二极管、液压扳手和经纬仪构成，如图2-26所示。在螺旋钻杆和钻头连接的接头内装有发光二极管，作为目标靶。钻孔时，可随时用安装在钻机后端的经纬仪通过空心的螺旋钻杆观察发光二极管。当钻孔的方向偏离正确方向时，从经纬仪图像上可以看到发光二极管的中心测点偏离中心位置，由此可确定钻孔的偏斜方向和偏斜大小。纠斜装置的结构原理是：外套管前端的管鞋部分做成斜口状，斜口的长度约等于套管外径的一半。钻进时，套管不回转，只顶进。当需要对钻孔方向进行修正时，通过液压油缸转动套管，使管鞋的斜口朝向钻孔偏斜的方向。然后停止转动套管，随着钻孔的继续钻进，钻孔的方向就会逐渐地被修正过来。由于可通过转动套管使斜口朝向圆周的任意方向，故可以在任意方向上纠斜。

（3）适用范围

水平螺旋钻进法铺管一般可用于软土层或中硬的不含水的岩土层，最适合的地层是黏性土层和稳定的非黏性土层。新的技术发展使该方法的使用范围向卵砾石层和硬岩扩展。在硬岩石层施工时，可用潜孔锤钻一先导孔，然后用大直径组装式牙轮或滚刀钻头扩孔并铺管。

图2-26 利用液压扳手进行纠偏

螺旋钻进主要用于跨越孔的施工，钢管的长度一般为30～100m。采用能力强的设备，可铺设200m以上的管道。铺管的直径范围为100～1500mm，平均施工速度为12m/h。由于辅助施工时间约占总施工时间的75%～85%，因此纯钻进速度高。施工时，若准备工作充分，尤其是第一节钢管的定位和校准仔细、工作坑基础和后背的强度足够大，则偏斜量在1%以内。采用测斜纠偏装置，施工准确度还会更高。

值得注意的是，为了避免地表的隆起，最小的管道埋深必须在1～2m以上。在软土层中施工时，为了减小偏斜（下偏），在施工过程中中途停顿时间不宜过长。

螺旋钻进的最大优点是在钻进过程中，若地层发生变化或钻头磨损时，可随时通过退出螺旋钻杆而方便地更换钻头，施工过程中遇到障碍物时，也易用人工的方法加以排除。