水平定向钻回拖力影响因素及计算模型研究

发布时间：2020-05-16 14:40

【摘要】：随着基础设施建设模式的转型升级和市政工程施工技术的进步,非开挖地下管线铺设技术取得了较大的发展,已经被国际建筑行业列为具有广阔发展前景的一个重要分支。由于非开挖技术具有不干扰交通,不破坏绿地植被,不影响周围人们的正常生活和工作秩序等优点,被广泛地应用于各类不允许或不能明挖的建设工程当中。水平定向钻技术(horizontal direction drilling,HDD)具有较高的施工效率、较低的施工成本以及对环境产生的扰动小等优点,在长距离输送管道穿越河流、道路等建设中取得广泛应用。水平定向钻穿越施工的核心技术便是扩孔和最后一次管道回拖施工,在整个施工过程中占据重要位置。多种国家或行业规范也给出了定向钻回拖力多种计算模型,但是在实际施工过程中存在各种施工条件的限制,影响回拖力的因素较多。本文以郑州市侯寨水厂定向钻输水管道工程实际为背景,研究适合郑州地区定向钻最优回拖力的计算公式和设计参数,主要取得如下成果:(1)对已有回拖力计算理论进行研究,总结各公式的特点,比较各公式间的差异性,且结合实际工程侯寨水厂穿越南水北调干渠,对《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB50268-2008)推荐公式、《油气输送管道穿越工程设计规范》(GB50423-2013)推荐的公式、卸荷拱土压力法、净浮力计算方法等进行了比较。(2)定向钻回拖力主要由管土之间的摩擦阻力、泥浆的拖拽阻力,以及绞盘效应等构成。对于主要以粉土地层为主的郑州西部片区而言,每个因素需要结合工程实际选取。本文研究建议:郑州西部片区回拖力宜采用中国工程建设协会的(CECS382-2014)《水平定向钻法管道穿越工程技术规程》中给出的钢管和塑料管道的回拖力计算公式,并建议管土摩擦系数选取0.28~0.55之间的数值为宜(规程规定的范围是为0.1~0.3)。对于泥浆的粘滞系数,本文建议采用落球法或者在条件满足的情况下使用NZ-3A粘滞系数粘滞仪测得。(3)在上述研究的基础上,以郑州市侯寨水厂设计穿越南水北调中线总干渠的输水管线为例,在钢管与土摩擦系数取值0.55的情况下,计算得到回拖力的大小为433.9t,与最终的实测值453.8t较为接近,验证了模型的适用性。本文针对定向钻回拖力的几种计算模型进行对比分析,并结合郑州西部片区的土层特性建议最优公式及主要参数取值,对于郑州地区后续的工程设计和施工具有一定的参考意义。
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定向钻

图 1-1 定向钻入土Fig 1-1 Directional drilling in soil若直接在水平地面将管道拖入孔内，因为开始回拖管道长度较长，从而管道壁将会受到较大的摩擦力，将会增加钻机的工作负担，甚至破坏管道的完整性，后续的投入使用中产生可能会产生安全隐患。实际工程中为实现管道从地面圆滑过渡进入先导孔，通常采用吊装或者开挖沟槽等方式，从而避免环境污染。回拖管道进入导向孔以后，不仅受置换泥浆的浮力与粘滞阻力、与导向孔壁的接触摩擦力，还会由于管道的抗弯刚度、自身重力等引起的回拖力阻力的增加[18~19]。在整个非开挖水平定向钻穿越施工中，回拖管道的连接、钻机和设备的选型、设备能力的校核、施工工艺的选取、管道安装的设计以及对管道的长度、卡管现象的预防等，对回拖力而言，都是十分重要的力学参数和确定因子[20]。因此，首先需要解决的问题是确定回拖力，因为它一直被认为是工程成败的决定性因素。钻机在整个施工过程中施加的拉力主要由钻杆、扩孔器、管道三部分产生[21]。水平定向钻技术属于非开挖技术中一种重要的施工技术，相比较顶管施工与盾构施工技术，，由于定向钻施工技术成本较低、工期短以及对周围环境不会产生

框图,施工顺序,水平定向钻,框图

水平定向钻施工顺序框图
【学位授予单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU990.3

【参考文献】