专利名称：水平螺旋钻机与水平定向钻机协同工作顶管施工方法
技术领域：
本发明涉及一种地下管道的施工方法，具体涉及一种利用水平螺旋钻机与水平定向钻机(又名水平导向钻机)协同工作顶管的施工方法。
背景技术：
管道施工中经常会遇到公路、铁路及河流等障碍物或无法采用明挖方式施工的情况，需采用非开挖的方法穿越这些障碍物。水平螺旋钻机顶管施工作为一种重要的穿越方式，越来越受到人们的关注，它不影响铁路、公路、河流的正常交通和通航；采用土压平衡原理掘进不破坏地层，无泥浆排放不会污染环境；施工效率高周期短，费用较低；劳动强度低。缺点是虽然有些具备一定的方向控制能力，但一般不可控制铺管方向，因而施工精度有限。水平定向钻进铺设管线是在传统顶管法和不能定向的水平钻进铺管法的基础上，引进现代的导向技术而发展起来的铺管技术。它利用地面放置的铺管钻机，沿待铺管线的设计轨迹先钻成一个先导孔，然后将导孔扩大，并将工作管拉入孔内，实现不开挖铺管的一种先进技术。与顶管法相比具有如下突出优点导向孔施工时，方向、深度和其他参数可以由导向仪测量，并根据设计轨迹进行校正调整，因此铺管精度高，成功率高。缺点是成孔孔径大于铺管管径，会造成地面沉降、影响重力排水管线标高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水平螺旋钻机与水平定向钻机协同工作顶管施工方法，该施工方法工艺科学合理，操作方便，顶管方向准确，工作效率高。
本发明提供的一种水平螺旋钻机与水平定向钻机协同工作顶管施工方法是首先利用水平定向钻机在接收井一侧沿待铺管线的设计轨迹钻成一个先导孔至顶管工作井内，然后在工作井内将水平定向钻机的钻杆与水平螺旋钻机的钻头、螺旋钻杆连接，水平螺旋钻机在掘进顶管过程中水平定向钻机同步牵引，使管线始终按照水平定向钻机先导孔的待铺管线的设计轨迹前进，最终完成要求精确标高控制的管线铺设。
本发明施工方法具有如下的技术特点(1)可应用地下管线探测仪对现有地下管线分布和地下障碍物进行探测，事先确认地下情况，避免盲目施工造成损失。
(2)在水平定向钻机钻进先导孔的过程中，可探测到管线设计轨迹路径上地质及障碍物状况，为管线的实际掘土顶进制定切实可行的施工方案。
(3)水平定向钻机与水平螺旋钻机同步行进，由水平定向钻机钻杆为水平螺旋钻机钻头、螺旋钻杆提供按设计轨迹方向的拉力，确保顶管方向的准确性。
(4)在水平螺旋钻机在掘进顶管过程中，水平定向钻机向土体注入膨润土减阻润滑触变泥浆，可以减少管线外壁土体摩擦力及平衡地下水压力和土压力。
(5)适合在软土、粘土、砂土、流砂、粉细砂、中砂、粗砂等地层中进行顶管施工，只需更换不同直径的螺旋钻杆铰龙和鞍形座及鞍形适配器即可进行305～2000mm直径的钢管、铸铁管、钢筋混凝土管、玻璃钢夹砂管等顶管施工。
(6)水平螺旋钻机采用可拆卸设计，便于吊装及运输，安装方便；管内泥土由铰龙运送随出随运，施工场地占用少，工作效率高；施工周期短，人员少，成功率高，安全可靠。
(7)顶管施工过程中，可通过导向探测仪时时监测管线顶进状况，超出误差范围及时进行纠偏。
图1为本发明水平定向钻机在接收井一侧沿待铺管线的设计轨迹钻先导孔至顶管工作井内的工作示意图；图2为本发明水平螺旋钻机与水平定向钻机在掘进顶管过程中按照待铺管线的设计轨迹前进的工作示意图；图3为本发明的工艺流程图。
具体实施例方式
下面以广州市海珠区康乐涌截污工程顶管段施工为例具体说明本发明，需要说明的是，给出实施例是为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
第一节 概述一.工程概况及方案选择长度及深度本施工段的顶管工程为DN1000mm钢筋砼污水管，全长约120米，顶管覆土深度3～6m。
工作井、接收井根据设计图及结合现场实际，工作井及接收井采用挂壁井结构，水下C20砼封底施工。
管材顶管专用III级钢筋砼管内径D＝1000mm，管壁厚度t＝100mm。每节管长2000mm，砼强度C50，采用“F”型接口，管端采用3mm胶合板作衬垫，管接口采用优质止水橡胶圈止水。
施工工艺选择根据该段土质情况，该顶管段采用本发明方法进行非开挖顶管施工。
二.工程地质情况1.场地条件本工程位于海珠区康乐涌西侧，地下水位较为丰富，主要是穿越珠江中学运动场，施工不得对学校的正常教学造成影响，施工困难。
2.地层岩性根据地质资料反映，顶管段工作井一侧运动场下多为淤泥质粗砂，砂粒较大淤泥含量不多，接收井一侧约50米范围内顶管深度含有大量的建筑垃圾，含大量混凝土块石、砖渣。
三.周边环境、地下管线情况本工程位于海珠区康乐涌西侧，主要是穿越珠江中学运动场，施工范围已探明无地下管线。
四.工程特点难点及对应措施1.技术含量高非开挖施工不可预计因素多，施工难度较大，技术含量高。
2.地质恶劣顶进断面为砂质淤泥和建筑垃圾，已制定严密的技术措施防止顶进过程管节之间漏水流砂，避免引起周边地层压力损失引起周边土体沉降过大，并造成对珠江中学运动场破坏。应对措施为一方面需要有施工经验丰富的施工队伍和技术力量负责施工，严格控制顶进的工艺，真正实现泥水土压联合平衡的状态，实现对周边环境的影响程度降到最低；另一方面，严格控制“F”型接口钢筋混凝土管的检验环节，杜绝使用不符合设计及规范要求的管材，避免管节在承受顶力方面和防水方面出现施工事故。
3.顶程长该工程的最长一次顶进距离约120m，属于顶管顶进距离较长的工程，阻力大，需要采用触变泥浆减阻技术，技术含量高。
第二节 顶管施工方案鉴于现有的水平螺旋钻顶管及水平定向钻进铺设管线两种工艺存在的优缺点，本工程采用水平螺旋钻机与水平定向钻机协同工作顶管的施工方法，该方法首先利用水平定向钻机在接收井一侧沿待铺管线的设计轨迹钻成一个先导孔至顶管工作井内(如图1所示)，然后在工作井内将水平定向钻机的钻杆与水平螺旋钻机的钻头、螺旋钻杆连接，水平螺旋钻机在掘进顶管过程中水平定向钻机同步牵引，使管线始终按照水平定向钻机先导孔的待铺管线的设计轨迹前进(如图2所示)，最终完成要求精确标高控制的管线铺设。图1、2中，1.水平定向钻机；2.接收井；3.设计轨迹；4.工作井；5.水平螺旋钻机。
一.顶管设备选择(一)选择顶管掘进机美国奥格60-1200水平螺旋钻机的技术参数、施工原理及结构1.美国奥格60-1200水平螺旋钻机主要技术参数动力部分发动机道依茨BF6M1013涡轮增压水冷电启动柴油机额定功率119KW(160马力)/2300转速，连续载荷扭力703牛米/1400转速最大扭力175,139牛米/8转速燃油容量118升螺旋驱动头4英寸六方液压系统液压泵形式轴流活塞泵，带载荷感应，可调峰值流量压力6000psi(41370KPa)最大推力1200000磅(5338KN)排量144升/分钟液压缸4个，8寸缸径×35寸行程重量主机底座5.448吨主机动力部分3.132吨主轨道2.785吨延长轨道(单根)2.077吨2.水平螺旋钻的施工原理在施工一侧的工作井坑内安装水平螺旋钻机，钻机的后部有坚固结实的挡板墙，调整好方向开始钻进，边旋转钻头边顶进套管，钻头切削下来的泥土通过套管内铰龙的旋转送至出泥口处，用设备排出坑外，随着泥土不断被排出坑外，套管也不断的被顶入土中，顶进第一根套管后，退回钻机，对接铰龙，组装(焊接)第二根套管，继续钻进，如此反复操作，顶进第三根管子、第四根管子，直至钻进到规定长度，管线穿越完毕。
3.水平螺旋钻机结构构成钻进系统由钻头、铰龙、离合变速器组成，离合变速器带动铰龙、钻头转动，钻头切削地层，铰龙将钻屑传送到孔外，使地层成孔。
钻头分为泥土钻头、泥岩钻头、岩石钻头等三种，泥土钻头和泥岩钻头一般安装的有飞刀，采用铰接式，当正转时飞刀打开，钻头旋转使直径大于套管外径，以形成一定的超挖，减轻外壁和土的摩擦阻力，反转飞刀收回，钻头的直径小于套管内径，以便钻机倒退安装组对套管、铰龙。
顶进系统由液压缸、液压泵、液压油箱组成，与传统顶管法的千斤顶相同，用来将套管顶入挖掘的孔内。
动力系统包括发动机、传动装置、燃料罐等，为挖掘系统及顶进系统提供动力。
套管适配器每种规格套管配不同的套管适配器，它的作用是卡住套管，保证套管与动力驱动轴同心。
鞍形座及鞍形适配器鞍形座位于钻机轨道的前端，用来承载最大配置的套管，鞍形适配器固定在鞍形座上，用来承载比最大配置尺寸小的套管。
导轨分主导轨(长4米)和加长导轨(长3米)，主导轨始终作为轨道的最后部分，加长导轨与主导轨用螺栓连接，穿越时如果套管较长就需要连接两个或三个加长导轨。
(二)导向及泥浆系统采用美国威猛D75×100型水平定向钻机为该顶管施工提供导向及泥浆减阻润滑服务。
1.施工设备及主要技术参数美国威猛D75×100型水平定向钻机是美国威猛工程有限公司专门为铺设中等口径和中长距离工程的管线而设计的产品。该机是电子控制全液压驱动的钻机，具有强劲的动力、先进的电子系统。可铺设直径(800mm)以下的各种管材管道；一次性可铺设管道六百多米，代表了全新一代水平定向钻机的性能和效率。该设备最大推拉力为36t，最大扭矩为13.6KN.m，设备最大功率为138KW。水平定向钻穿机主要由穿越主机、动力系统、泥浆系统、控向系统和钻具五大部分组成，泥浆系统主要由泥浆加料系统、泥浆搅拌系统、泥浆回收系统及配套的动力部分组成，控向采用美国DCI公司生产的新型Eclipse带遥控显示器的导向探测仪。
主要技术参数见下表。
二.顶管施工工艺的说明1.本发明工艺流程图，见图3。
2.主要工序a、管线探测应用英国雷迪公司RD400地下管线探测仪对现有管线分布和地下障碍物进行探测，并绘制管线铺设施工平面图。
b、测量放线根据设计施工图纸及甲方要求确定铺管线路。对地面标高、地下管线进行复核，并设置明显标志。
c、导向钻进导向钻进是铺管施工的最重要阶段，它决定了铺设管线的最终位置。水平定向钻机进场，开挖工作坑，然后根据设计方案，利用美国DCI公司生产的新型Eclipse带遥控显示器的导向探测仪进行导向孔施工，钻进中做到多测多量，确保导向孔各点达到设计要求。如果钻孔的一部分超出误差范围，应抽回钻杆重新进行偏斜部分的钻进。当出口位置满足要求时，取下钻头进行下道工序的施工。
d、水平定向钻机与水平螺旋钻机同步行进在完成导孔钻进后，换上专用分动连接器、探棒室与水平螺旋钻机钻头、螺旋钻杆连接，在水平螺旋钻机掘土顶进的过程中，由水平定向钻机钻杆为水平螺旋钻机钻头、螺旋钻杆提供按设计轨迹方向的拉力，以确保顶管方向的准确性。为达到平衡地下水压力和土压力、润滑顶管外壁、冷却钻头的目的，需使用触变减阻膨润土泥浆。施工过程中应监控和维持泥浆粘度、比重、固相含量等技术参数。
3.成品管的选择本工程顶管采用F型钢承口式钢筋砼管，接口采用楔形橡胶圈，该接口形式是非常可靠的。选材尺寸精度和密封都符合设计要求。
4.顶管工作坑设施基坑导轨应具有足够的强度和刚度。本工程基坑导轨是设备原装进口可保证满足刚度和强度要求。在底板基础上应事先预埋钢板，预埋钢板的位置与基坑导轨相吻合，以便导轨与之焊接。预埋钢板上的锚固钢筋要焊牢并有足够的锚固强度，导轨安放后，还应在二侧用型钢支撑好，必要时再浇筑混凝土，确保导轨在受撞击的条件下，不走动，不变形。
承压壁是承受和传递全部顶力的后座墙，更应具有足够的强度和刚度，并有足够安全度。本工程的承压壁设计先用混凝土浇平，后靠钢板用δ＝70钢板，在钢板和混凝土平面之间衬满堂50mm松木板，承压壁的面积H×B＝3.4×3.4m。
洞口止水装置在洞口外侧，要设置钢封门，钢封门采用16#槽钢，密排布置，在洞内侧，根据设计要求，先制作钢筋混凝土墙，再砌砖墙，顶进开门时，用风镐破除钢筋混凝土墙和砖墙，不留隐患。
5.平面布置本工程采用16T汽车吊，在实行全封闭隔离，并建必要的生产临时设施。要保持施工现场的文明、安全和卫生整洁。
6.最大顶推力及其限制措施本工程主顶液压系统最大顶推力根据顶管允许顶力设置；对DN1000最大顶推力F＝3000KN；限制措施为控制液压系统的压力；由于限制的系统压力较小，所以液压系统的故障将大大减小，顶管的可靠性也相应提高。当液压系统的压力达到F时，主顶液压控制台将报警，以满足限制最大顶力的措施。
第三节 施工总结施工设备于2006年5月30日进场，6月7日前主要完成各项准备工作，8日开始正式施工，14日完成顶进120米，各项指标满足业主要求。120米长DN1000钢筋混凝土管的顶进压力仅为1000psi(约92吨)，正常情况下每日可顶进30米。实践证明该施工方法工艺科学合理，操作方便，顶管方向准确，工作效率高。
权利要求
1.一种水平螺旋钻机与水平定向钻机协同工作顶管施工方法，其特征在于首先利用水平定向钻机(1)在接收井(2)一侧沿待铺管线的设计轨迹(3)钻成一个先导孔至顶管工作井(4)内，然后在工作井(4)内将水平定向钻机(1)的钻杆与水平螺旋钻机(5)的钻头、螺旋钻杆连接，水平螺旋钻机(5)在掘进顶管过程中水平定向钻机(1)同步牵引，使管线始终按照水平定向钻机(1)先导孔的待铺管线的设计轨迹(3)前进，最终完成要求精确标高控制的管线铺设。
2.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于在水平定向钻机钻先导孔前，应用地下管线探测仪对现有地下管线分布和地下障碍物进行探测。
3.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于水平定向钻机的钻杆通过分动连接器、探棒室与水平螺旋钻机的钻头、螺旋钻杆连接。
4.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于在水平螺旋钻机在掘进顶管过程中，应用导向控测仪实时监测管线顶进状况。
5.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于在水平螺旋钻机在掘进顶管过程中，水平定向钻机向土体注入膨润土减阻润滑触变泥浆。
全文摘要
本发明公开了一种水平螺旋钻机与水平定向钻机协同工作顶管施工方法，该方法首先利用水平定向钻机在接收井一侧沿待铺管线的设计轨迹钻成一个先导孔至顶管工作井内，然后在工作井内将水平定向钻机的钻杆与水平螺旋钻机的钻头、螺旋钻杆连接，水平螺旋钻机在掘进顶管过程中水平定向钻机同步牵引，使管线始终按照水平定向钻机先导孔的待铺管线的设计轨迹前进，最终完成要求精确标高控制的管线铺设。本发明具有工艺科学合理，操作方便，顶管方向准确，工作效率高等特点。
文档编号F16L1/00GK1865650SQ20061003604
公开日2006年11月22日 申请日期2006年6月22日 优先权日2006年6月22日
发明者刘明明 申请人:刘明明