郭贤松
（珠海电力设计院有限公司 广东珠海 519000）
摘要：水平定向钻机是一种重要的非开挖工程机械，广泛运用于各种管道的铺设，其中扩孔器作为钻机的一个关键部件，主要起到导向成孔、扩孔和清孔的作用。因地制宜地选择结构合理的扩孔器，不仅能快速、安全、高质量的扩孔，而且能达到减少回拖成品管的阻力，降低穿越风险的目的。本文就电缆工程中非开挖钻机不同扩孔器在砾砂土层中适应性进行实例分析。
关键词：非开挖、水平定向钻、挤扩式扩孔器
1 水平定向钻穿越施工的基本特点
水平定向钻机是在不开挖地表面的条件下，铺设多种地下公用设施（管道、电信光缆、电缆等）的一种施工机械，它广泛应用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等管线铺设施工中，在天然气、石油管线铺设管线方面已经有了较成熟的设计、施工经验，例如在西气东输二线南昌-上海支干线第八施工标段SHlk092b～SHlk095号穗轮村定向钻穿越工程中，穿越长度960米、管径Ф1016mmx21mm，在哈尔滨-沈阳输气管道工程（长春-沈阳段）--辽河1定向钻穿越工程中，水平定向钻成功穿越大辽河，穿越长度1515米、管径Ф1016mmx21mm；但在电缆管线铺设方面，近几年才在大中城市中才逐渐较多采用这种施工工艺，水平定向钻施工具有如下几个特点：
1）定向钻穿越施工具有不会阻碍交通、不会破坏绿地、植被、不会影响工厂、医院、学校和居民的正常生活和工作秩序，解决了传统开挖施工对居民生活的干扰，对交通、环境、周边建筑物基础的破坏和不良影响。
2）现代化的穿越设备的穿越精度高、易于调整敷设方向和埋深、管线弧形敷设距离长、完全可以满足设计要求埋深，并且可以使管线绕过地下的障碍物。
3）可用于穿越大型河流，埋管深度不仅能满足河流通航等级要求，而且对周围环境影响较小，不破坏地貌和环境，适用环保的各项要求。
4）采用水平定向钻机穿越施工时，没有水上、水下作业，不影响江河通航，不损坏江河两侧堤坝及河床结构，施工不受季节限制，具有施工周期短、人员少、成功率高施工安全可靠等特点。
5）与常规大开挖施工方法相比，进出场地速度快，施工场地可以灵活调整，尤其在拥挤城市施工时可以充分显示出其优越性，并且机械占地少、噪声低、施工速度快，能带来较好的社会效益和经济效益。
2 扩孔器施工工艺及工作原理
水平定向钻穿越铺管方法是目前非开挖铺管技术方法中的重要方法之一，该工艺方法中一般要经历三个阶段：一是导向孔施工，二是一级或多级预扩孔，三是成品管回拖。可以说，导向孔完成后，扩孔是非常关键而且工作量最大的一道工序，而扩孔作业的关键则是根据实际条件，选择高效、安全的扩孔器。
扩孔器在工作过程中，回拖机构将回拖力和旋转扭矩作用于扩孔器，使其产生前进运动和回转运动。扩孔器的前进运动需要克服土体对它的正压阻力和摩擦阻力，造成扩孔器周围土体颗粒受压缩而变形，对扩孔器前端产生阻力，随着扩孔器贯入阻力的增大，前端的土体所受的压力超过其抗剪强度时，土体会发生剧烈的变形a直至达到极限破坏。这种极限破坏对粘土产生塑性流动，对砂型土产生挤蜜侧移和向前拖拽。原来处于扩孔器前端的土体被向前和向外挤开，扩孔器继续贯入到前端的土体中，而扩孔器的回转运动则需要克服土体对刀具的抗力扭矩和土体对扩孔器表面的摩阻力扭矩，使得刀具切削搅动土体，并通过表面的摩擦作用剪切土体，从而形成一条达到设计条件的圆滑孔径，满足拖管的要求。
水平定向钻穿越预扩孔作业前应重点考虑以下三个方面的内容：扩孔器的使用寿命，每级扩孔时扩孔器产生的扭矩值，扩孔的效率及经济性。另外，扩孔过程对导向孔还具有一定的修正作用，如果导向孔只具有小角度的弯曲，经过选用适当的扩孔器，通过扩孔工序能达到较理想的圆滑孔。例如在软硬不均的地层，扩孔器易偏向软地层，即偏向阻力最小方向，长时间使用会造成扩孔器的损坏，因此遇到类似情况应合理选择扩孔器的类型。在工程中应根据岩层情况、穿越设备能力、扩孔的直径、穿越长度及使用的泥浆状况来进行灵活选择。
3 扩孔器的选用
目前，电缆工程中水平定向钻穿越施工中较常采用的扩孔器为挤扩式扩孔器。挤扩式扩孔器是一种表面有螺旋形凹形水槽的锥体，凹槽的流线型设计使泥浆易于流动、冷却和钻头自洁性好等特点。这类钻头一般适用于沙土、粘土及卵石等非硬岩土层中，它具有挤压和切削的双重功能，扩孔后成型好、寿命长，而且实践证明此类扩孔器在许多不良地层中应用效果良好，但在硬质砾砂土层中，扩孔器在前进运动和回拖运动中，受复杂应力作用，摆动较大、钻头磨损严重，容易发生钻杆疲劳断裂或卡钻现象。
在我院负责设计110kV柠溪新增电源工程中（110kV和220kV六回电缆同沟敷设，其中110kV电缆两回、220kV电缆四回），沿石花西路电缆土建施工部分路段（该路段靠近将军山脚下，表层以下5～10m覆盖有较厚的砾砂土层），水平定向钻施工过程中，钻机就出现了钻杆疲劳断裂及卡钻现象，并且扩孔器磨损严重，现场图片如下：
从现场反映情况可以看出，在砾砂土层中顶进及扩孔过程中，受砂土摩阻力作用，扩孔器上的牙轮合金钻头磨损严重（见图片一），甚至连扩孔器的冀板都出现磨损（见图片二）。
图片三 滚刀式扩孔器
4 结束语
在保障扩孔质量的前提下，如何快速、安全、有效地扩孔已成为水平定向钻穿越施工过程中工程技术人员关注的主要问题，可以说如何合理地选择扩孔器并正确地进行操作控制是问题的关键。在选择过程中，应根据穿越的地层条件、钻机及配套设备的功率配备、扩孔的最大直径、穿越长度以及泥浆的状况来进行灵活选择。因地制宜地选择结构合理的扩孔器及正确操作控制，不仅能快速、安全、高质量的扩孔，而且能达到减少回拖成品管的阻力，降低穿越风险，提高工作效率，能取得较好的社会效益和经济效益。
参考文献：
[1]蔡巍，林晓辉（东南大学机械工程学院）.水平定向钻扩孔器最优形状的研究.2007年12月 中国制造业信息化 第36卷 第23期。
[2]董霄 魏秦文 韩传军 赵楠 .水平定向钻穿越施工中扩孔器的优选及工程应用. 非开挖技术 ，第3期 2013年6月。
论文作者:郭贤松
论文发表刊物:《电力设备》2016年第12期
论文发表时间:2016/8/29
标签：水平论文; 砂土论文; 钻机论文; 阻力论文; 管线论文; 电缆论文; 地层论文; 《电力设备》2016年第12期论文;