水平定向鉆施工作業中的有關計算2007年02月12日來源：中國水協設備網[摘要]：本文結合實際施工實例，詳細，全面，列舉了水平定向鉆施工作業中的有關計算，為施工的順利完成提供了數據保障。對于工程施工有重要的指導意義。[關鍵詞]：水平定向鉆鉆徑軌跡計算隨著全國市政建設的高速發展，市政公用設施——城市地下管線的修復更換，安裝完善工作也得以高速發展。隨著人們環境意識的增強，無開挖，無污染，高速高效施工方法——水平定向鉆頂管敷管法已在全國范圍高速發展，水平定向鉆施工企業也在全國迅速膨脹，水平定向鉆施工技術，實際操作經驗也逐漸提高。為適應這樣趨勢，本文匯總了水平定向鉆施工作業中的相關計算，與施工作業者討論。1管重及回拖力計算（1）．管子重量計算：計算管子重量時，查找各種材料手冊比較方便。也可用以下公式進行計算；Q=π(DW-S)Sγ/1000對于鋼管則用下式計算重量：Q=S(DW-S)式中Q——管子重量,㎏/mDW——管子外徑，mmS-——管子壁厚，mmγ-——管子材質密度，t/m3，如鋼取，鑄鐵?。?）．所需回拖力計算：回拖產品管線所需回拖力也就是管壁和孔壁之間摩擦力w，其由下式計算；w=[2p(1+ka)+p0]fL式中：w——管壁和孔壁之間摩擦力，KNp——土對每米管道壓力,KN/mka——主動土壓力系數，一般取p0——每米管道重量,KN/mf——管壁和孔壁之間摩擦系數,02~L——管道長度，m由上式可知，摩擦力主要取決于土對管道壓力p和摩擦系數f的大小。土對管道壓力主要與土層的性質和導向孔的曲率有關。沙土的粘聚力小，對管道的壓力大，p一般按所敷管線直徑1~2倍高度土質量計算；粘性土的粘聚力大，對管道壓力小，p一般按所敷管線直徑~1倍高度土質量計算。導向孔的曲率半徑R對p影響也較大，但當R﹥1200D（D為管線直徑）時，可以不考慮其影響。2、鉆徑軌跡的設計計算：鉆徑軌跡的計算是施工作業成敗的關鍵環節。其是頂鉆施工實際操作的理論指導依據。只有合理的，切乎實際的正確計算，嚴格按其操作，才能保證施工作業的圓滿成功。鉆徑軌跡的設計計算是建立在回拖產品管線的抗拉強度，彎曲半徑以及使用鉆機大小，回拖能力，鉆桿彎曲極限和施工土壤結構等眾多因素基礎之上的，是一項綜合性計算。在實際操作中，施鉆人員應根據地下障礙管線，和場地具體情況，結合土壤結構等眾多因素，合理規劃計算出每根鉆桿的頂鉆角度，深度，然后按其逐步施工。對于實際操作中和設計計算不否者，要在滿足地下障礙管線安全前提下，重新進行計算，以至施工完畢。例如：進行一個特定的水下穿越，測量水最深處為米，客戶要求在水下留米距離，回拖產品管線為de200pe管，進行鉆進軌跡計算。根據施工條件，我們選用回拖力為15噸鉆機進行施工，鉆桿為米，彎曲度為3°/每根，每根3°的變化將改變深度變化為⊿y=sin3°×3M。設定入鉆角度為-15°，為作出過渡曲線及使鉆頭在目標深度水平，需要5根鉆桿（如圖）。要求計算鉆機的最小回退距離L=？我們知道兩個已知量入鉆角度-15°，目標深度9米5根鉆桿以3°/每根的過渡曲線產生的深度變化為：-15°變為-12°產生的深度變化：⊿y1=sin（15°+12°）/2×3M。-12°變為-9°產生的深度變化：⊿y2=sin（12°+9°）/2×3M。-9°變為-6°產生的深度變化：⊿y3=sin（9°+6°）/2×3M。-6°變為-3°產生的深度變化：⊿y4=sin（6°+3°）/2×3M。-3°變為0°產生的深度變化：⊿y5=sin（3°+0°）/2×3M?？傆嬌疃茸兓癁椋酣Sy=⊿y1+⊿y2+⊿y3+⊿y4+⊿y5=由圖知：B=-⊿y=A=Bctg15°=×ctg15°=L=A+15=米所以，在入鉆角度為-15°時，頂鉆起始位置需距河中心米。在以上計算中，只是理論計算，而在實際操作中，可能由于水層下面的土質較軟，或是淤泥，每根鉆桿3°的變化很難保證，其將導致在目標深度處，鉆頭難以水平，為此在實際施工中，我們可適當根據情況調整鉆頭前進路線。在鉆徑軌跡計算方面，各大廠商同時提供計算軟件，其對施工人員有較好的指導意義，但其有局限性，在不同的地域土壤結構，不同的施工地理條件，不同的設備材料下，不能一概而論，因此，在實際操作中，我們要根據條件，合理修正計算參數，讓理論計算更加接近實際。3、進尺速度計算（1）井筒體積計算公式為：V=D2×L/25式中：V——井筒體積，加侖/英尺D——井孔直徑，英寸L——井孔長度，英尺（2）泥漿體積流量計算公式為：Q=V×f式中：Q——泥漿體積流量，加侖V——井筒體積，加侖f——流量因素其中流量因素f是指由于土壤結構不同產生的泥漿流失或滲失而耗掉的泥漿流量，f取值為1~5，一般情況沙土：f取1~黏土：f取3~5隨著土壤塑性的增大，密實度的增加，f取值增加。井孔越長，f取值越大。（3）進尺速度計算最大的鉆孔速度取決于井筒尺寸，井下工具，地層條件，泥漿泵的容量和效率，鉆井液的黏度以及流量因素。在保持環流并且避免泥漿泵超負荷所需要的每節鉆桿的最快鉆孔時間（進尺速度）為：T=井筒體積V×流量因素f泵的速率×泵送效率式中：V——井筒體積，加侖/英尺T——進尺速度，分鐘/英尺泵的速率——加侖/分鐘其中泵送效率與泥漿的黏度系數有關。廠商設備出廠的泥漿泵的額定排量是以海平面高度水的泵送量為基礎（水的馬氏漏斗黏度為26秒/夸脫）。在實際操作中，按以下方式估算泥漿黏度的增加對泥漿泵效率構成的影響：黏度每增加1秒/夸脫，相應的以制造商標定的額定排量為基礎減小1%，也就是泥漿泵效率下降1%。例：建設方需在低塑性，中等硬質黏土中安裝一根16英寸的水管，承包商使用的是鉆桿長度為15英尺/每根，鉆桿直徑為英寸的鉆機進行施工，泥漿泵的額定排量為150加侖/分鐘。要求計算將英寸導向孔一次性擴孔到24英寸的最快擴孔速度？根據條件：低塑性，中等硬質黏土，流量因素取f=3配置鉆井液黏度為50秒/夸脫井筒體積V=D2×L/25=24×24/25=23加侖/英尺需要的泥漿體積流量：Q=V×f=23加侖/英尺×3=69加侖/英尺69加侖/英尺×15英尺/每根鉆桿=1035加侖/每根鉆桿差值：50秒/夸脫-26秒/夸脫=24秒/夸脫泵送效率：100%-24%=76%調整泵的額定排量：150加侖/分鐘×76%=114加侖/分鐘進尺速度：T=1035加侖/每根鉆桿÷114加侖/分鐘=分鐘/每根鉆桿因此，在將英寸導向孔一次性擴孔到24英寸時，擴孔速度必須以分鐘/每根鉆桿的速度進行或者更低的速度進行，才能保證在泥漿泵額定排量范圍內井孔內泥漿量達到足夠。如果在速度計算中僅依照井筒體積和泥漿泵的額定排量計算，而不進行調整，進尺速度為：23加侖/英尺×15英尺/每根鉆桿÷150加侖/分鐘=分鐘/鉆桿對以上計算結果進行比較，數值相差很大，如果未正確進行計算，而盲目施工，將難以保證井孔內泥漿量達到足夠，直接導致回拖產品管線失