CN103790595A - 一种用整条管道穿越城市障碍江河的钻机 - Google Patents

Abstract

一种用整条管道穿越城市障碍江河的钻机，由泥浆马达、减速机转动钻进系统，导向系统、正反斜卡盘夹紧管道系统、推牵拖车系统、监控系统等组成，钻机主要有泥浆马达、减速机转动钻进系统，导向系统、正反斜卡盘夹紧管道系统、推牵拖车系统、监控系统逐序连接，用整条管道穿越城市障碍江河的钻机，改变了用钻杆钻孔，反复括孔回拖穿越管道传统烦琐工艺，做到了用整条管道钻孔、导向、穿越一次完成。

Description

一种用整条管道穿越城市障碍江河的钻机

技术领域

本发明涉及埋地管道施工的一种用整条管道穿越城市障碍江河的钻机，属于埋地管道穿越施工技术领域。

背景技术

目前埋地管道穿越施工技术领域的钻机的较多，技术较为先进的如顶管掘进机，RB一5、RB一3大、中型定向钻，管道曲线钻孔装置等：

顶管掘进机是从日本引进的技术，顶管施工时大部分是管中可以进人操作的较大管径。拙进机靠液压油缸顶进，钻下来的岩土在机械头中加水粉碎，用泵在穿越管道中另设管道排出到地面或用人工清理。顶管距离在100m一200m之内，存在着工期长，距离短，费用高的问题。

RB一5、RB一3大中型定向钻是从美国引进的技术设备。它是用泥浆马达作为钻削动力，方向靠设在钻头后面一根弯成1.5°度弯的钻杆来导向控制的。

施工时先一根根接钻杆钻导向孔到河对岸，在对岸接括孔器，又一根根接卸钻杆回拖，并用车把钻杆拉过河到对岸，在一根根卸接钻杆反复括孔。每次括孔4一6英寸。穿越一条管径φ711毫米的管道，得括5次孔，在却印没有塌孔才能回拖管道。在回拖管道时，由于钻导向孔时直接钻通河两岸，造成泥浆没有反流速度，括孔下来的泥土全都散落在井孔中，不能用泥浆带出地面。由于反复括孔产生井孔壁松动，在井孔壁中容意形成部分塌孔。在遇有粗砂和中砂地层时，得打竖向井孔向下注入固化剂，把砂层固化住，才能钻孔。不能穿越含有部分河卵石的地层。这些严重问题属于设技上钻机存在的机械和工艺上的缺陷。因此在回拖管道时却认井孔中没有塌孔，才能回拖穿越管道。如穿1KM，管径φ711毫米管道，如有塌孔，连续3班倒，钻7昼夜括成的井孔就得废掉，得从新钻孔，损失很大。不然在回拖管道时容易造成卡钻，在井孔中的管道和钻杆都得全部损失掉。

“RB一5大型钻机设备庞大，自重达170吨。般迁一次耗资百万元以上。占地面积大，有永久性占地。因此它的应用范围受到以上几项指标的限制”。摘自《余彬泉、陈传灿编著；人民交通出版社发行的顶管施工技术》。

管道曲线钻孔装置；是一项新技术。由于技术不成熟，设技上有缺陷，应用时两台减速机组合用电动机转动，不能同步。没设反向卡盘，无法及时回拖穿用管道。停留几个小时后，产生缩孔，由于括孔支板回收卡住，收不回来，卡钻，造成失败。没有得到应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用整条管道穿越城市障碍江河的钻机，用来解决其它钻机由于存在设技上的机械和工艺上的缺陷，穿越管道工期长，距离短，定向钻穿越粗砂、中砂地层时需要钻竖向井孔注入固化剂，费用高，不能穿越含有部分河卵石的地层，容易塌孔，造成卡钻失败的一系列问题。

本发明是这样实现的：由泥浆马达、减速机转动钻进系统，导向系统、正反斜卡盘夹紧管道系统、推牵拖车系统、监控系统组成：在钻机上由泥浆马达、减速机转动钻进系统，导向系统、正反斜卡盘夹紧管道系统、推牵拖车系统、监控系统逐序连接。

本发明还采用如下技术方案：

泥浆马达、减速机转动钻进系统和导向系统，包括有两片钢板弯弧型泥岩钻头2、牙轮钻头3上有顷斜牙轮21、轴承座20、平行牙轮19、平行牙轮轴承座24、泥浆喷嘴25、限粒径孔22、出泥浆孔23、钻头框架26、轴进泥浆孔32、进泥浆仓33、密封件27、轴承套28、轴承29、钻机空心轴30、轴球型转节36、导向轴42、减速机轴套43、减速机44、连轴节45、固定板46、泥浆马达47、泥浆管接头34、泥浆胶管35、供泥浆管16、泥浆泵15、泥浆箱14、发电机12、监控室11。管外壳31上有板万向节38、密封材料39、导向油缸40、油缸固定板41、液压站60、导向节4、变向倾角5。在括孔支板6上有滑行轴50、滑行轴支架56、滑行轴套48、滑行油缸49、板轴51、收顶板52、顶杆54、顶杆密封件53、夹线胶板55逐序连接，穿入地层1。

管外壳接头37上连有无磁管59、内装有导向仪58、螺帽57、穿用管道7、监控电缆17、液压站60。

正反向斜卡盘夹紧管道系统、推牵拖车系统装在H型钢组合推牵结构68上运行有推进拖车10和牵引拖车13上分别装有一对正反向斜卡盘65和66、斜卡盘支板82、斜支板轴71、斜卡盘支板油缸67、管夹80和穿越管道7之间有夹线胶板55、推进拖车10上装有两台以上二级推进减速机72、油马达81、在二级推进减速机轴73上装有圆柱齿轮63、轴销板75、圆柱齿轮轴销孔64、圆柱齿轮轴销76。槽钢77、筋板78、底板79、小轴74、H型钢组合推牵结构68上还装有滑轮支架61、滑轮轴62、滑轮8和滑轮18、钢丝绳9穿绕过滑轮8和18、钢丝绳固定点70、一端固定在推进托车10上、钢丝绳9，经钢丝绳方向标69、另一端钢丝绳固定点70、固定在牵引拖车13上。

监控系统由泥浆马达47、减速机44转动钻进系统、，导向系统、正反向斜卡盘夹紧管道系统、推牵拖车系统、监控电缆17、监控室11、等组成。

本发明的优点在于：用整条管道穿越城市障碍江河的钻机，利用泥浆泵供泥浆的泥浆压力，转动设在整条穿越管道前端的泥浆马达、减速机，减速机轴套、导向轴、轴球型转节、转动钻机轴端的牙轮钻头或两片钢板弯弧型泥岩钻头，钻入岩石地层或泥土地层。改变了管道曲线钻孔装置用大功率油侵电机，在管道中长距离穿入直径φ50毫米以上电缆，烦琐工艺和用直径φ50毫米以上的电缆所造成的浪费。改变了美国引进定向钻那种一根根接钻杆，钻导向孔到河对岸，又用车把钻杆倒运到河对岸，在河两岸一根根接卸钻杆，反复回拖括孔器，括孔的烦琐传统工艺。必免定向钻塌孔和管道曲线钻孔装置由于括孔支板回收卡住，收不回来，造成卡钻失败问题。

导向系统：在导无磁管中安装了导向仪，经监控电缆把穿越管道向前钻进过程中的垂深、转角、和方向偏差等数据提供在电脑屏幕上，以便监控室操作人员根据数据起动液压站、供油给导向油缸、推动设在管外壳内的油缸固定板、板万向轴、带动导向节、改变变向倾角的角度，来实现导向纠偏，按照设计穿越线路钻进。

正反向斜卡盘夹紧管道系统：在推进拖车和牵引拖车上各设一对正反向斜卡盘，用于推进和回拖穿越管道。

本发明其特在于：创新了穿越管道用推牵拖车系统，推进和回拖穿越管道的方法。实现了一套推进机械向前运行或向后运行时，均可以一直向前推进穿越管道。需要拖回穿越管道时，推进机械向后运行或向前运行时，均可以一直向后拖回穿越管道。使穿越管道在井孔中停留时间由以前15分钟以上，缩短到1分钟以内，减少和必免了穿越管道在井孔中因停留时间长，造成粘吸卡钻事故。创新了穿越管道的推牵和回拖方法是这样实现的：

在H型钢组合推牵结构上运行有推进和牵引拖车，在推牵拖车上都装有一对正反向斜卡盘、在推进拖车上安装了两台以上二级推进减速机、油马达、二级推进减速机轴上装有圆柱齿轮、沿设在H型钢组合推进结构上轴销板、圆柱齿轮轴销孔、圆柱齿轮轴销转动，带动推进拖车向前运行。在H型钢组合推进结构两端安装滑轮支架、和装有四组滑轮，用钢丝绳一端，钢丝绳固定点固定在推进拖车上。钢丝绳另一端穿绕过两端的滑轮，将钢丝绳固定点固定在牵引拖车上。在推进拖车上的穿越管道用正向斜卡盘夹紧向前推进时，钢丝绳同时牵动牵引拖车，在穿绕过两端滑轮的作用下，改变了运行方向，向相反方向等距离运行。推进拖车向前运行一定距离时停下来，松开正向斜卡盘，拖离穿越管道。这时设在牵引拖车上的正向斜卡盘，夹紧穿越管道。在推进拖车向后运行退回时，同时牵动用正向斜卡盘夹紧穿越管道的牵引拖车，等距离向前运行。这样推进拖车向前或向后运行，均能向前推进穿越管道。需要退回穿越管道时，推进拖车向后或向前运行，均能向后退回穿越管道。这样两个推牵拖车在钢丝绳的牵引下，机械效率就能提高两倍，这就是发明的有益效果。

必免了管道曲线钻孔装置在钻进系统有问题时，由于没设反向卡盘，无法回拖穿越管道，造成卡钻失败的问题。实现了用两台以上组合减速机，用油马达转动能同步的问题。解决了用电动机转动两台以上减速机不能同步的问题。

改进了括孔支板结构，用设在滑行支架上的滑行轴上的油缸推拉滑行轴套，驱动收顶板和顶杆，可以随时收顶括孔支板。回拖穿越管道时可使括孔支板收回，贴紧穿越管道，必免因括孔支板回收不回来，造成卡钻事故。

本发明其特征在于：提供一种用整条管道穿越城市障碍江河的钻机。由泥浆马达转动减速机转动钻机轴端的牙轮钻头或两片钢板弯弧型泥岩钻头。牙轮钻头周边是倾斜牙轮，偏中是平行牙轮，设有限粒径孔，较大石块由牙轮碾压碎后才能排出限粒径孔，能通过穿越管道与井孔的环形空间被流动泥浆带出地面。

本发明主要有泥浆马达、减速机转动钻进系统，导向系统、正反斜卡盘夹紧管道系统、推牵拖车系统、监控系统等组成。

由于管道曲线钻孔装置没有成功案例，只能与以有的从美国引进的RB一5、BR一3型定向钻几项指标进行一下比较：

一、引进一台RB一5型定向钻需人民币叁仟万元。组装一台同样功率的钻机，需人民币壹佰玖拾伍万元。投资用比例为1／15。

二、RB一5型定向钻用液压马达牵引力为400T，所需功率为430KW，而本发明的钻机用油马达转动二级推进减速机牵引力为400T，所需功率为80KW，输入功率对比比例为5：1。

三、RB一5型定向钻般迁一次费用高大佰万元以上。而本发明般迁同样距离所需费用在拾万元以内，比例为10：1。

四、RB一3型定向钻引进一台需人民币壹仟伍佰万元。而组装一套本发明同等功率的钻机需人民币壹佰伍拾万元，投资对比比例为10：1。

五、RB一3型定向钻用液压马达牵引力为150T所需功率230KW。而本发明钻机用油马达转动二级推进减速机，所需功率35KW。对比比例为6：1。

六、RB一5型定向钻穿越一条管径φ711毫米，距离1KM。需七昼夜连续三班导作业，在却认没有塌孔时，才能完成。而本发明穿越一条管径φ711毫米，距离1KM可在24小时内完成。对比比例为7：1。如果RB一5型定向钻穿越一条管径φ711毫米，距离1Km。粗砂或中砂地层，需要钻一排竖向井孔，注入固化剂，每米管道穿越费用平均需要壹万元以上。而本发明钻机可以直接穿越粗砂和中砂地层，每米平均费用不到伍佰元。对比比例为20：1。

七、本发明施工费用与RB一3中型定向钻对比，穿越一条管径φ711毫米，距离1KM。比例为1：5。如果同样穿越一条管直径φ711毫米，距离1KM。粗砂或中砂地层，费用对比比例也是1：20。

经过已上七项指标：本发明与目前处在世界先进地位的美国引进的定向钻RB一5，RB一3大、中型定向钻相比对：改变了反复一根根接卸钻杆，括几次井孔的烦琐传统工艺，做到钻孔、导向、穿越管道一次完成。由于钻进方法的改变和穿越管道的推牵方法的创新；本发明的实用价值和经济效益等方面均占有很明显优势和有益效果。

附图说明

图1、本发明组装结构示意图。

图2、钻机结构剖示图。

图3、导向结构剖示图。

图4、导向仪、无磁管接头、液压站、进泥浆管结构剖示图。

图5、正反向斜卡盘夹紧管道、推进牵引拖车机械结构剖示图。

图6、A一A图5斜卡盘夹紧管道、推牵机械结构旋转剖面图。

结合附图进一步说明：

主要由地层1、两片钢板弯弧型泥岩钻头2、牙轮钻头3、导向节4、变向倾角5、括孔支板6、穿越管道7、滑轮8、钢丝绳9、推进拖车10、监控室11、发电机12、牵引拖车13、泥浆箱14、泥浆泵15、供泥浆管16、监控电缆17、滑轮18、平行牙轮19、轴承座20、倾斜牙轮21、限粒径孔22、出泥浆孔23、平行牙轮轴承座24、泥浆喷嘴25、钻头框架26、密封件27、轴承套28、轴承29、钻机空心轴30、管外壳31、轴进泥浆孔32、进泥浆仓33、泥浆管接头34、泥浆胶管35、轴球型转节36、管外壳接头37、板万向节38、密封材料39、导向油缸40、油缸固定板41、导向轴42、减速机轴套43、减速机44、连轴节45、固定板46、泥浆马达47、滑行轴套48、滑行油缸49、滑行轴50、板轴51、收顶板52、顶杆密封件53、顶杆54、夹线胶板55、滑行轴支架56、螺帽57、导向仪58、无磁管59、液压站60、滑轮支架61、滑轮轴62、圆柱齿轮63、圆柱齿轮轴销64、正向斜卡盘65、反向斜卡盘66、斜卡盘支板轴缸67、H型钢组合推牵结构68、钢丝绳方向标69、拖车钢丝绳固定点70、斜支板轴71、二级推进减速机72、二级推进减速机轴73、小轴74、轴销板75、圆柱齿轮轴销76、槽钢77、筋板78、底板79、管夹80、油马达81、斜卡盘支板82等组成。

具体实施方式

一、按地质资料和设计穿越标准，制定施工方案：

根据施工方案结合施工场地的具体状况，作好施工前的各项准备工作、设备机具检修与布置、施工技术人员的安排、作到分工明确，各种技术数据输入电脑，作出一个完整的施工方案。

二、各种管道的组装，技具的布置，钻机和穿越管道的连接组装和联合调试。

穿越管道的组装、焊接、质检、试压、防腐、通球合格后，穿入组装焊接、试压合格的和供泥浆管16捆扎在一起的监控电缆17、连接管外壳接头37、无磁管59、穿越管道7。按向下倾斜2°一3°挖作业坑，安装H型钢组合推牵结构68、推牵拖车、正反斜卡盘、穿越管道7、接通监控电缆17和监控室11、进行连合调试。

三、由泥浆马达、减速机转动钻进系统：

进行管道穿越施工时，按以下顺序进行；由监控室11、起动发电12、泥浆泵15、吸泥箱14的泥浆，注入穿越管道7内的供泥浆管16、经管外壳接头37、无磁管59、管外壳31、泥浆胶管35、泥浆管接头34、泥浆马达47、固定板46、连轴节45、减速机44、减速机轴套43、导向轴42、轴球型转节36、转动钻机空心轴30、轴承29、轴承套28、经密封件27、转动两片钢板弯弧型泥岩钻头2或牙轮钻头3上的钻头框架26、倾斜牙轮21、轴承座20、平行牙轮轴承座24、平行牙轮19、碾压碎岩石，由泥浆马达47、排出的泥浆经泥浆胶管35、泥浆管接头34、进泥浆苍33、轴进泥浆孔32从泥浆喷嘴25喷出，把碾碎岩石从限粒径孔22用泥浆从井孔与穿越管道7的环型空间经地层1、带出地面。

四、导向系统：

由无磁管59中的导向仪58经监控电缆17、把穿越管道在钻进过程中的垂深、转角、方向偏差等数据提供在电脑屏幕上，以便监控室11、操作人员根据数据起动液压站60、供油给导向油缸40、推动设在管外壳31内的油缸固定板41、板万向轴38、带动导向节4、改变变向倾角5的角度，来实现导向纠偏，按照设计穿越线路钻进。

五、正反斜卡盘夹紧管道系统：

在推进拖车10上装有一对正反向斜卡盘65和66、在牵引拖车13上也装有一对正反向斜卡盘65和66、正反向斜卡盘均用于夹紧穿越管道7、用推牵拖车10和13、推进和回拖穿越管道7。

六、推牵拖车系统：

在H型钢组合推牵结构68上运行有推进拖车10和牵引拖车13上都装有一对正反向斜卡盘65和66、均用于推进和回拖穿越管道7。推进拖车10上装有两台以上二级推进减速机72和油马达81、二级推进减速机轴73上装有圆柱齿轮63、沿H钢组合推牵结构68、装有轴销板75、圆柱齿轮轴销孔64、圆柱齿轮轴销76、用正向斜卡盘65、夹紧穿越管道7、向前推进。在H型钢组合推牵结构68两端安装滑轮支架61、安装四组滑轮8和18、用钢丝绳9的一端钢丝绳固定点70、固定在推进拖车10上。另一端钢丝绳固定点70、穿绕过滑轮8和滑轮18、固定在牵引拖车13上。在推进拖车10用正向斜卡盘65夹紧穿越管道7、向前推进同时，由钢丝绳9牵动牵引拖车13、在钢丝绳9穿绕过滑轮8和18的作用下，改变了牵引拖车13的运行方向，向相反方向，向后等距离运行。推进拖车10向前运行一定距离停下，松开正向斜卡盘65、拖离开穿越管道7时，牵引拖车13用正向斜卡盘65夹紧穿越管道7。推进拖车10、向后退回时，牵引拖车13向前推进穿越管道7。这样推进拖车10、向前或向后运行，均可向前推进穿越管道7。使穿越管道在井孔中停留时间由以前15分钟以上，缩短到一分钟以内，减少或必免了粘吸卡钻事故。

需要向后退回穿越管道7、改用反向斜卡盘66、夹紧穿越管道7、从复以上操作方法，推进拖车10、向后运行或向前运行，推牵拖车10和13、均可一直向后退回穿越管道7。

七、需要向后退回穿越管道7、由设在滑行轴支架56、滑行轴50上的滑行油缸49、推拉滑行轴套48、板轴51、推动收顶板52、经顶杆密封件53、顶拔出顶杆54、缩回括孔支板6。

八、监括系统：

由监控室11、发电机12、监控电缆17、监控由泥浆马47、减速机44、转动钻进系统：导向系统：正反向斜卡盘夹紧管道系统：推牵拖车系统等组成。

Claims (5)

1.一种用整条管道穿越城市障碍江河的钻机，其特征的于：由泥浆马达、减速机转动钻进系统，导向系统、正反斜卡盘夹紧管道系统、推牵拖车系统、监控系统、逐序连接。

2.根据权利要求1所述的一种用整条管道穿越城市障碍江河的钻机，其特征在于：正反斜卡盘夹紧管道系统和推牵拖车系统包括有H型钢组合推牵结构(68)两端有滑轮支架(61)、滑轮(8)、滑轮(18)、钢丝绳(9)的一端穿绕过滑轮(8)和滑轮(18)、钢丝绳固定点(70)固定在推进拖车(10)上、另一端钢丝绳固定点(70)、固定在牵引拖车(13)上、H型钢组合推进结构(68)上运行的有推进拖车(10)和牵引拖车(13)上装都有一对正反向斜卡盘(65)和(66)、穿越管道(7)、在推进拖车(10)上装有两台以上二级推进减速机(72)、油马达(81)、二级推进减速机轴(73)上装有圆柱齿轮(63)、沿装在H型钢组合推进结构(68)上的轴销板(75)、圆柱齿轮轴销(76)、带动推进拖车(10)、用正向斜卡盘(65)、夹紧穿越管道(7)、向前运行，同时钢丝绳(9)、在穿绕过滑轮(8)和(18)、的作用下、另一端钢丝绳固定点(70)、牵动牵引拖车(13)、向相反方向等距离向后运行、推进拖车(10)、停下松开正向斜卡盘(65)、同时牵引拖车(13)上用正向斜卡盘(65)、夹紧穿越管道(7)，推进拖车(10)向后退时牵动牵引拖车(13)向前运行，推牵拖车(10)和(13)、前后往复运行可一直向前推进穿越管道(7)、也可一直向后拖回穿越管道(7)。

3.根据权利要求1所述的一种用整条管道穿越城市障碍江河的钻机，其特征在于：钻进系统包括有牙轮钻头(3)周边倾斜牙轮(21)偏中有平行牙轮(19)、限粒径孔(22)。

4.根据权利要求1所述的一种用整条管道穿越城市障碍江河的钻机，其特征在于：设在整条穿越管道前端管外壳(31)内、装有泥浆马达(47)减速机(44)经导向轴(42)、轴球型转节(36)、钻机空心轴(30)转动牙轮钻头(3)或两片钢板弯弧型泥岩钻头(2)。

5.根据权利要求1所述的一种用整条管道穿越城市障碍江河的钻机，其特征在于：括孔支板(6)由滑行轴支架(56)、滑行轴(50)上滑行油缸(49)、推拉滑行轴套(48)、板轴(51)、收顶板(52)、顶杆密封件(53)、拔出顶杆(54)、缩回括孔支板(6)、贴紧穿越管道(7)、回拖穿越管道(7)时不卡钻。

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