CN104864177A - 一种非开挖钻顶结合管道穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非开挖钻顶结合管道穿越方法，它包括如下步骤：由水平定向钻机进行导向孔施工，确定管线轨迹；提供顶管机头，所述顶管机头包括圆柱形壳体，在壳体的前端设置有刀盘，所述刀盘通过设置在壳体内的液压动力系统驱动，在刀盘的前端设置有与钻杆相连的钻杆接头；在导向孔的出土端开挖导向坑，铺设导轨，顶管机头的两端分别与管道和钻杆连接并设置在导轨上；回拖扩孔铺管。本发明适应性强，导向简单，在不稳定地层中可以不用施工套管，可以对长距离管线进行一次性施工，且顶管机头的超挖量很小，形成较小的环形空间，润滑泥浆量也随之减少，不易引起地面沉降或隆起；整个工程可以一次性完成管线的铺设，施工速度快。

Description

一种非开挖钻顶结合管道穿越方法

技术领域

本发明涉及一种非开挖钻顶结合管道穿越方法。

背景技术

非开挖水平定向钻进技术在我国已普遍推广，并取得了显著的技术与经济效益，但是非开挖水平定向钻进过程中存在如下缺点：1、水平定向钻施工过程中，需要进行多次扩孔过程，大大增加了工作的时间，且容易发生孔内事故；2、非开挖施工的地质条件有时候非常复杂，尤其是卵砾石地层、中粗砂地层等，适应性不是很强；3、顶管技术的导向是采用顶管机头后面的导向油缸，在土体的抗力下使管道前进方向发生改变，这就要求土体有足够的抗力。在软土层中顶管导向容易发生偏差，而纠正这种偏差又比较困难，使管道容易产生不均匀下沉。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种适应性强、施工速度快、导向简单的非开挖钻顶结合管道穿越方法。

本发明所采用的技术方案为：一种非开挖钻顶结合管道穿越方法，其特征在于：它包括如下步骤：

S1、由水平定向钻机进行导向孔施工，确定管线轨迹；

S2、提供顶管机头，所述顶管机头包括圆柱形壳体，在壳体的前端设置有刀盘，所述刀盘通过设置在壳体内的液压动力系统驱动，在刀盘的前端设置有与钻杆相连的钻杆接头；

S3、在导向孔的出土端开挖导向坑，铺设导轨，顶管机头的两端分别与管道和钻杆连接并设置在导轨上；

S4、回拖扩孔铺管，具体为：在钻杆的牵引下，顶管机头的刀盘切削地层岩石，完成管道的铺设。

按上述技术方案，在水平定向钻机的一端设置有泥浆润滑系统，在钻杆的中心、钻杆接头的中心均设置有润滑泥浆运输通道，润滑泥浆运输通道依次延伸至刀盘、液压动力系统、壳体后与泥浆喷射环相连，在顶管机头工作时，润滑浆液被注浆泵通过钻杆的润滑泥浆运输通道泵入到泥浆喷射环，喷射到壳体与孔壁之间的环形空间，形成泥浆润滑套。

按上述技术方案，在导向孔的出土端设置有泥浆循环系统，在壳体内设置有送桨口与排桨口与泥浆循环系统相连通，在刀盘与壳体之间设置有锥形破碎盘，所述破碎盘固定设置在壳体内，在破碎盘上设置有多个与送桨口相连通的高压泥浆喷嘴，在破碎盘上设置有筛孔与排桨口相连通，在回拖时，泥浆被泵入到顶管机头刀盘的破碎盘处，用以支护孔壁、平衡地层压力，刀盘切削下的岩屑经过排浆口运送至地面泥浆循环系统的泥水分离净化装置，泥水分离净化装置使岩屑从悬浮液中分离出来，过滤后的泥浆再次被泵入到刀盘处的破碎空间，形成循环利用。

按上述技术方案，当水平定向钻机的回拖力不足以拖动顶管机头继续工作时，在钻杆出土端使用推管机，使顶管机头在水平定向钻机的拉力和推管机的推力双重作用下，继续破碎地层。

按上述技术方案，钻杆通过密封装置与钻杆接头密封连接。

按上述技术方案，所述液压动力系统包括内啮合式行星齿轮机构、固定在壳体上的液压马达，液压马达通过内啮合式行星齿轮机构驱动刀盘转动。

按上述技术方案，所述润滑泥浆运输通道依次通过钻杆接头、内啮合式行星齿轮机构的传动内齿轮、壳体的中心

本发明所取得的有益效果为：

1、通过更换刀盘或刀具，可以应对任何地质条件，适应性强

本发明是由水平定向钻机先进行导向孔施工，确定管线轨迹；再由顶管机头在水平定向钻机钻杆的拉力下一次性完成管道的铺设。导向孔施工对地层要求很低，基本可以适应所有地层。而本发明中的顶管机头可以通过更换刀盘或刀具，以应对任何地质条件，包括水平定向钻难以施工的于松散-密实沙砾石层（50%＜砾石含量＜85%重量比）、松散-密实的卵砾石地层以及含有大量孤石或障碍物地层，地层适应性很强。

2、在不稳定地层中可以不用施工套管

本发明是一次性铺设管道，即钻杆回拖顶管机头的过程也就是管线铺设的过程。因此管线经过的那些不稳定地层时，管道本身可以起到支撑作用，不用考虑因不稳定地层坍塌掉块而引起的事故。

3、可以对长距离管线进行一次性施工

在管线回拖过程中，钻杆牵引顶管机头沿着导向孔的轨迹铺设管道，牵引导向性能可靠；在水平定向钻拉力和推管机推力的合力作用下，钻顶结合方法一次性可施工的管线长度与水平定向钻可施工的管线长度相等，远大于传统顶管技术的一次性可施工长度.

4、环形空间小，对上部地层影响小

在回拖管道过程中，由于顶管机头的外径和管道的外径非常接近，使管道与孔壁之间只留有一个很小的环形空间，少量的用于润滑的泥浆充满环形空间。小的环形空间降低了因孔壁坍塌而造成地表沉降的可能，少量的泥浆则降低了敏感地层对钻进过程中泥浆用量的响应程度，可及时对敏感地层做出防护措施。因此，采用钻顶结合方法，在操作适当的情况下，可以避免对上部地层的影响。

5、一次性铺设管道，施工速度快

钻顶结合方法适用的管径范围很大，从500mm到1500mm不等。对于大直径管道，钻顶结合方法不像水平定向钻技术那样需要多级扩孔，只需施工导向孔后接着完成一次性回拖铺设管道。在通信管道、煤气管道、石油管道施工中，也不需要先进行钢筋混凝土管到的顶进，可以直接铺设目标管道，节省了大量辅助工作的时间和成本。

6、不用施工工作井

钻顶结合方法最大的优点之一就是不用施工工作井。顶管技术的工作井施工复杂、要求高、成本高，而且在施工程中容易发生涌水涌砂等工程事故。而钻顶结合方法只需要在出土端开挖一个导向用的工作坑，不用对周围土体进行支护；同时由于出土点距离地表只有很小一段高度差，因此也不需要进行洞口密封。因此，钻顶结合方法不用施工工作井可以大量节省人力、物力、财力，更快更好地完成工程需要。

7、曲线管段牵引导向简单

本发明采用的是水平定向钻的导向技术，导向孔施工比较容易，同时对地层没有很高的要求，之后进行的管道的回拖是在导向孔中钻杆的牵引下完成的，管道会沿着导向孔设计的轨迹前进，对土体抗力没有太高要求即可完成曲线段管道轨迹变化，解决了软土层地区的导向困难问题。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为钻导向孔的示意图。

图3为顶管机头的主剖视图。

图4为顶管机头的主视图。

图5、6为钻杆回拖牵拉导向示意图。

图7为泥浆循环系统示意图。

图8为泥浆润滑系统示意图。

图9为钻杆与顶管机头的密封示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例提供了一种非开挖钻顶结合管道穿越方法，它包括如下步骤：

S1、如图2所示，由水平定向钻机1进行导向孔穿越施工，确定管线轨迹，导向孔施工与水平定向钻的导向孔施工相似，即采用手提式地表导航仪或人工磁场来确定钻头所在的空间位置。

S2、提供顶管机头，如图3、4所示，所述顶管机头其包括圆柱形壳体22，在壳体22的前端设置有刀盘10，所述刀盘10通过设置在壳体内的液压动力系统驱动，在刀盘的前端设置有与钻杆相连的钻杆接头10，在钻杆接头10的外周设置有丝扣，方便与钻杆固定连接，在钻杆接头10内设置有与注浆润滑系统相连的润滑泥浆运输通道29。在壳体内设置有送桨口28与排桨口26，刀盘10的后端为锥形，在刀盘10与壳体22之间设置有锥形破碎盘23，所述破碎盘23固定设置在壳体22内，在破碎盘23上设置有多个与送桨口相连通的高压泥浆喷嘴25，在破碎盘上设置有筛孔31与排桨口26相连通。

其中，所述液压动力系统包括内啮合式行星齿轮机构、固定在壳体22上的液压马达27，其中，沿圆周方向分布了3个液压马达27，内啮合式行星齿轮机构包括传动内齿轮24、与液压马达27输出轴相连的小齿轮，液压马达27通过内啮合式行星齿轮机构驱动刀盘10转动，其中，润滑泥浆运输通道29设置在顶管机头的中心位置，其依次延伸至刀盘10、传动内齿轮24、壳体22的中心孔后与泥浆喷射环相连。

S3、导向孔施工完毕后，在导向孔的出土端沿着钻杆拉动方向7开挖导向坑6，铺设导轨；同时，将泥浆净化装置11、泥浆罐12及泥浆泵13运至出土端，将送桨口28与排桨口26通过泥浆管与泥浆净化装置11、泥浆罐12及泥浆泵13连接组合成为泥浆循环系统，其中，泥浆净化装置主要包括：振动筛、旋流除泥器。水平定向钻一端工作现场保留泥浆配置装置18，并与螺杆注浆泵19组成注浆润滑系统。

S4、将顶管机头的两端分别与管道5和钻杆连接并设置在导轨上，其中，顶管机头拖动方向8如图5所示。

S5、回拖扩孔铺管，如图6所示，在水平定向钻提供的回拖牵拉力9的作用下，钻杆开始回拖，与其连接的顶管机头跟着钻杆一起慢慢沿着导向孔轨迹，同时，液压马达27低速转动，带动小齿轮转动，小齿轮与传动内齿轮24相啮合，从而带动传动内齿轮4转动，最终将切削地层需要的扭矩传递给刀盘10，完成掘进工作，完成管道的铺设。随着管线进入土体长度增加，回拖阻力也在增加。当水平定向钻机的回拖力不足以拖动管线继续工作时，需要在钻杆出土端使用推管机，使顶管机头在水平定向钻机的拉力和推管机的推力双重作用下，克服回拖扩孔铺管过程中的阻力，继续破碎地层，辅助工程继续进行。

回拖过程中，如图7所示，润滑泥浆从泥浆罐18通过注浆泵19泵入润滑泥浆运输通道29后经过刀盘10、传动内齿轮24的润滑泥浆运输通道后进入润滑泥浆管道，并最终进入泥浆喷射环20注入到管道与孔壁之间的环形空间21中，形成泥浆润滑套，以达到注浆润滑减阻的目的。

如图8所示，在出土端配置的泥浆循环系统中的泥浆泵13将泥浆罐12中的泥浆泵入送桨口28运输至破碎盘处，由高压泥浆喷嘴25喷射出。一方面，以防止泥包钻事故的发生，以支护和平衡地层压力，另一方面，防止切削下来的岩屑、土块等发生堵塞。在破碎盘的下端携带了岩屑的泥浆的通过筛孔31及排桨口6口进入泥浆净化装置11，泥浆净化装置11使岩屑从悬浮液中分离出来，经过滤后的泥浆再次进入泥浆循环系统，并被重新泵入到刀盘处的破碎空间，形成泥浆的循环系统。

回拖扩孔铺设管道过程中，水平定向钻机只提供拉力，不提供扭矩（即只拉不转）。破碎地层所需的扭矩由顶管机头自身的液压回转动力系统提供。因此，水平定向钻机上钻杆的作用主要有以下三方面：1、为顶管机头提供拉力；2、为顶管机头牵引导向；3、为润滑泥浆提供通道。

本发明的顶管机头属于全断面泥水平衡顶管机头，其工作时，刀盘处的切削空间需要封闭，使泥浆循环系统能有一个完整密闭的循环空间，同时切削刀盘工作处也需要保证有一定的工作压力。如果钻杆与顶管机连接之间没有密封装置，刀盘工作空间将与钻杆外环空相通，进而与大气相连，无法保证顶管机工作腔压力。为了使顶管机刀盘处有足够的工作压力，可以使用密封装置将钻杆外的环形空间与顶管机刀盘切削空间分隔，使顶管机工作腔与自身的泥浆系统形成一个封闭的循环空间。本发明中，密封装置优选密封橡胶，如图9所示，钻杆上的密封橡胶、地层以及顶管机头所围成的空间（图9中虚线所围成的空间）是密闭的，因此泥浆循环系统可以拥有一个密闭的循环通道；同时送浆管将泥浆送至顶管机头工作空间内并能形成一定的压力，用以平衡地层压力，保证了顶管机头工作时的压力要求。

为了降低钻杆处密封橡胶的磨损速度，通常在其前方增加一个桶式洗孔器，将孔壁整理规则，便于密封橡胶起密封作用。

Claims (7)

1.一种非开挖钻顶结合管道穿越方法，其特征在于，它包括如下步骤：

S1、由水平定向钻机进行导向孔施工，确定管线轨迹；

S2、提供顶管机头，所述顶管机头包括圆柱形壳体，在壳体的前端设置有刀盘，所述刀盘通过设置在壳体内的液压动力系统驱动，在刀盘的前端设置有与钻杆相连的钻杆接头；

S3、在导向孔的出土端开挖导向坑，铺设导轨，顶管机头的两端分别与管道和钻杆连接并设置在导轨上；

S4、回拖扩孔铺管，具体为：在钻杆的牵引下，顶管机头的刀盘切削地层岩石，完成管道的铺设。

2.根据权利要求1所述的一种非开挖钻顶结合管道穿越方法，其特征在于，在水平定向钻机的一端设置有泥浆润滑系统，在钻杆的中心、钻杆接头的中心均设置有润滑泥浆运输通道，润滑泥浆运输通道依次延伸至刀盘、液压动力系统、壳体后与泥浆喷射环相连，在顶管机头工作时，润滑浆液被注浆泵通过钻杆的润滑泥浆运输通道泵入到泥浆喷射环，喷射到壳体与孔壁之间的环形空间，形成泥浆润滑套。

3.根据权利要求1或2所述的一种非开挖钻顶结合管道穿越方法，其特征在于，在导向孔的出土端设置有泥浆循环系统，在壳体内设置有送桨口与排桨口与泥浆循环系统相连通，在刀盘与壳体之间设置有锥形破碎盘，所述破碎盘固定设置在壳体内，在破碎盘上设置有多个与送桨口相连通的高压泥浆喷嘴，在破碎盘上设置有筛孔与排桨口相连通，在回拖时，泥浆被泵入到顶管机头刀盘的破碎盘处，用以支护和平衡地层压力，刀盘切削下的岩屑经过排浆口运送至地面泥浆循环系统的泥水分离净化装置，泥水分离净化装置使岩屑从悬浮液中分离出来，过滤后的泥浆再次被泵入到刀盘处的破碎空间，形成循环利用。

4.根据权利要求1或2所述的一种非开挖钻顶结合管道穿越方法，其特征在于，当水平定向钻机的回拖力不足以拖动顶管机头继续工作时，在钻杆出土端使用推管机，使顶管机头在水平定向钻机的拉力和推管机的推力双重作用下，继续破碎地层。

5.根据权利要求1或2所述的一种非开挖钻顶结合管道穿越方法，其特征在于，钻杆通过密封装置与钻杆接头密封连接。

6.根据权利要求1或2所述的一种非开挖钻顶结合管道穿越方法，其特征在于，所述液压动力系统包括内啮合式行星齿轮机构、固定在壳体上的液压马达，液压马达通过内啮合式行星齿轮机构驱动刀盘转动。

7.根据权利要求6所述的一种非开挖钻顶结合管道穿越方法，其特征在于，所述润滑泥浆运输通道依次通过钻杆接头、内啮合式行星齿轮机构的传动内齿轮、壳体的中心。