CN1131388C - 一种直接用贯通管道跟踪设计曲线钻孔穿越江河的装置 - Google Patents

Abstract

一种直接用贯通管道跟踪设计曲线钻孔穿越江河的装置，由钻进系统、导向系统、推进系统、夹紧系统、控制系统组成，在装置上钻进系统、导向系统、推进系统、夹紧系统、控制系统逐序连接，直接用贯通管道跟踪设计曲线钻孔穿越江河的装置，改变了用钻杆钻孔，反复括孔在回拖穿越管道的繁琐传统工艺，做到了自动导向跟踪设计曲线钻孔穿越管道一次完成。

Description

一种直接用贯通管道跟踪设计曲线钻孔穿越江河的装置

涉及领域

本发明涉及埋地管道施工的一种直接用贯通管道跟踪设计曲线钻孔穿越江河的装置，属于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装置较多，技术较为先进的如顶管拙进机，RB-5型大型、RB-3型中型定向钻等。

顶管拙进机，大部分设备从日本引进的，穿越施工大部分是管中可以进入操作的较大管径。拙进机靠液压油缸向前顶进。钻下来的岩土加水在机械头中粉碎，用泵在穿越管道中设管道排出到地面。穿越管道与土壤之间注入泥浆润滑，施工工期长、施工费用高。

微型顶管，距离在100M-200M之内，存在着工期长、费用高、距离短的问题。RB-5型大型和RB-3型中型定向钻大部分是从美国引进的设备。它是用泥浆马达作为钻削动力。方向靠一根弯成1.5°固定弯的钻杆在钻头后面来实现导向控制的。施工时先一根根接钻杆钻导向孔过河到对岸，在对岸接上括孔器，括孔时钻机回拖钻杆一根卸下来，从对岸在括孔器上一根根接钻杆引过来。每次括孔4-6英寸。管径较大时反复括几次孔，括最后一次孔时确认无塌孔时才能回拖穿越管道过河，如在回拖中途出现塌孔，回拖不动造成卡钻，只有将钻杆和管道一起损失在河床土层中，风险较大，不能穿越含有部分河卵石和粗砂地层。因为括孔时泥浆没有回反流速，括下来的河卵石和粗砂散落在孔中回拖管道时堆积造成卡钻。“RB-5大型定向钻，安最大钻进长度可达1KM，埋没管道最大的直径可达φ1M。该设备非常宠大，自重达170T，转移一耗资百万元以上，占地面积大，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》。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直接用全部贯通的穿越管道前端连接上一套钻机自动导向跟踪设计曲线钻孔穿越江河及地面障碍物的机械装置，用来解决其它装置穿越管道工期长、费用高、穿越距离短及定向钻不能穿越含有河卵石、粗砂等地层的一系列问题。

本发明是这样实现的：由钻进系统、导向系统、推进系统、夹紧系统、控制系统组成，在装置上钻进系统、导向系统、推进系统、夹紧系统、控制系统沿着穿越管道39逐序连接。

本发明还采用如下技术方案：

钻进系统和导向系统包括有扩孔铰刀1、铰刀支板2、泥浆喷嘴3、管外壳4、空心轴5、轴承6、密封板7、密封支板8、进泥浆仓9、进泥浆孔10、轴万向节13、传动轴14、油管16、万向节17、螺栓窝18、导向节20、输出轴万向节21、轴支板19，在轴万向节13与输出轴万向节21之间有传动轴14，在铰刀支板2上有扩孔铰刀，轴5的端部有泥浆喷嘴3，管外壳4上有密封板7、密封支板8，轴5上有进泥浆孔10，进泥浆孔10与进泥浆仓9连通，万向节17与油缸15连接，油缸15上有油管16，管外壳4上有螺栓窝18。

油缸15安装在导向节20中且呈等行程十字排列。

轴5为空心。

推进系统包括密封板11、起落架22、减速机23、油浸式电机24、油管25、密封线座27、扶正板28、油缸29、全密封液压站30，管外壳4上装有起落架22，扶正板28与起落架22连接，管外壳4内有减速机23、油浸式电机24、油管25、密封线座27、油缸29、全密封液压站30。

穿越管道39上有无磁管段33，无磁管段33内有无磁泥浆泵35，并装有三维测斜仪34。

夹紧系统包括屏蔽电缆36、桩板40、斜支撑41、整体框架42、滚轮43、管夹44、胶垫45、螺栓46、抱箍47、液压油缸48、支板49、小滚轮50、滑道51、减速机52、齿轮53、齿条54、油缸55、减速机56、齿轮58、轴59、耳板60、螺栓61、板式台车62，在穿越管道39上有板式台车62、管夹44，支板49通过螺栓46与管夹44连接，支架49上有抱箍47，抱箍47上有耳板60，耳板60上有轴59，抱箍47上有滑道51、油缸55，滑道51内有小滚轮50，支板49与液压油缸48连接，减速机52上有齿轮53，齿轮53与齿条54啮合，齿条54与减速机56上的齿轮58啮合。

穿越管道39与管夹44之间有胶垫45。

整体框架42上有桩板40，桩板40与斜支撑41连接，桩板40上有滚轮43，滚轮43上有屏蔽电缆36。

本发明的优点在于：直接用贯通管道跟踪设计曲线钻孔穿越江河的装置，改变了用钻杆钻孔，反复括孔在回拖穿越管道的繁琐传统工艺，做到了自动导向跟踪设计曲线钻孔穿越管道一次完成。控向方法是这样实现的：用无磁管段中安装的三维测斜仪监测到穿越管道运行的垂深角度、方向角度，自动转角等信号数据，经屏壁电缆传输到电脑，电脑按输入的设计曲线和原编制输入的十三个方位的导向程序，指令安装在管道中的全密封液压站，经油管趋动装在导向节中的四台双向式等行程十字排列油缸来实现导向跟踪设计曲线运行的方法，形成一套完整的测控向系统。

本发明其特征在于穿越管道的推进法的改变和创新，在管道推进系统中，研究设计出来了，不损伤防腐层的液压管道夹紧器主要由两只同步液压油缸、斜圆筒型抱箍、斜铁支板、离合式半圆管夹、夹线胶垫、固定螺栓、小滚轮、滑道等组成。实现了随意夹紧穿越管道的任何位置，进行推进的方法。

在实现直接推进穿越管道方法中，选用了同步组合二级立式行星摆线针减速机，采用每两台同步组合的方法，用齿轮沿齿条推进。在与RB型美国定向钻采用液压马达，牵引力相等时其输入功率低6倍。

配合液压齿轮离合器，使推进减速机齿轮与齿条分离，用速退减速机使推进减速机整体退回原位，再从新夹紧穿穿越管道继续推进的方法，保证了穿越管道正常钻进尺速度。

液压纠偏部分：穿越管道在运行时出现旋转偏差，起动液压油缸随时纠正。

可伸缩括孔扶正板，在向前钻进中如遇有桩基础等障碍物，用推进减速机反转回拖穿越管道时，为减少阻力，趋动可伸缩括孔扶正板经起落架缩回贴紧穿越管道。

本发明其特征在于钻进系统的结构，将钻机动力的减速机和油浸式电机安装在导向节后边，用输出轴万向节和传动轴连轴万向节传送钻机动力，带动钻机空心轴和两片钻括孔铰刀钻削岩土。

实现本发明主要有泥浆系统、钻进系统、管道推进系统、测控向系统、穿越管道发送系统、总控制系统。

下面将已有的RB-5大型和RB-3中型定向钻与本发明的几项指标进行一下比较：

一、引进一台RB-5大型定向钻需人民币叁仟万元。而组装一套本发明的同样功率的机械装置需人民币贰佰叁拾万元。投资费用对比比例为1/13。

二、RB-5型定向钻用液压马达牵引力为400T，所需功率为430KW，而本发明的机械装置用二级减速机牵引力为400T，所需功率为70KW，输入功率对比比例为6∶1。

三、RB-5型定向钻搬迁一次费用高达百万元以上。而本发明的机械装置用RB-5型定向钻的搬迁费即可完成一条管径φ401mm，距离1km的管道穿越施工。

四、引进一台RB-3型中型定向钻需人民币壹仟伍百万元。而组装一套本发明的同样功率机械装置需人民币壹佰陆拾万元。投资比例为9∶1。

五、RB-3型定向钻用液压马达牵引力为150T，所需功率为230KW。而本发明的机械装置用二级减速机牵引牵引力为150T，所需功率为35KW，输入功率对比比例为6∶1。

六、RB-5型定向钻RB-3型定向钻穿越φ529管径，距离1KM，需7-8昼夜连续钻括孔作业才能完成。而本发明穿越φ529管径，距离1KM，可在24小时内完成施工，对比比例为7∶1。

七、施工费用与中型定向定相比较可节省1/5。

经过已上七项指标，本发明与目前应处在世界先进地位的RB-5大型和RB-3中型定向钻相比较，由于本发明改变了用钻杆钻孔，反复括孔在回拖穿越管道的繁琐传统工艺，进行直接用贯通管道跟踪设计曲线钻孔穿越江河的装置的创新和推进穿越管道方法等创新从实用价值和经济效益等方面均占有很明显的优势和有益效果。

附图说明

图1、本发明的结构示意图。

图2、钻机和导向结构剖视图。

图3、钻机动力可伸缩钻括孔扶正板动力油缸全密封液压站等结构剖视图。

图4、无磁管段三维测斜仪与穿越管道对接剖视图。

图5、推进系统机具结构剖面图。

具体实施

结合附图进一步说明：

主要由扩孔铰刀1、铰刀支板2、泥浆喷嘴3、管外壳4、空心轴5、轴承6、密封板7、密封支板8、进泥浆仓9、进泥浆孔10、密封板11、轴万向节13、传动轴14、油缸15、油管16、万向节17、螺栓窝18、轴支板19、导向节20、输出轴万向节21、起落架22、减速机23、油浸式电机24、油管25、扶正板28、油缸29、全密封液压站30无磁管段33、无磁泥浆管35、屏蔽电缆36、双轮滚动支架38、穿越管道39、桩板40、斜支撑41、整体框架42、滚轮43、管夹44、胶垫45、螺栓46、抱箍47、液压油缸48、支板49、小滚轮50、滑道51、减速机52、齿轮53、齿条54、油缸55、减速机56、齿轮58、轴59、耳板60、螺栓61、板式台车62、环形孔63、、地面64、泥浆泵65、泥浆箱66、泥浆泵67、泥浆管68等组成。

一、按穿越设计标准，制定施工方案：

根据穿越设计曲线，结合场地的具体状况，为作好施工前的各项准备工作、人员安排、机具布置与检修，跟踪设计曲线的方法，转角等各种技术参数输入进电脑等作出一个完整的施工方案。

二、各种施工机具、钻机和穿越管道的组装及联合调试。

各种机具的检修布置，穿越管道的防腐、焊接、质检、试压、通球合格后，将泥浆管供电、控向、屏壁信号等电缆36捆扎在一起用双轮滚动支架38，穿入穿越管道39管内。穿越管道39经滚轮43穿过管道推进系统中的不损伤防腐层的液压管道夹紧器，接好无磁泥浆管35，再与无磁管段33对接，经检测孔37接通各种电缆36，接通各种管路进行联合调试，确认无问题后起动泥浆系统。

三、泥浆系统

首先起动设在穿越管道39中部的发电机75，配泥浆泵65，将配好的泥浆输送到泥浆箱66，起动泥浆泵67，吸入泥浆箱66中的泥浆，输送到高压泥浆管68，接通泥浆管36、无磁泥浆管35、供泥浆管26，进泥浆胶管12，输送到进泥浆仓9，由密封支板8密封。经进泥浆孔10，进入钻机空心轴5，从泥浆喷嘴3喷出，帮助钻括孔铰刀1冷却、润滑、冲涮岩土，起到固孔防塌，润滑穿越管道39，减少摩擦阻力，把钻括孔铰刀1切削下来的岩土地经穿越管道39、环型孔间63、带到地面64等作用，防止泥浆进入钻机轴承6，设密封板7密封。

四、钻进系统

泥浆系统正常，经发电机75送电到钻进系统控制76，经供电电缆36、密封线座27、密封板11，起动油浸式电机24，转动对轮32，带动减速机23、输出轴万向节21、传动轴14、连轴万向节13、钻机空心轴5、轴承6，靠管外壳4、铰刀支板2的支持，在油缸15趋动导向节20，导向时正常转动钻括孔铰刀1旋转切削岩土。

五、管道推进系统

推进系统：主要由(一)不损伤防腐层的液压管道夹紧器。(二)直接推进穿越管道的同步组合二级立式行星摆线针减速机。(三)液压齿轮离合器。(四)速退减速机。(五)管道旋转液压纠偏。(六)可伸缩钻括孔扶正板等6个部分组分。

钻进系统运转正常，发电机75送电到推进系统控制77，整体框架42、地锚桩板40、斜支撑41按设计角度安装埋设牢固，起动主要由两只同步液压油缸48推斜铁支板49，离合式半圆管夹44，夹线胶垫45，固定螺栓46，经小滚轮50沿滑道51下行，推进斜圆筒型抱箍47。(一)不损伤防防腐层的液压管道夹紧器，夹紧穿越管道39，使夹线胶垫45与管外圆夹紧均布受力产生摩擦力。

起动(二)同步组合二级立式行星摆线针减速机52，转动齿轮53，用螺栓61，固定，带动板式台车62，牵引耳板60、轴59，沿齿条54经滚轮43、滚轮73直接推动穿越管道39向前钻进。推到齿条端点停下来。重新起动两只同步液压油缸48，牵引斜铁支板49、离合式半圆管夹44、夹线胶垫45，固定螺栓46经小滚轮50沿滑道51上行，使夹线胶垫45脱离开穿越管道39。

起动(三)液压齿轮离合器中的用离合器油缸55装成的牵引齿轮53脱离开齿条54。

起动(四)速退减速机56转动齿轮58沿齿条54带动装在板式台车62上的减速机52，(一)不损伤防腐层的液压管道夹紧器整体快速退回原位。重新夹紧穿越管道39沿滚轮73继续向前推进的方法，保证了穿越管道39正常钻进的速度。

(五)管道旋转液压纠偏，穿越管道在运行时出现旋转偏差，起动液压油缸57，随时纠正穿越管道39的旋转偏差。

(六)可伸缩钻括孔扶正板28在向前钻进中如遇有桩基础等障碍物，用(一)不损伤防腐层的液压管道夹紧器，夹紧穿越管道39，推进时齿轮53沿齿条54反转，回拖穿越管道39时，为减少阻力，趋动油缸29，经起落架22，缩回可伸缩钻括孔扶正板28，贴紧穿越管道39。

六、测控向系统

江河及地面障碍物穿越管道施工前，由设计单位根据穿越距离，埋深、管道曲率半径等各种参数。出图制定出一条穿越设计曲线。本发明其技术特征在于直接用贯通管道跟踪设计曲线钻孔穿越江河的装置。测控向方法是这样实现的。在钻机后，穿越管道39前设一节无磁管段33，管中安装有无磁泥浆管35，三维测斜仪34用来监测穿越管道39运行时的垂深角度、方向度及管道自动转角等信号数据，经屏壁电缆36传输到电脑71，电脑71按输入的设计曲线中穿越管道运行到每段长度距离时的设计转角，方向角等参数和原编制输入的十三个导向方位程序69。十三个方位的导向程序是这样编制和实现的：导向时，向上导向可以上左或上右，向下导向可以下左或下右，向左导向可以左下或左上，向右导向可以右下或右上。加一个中直方位共十三个。指令设有泥浆管通过冷却设施的全密封液压站30，经油管25、油管16，趋动装在导向节20中的四台双向式等行程十字排列油缸15，靠轴万向节17、轴支板19、管外壳4、外壳对接螺栓窝18、导向节20的支持来完成十三个导向方位的任何一个方位的导向任务，来实现直接用贯通管道跟踪设计曲线钻孔穿越江河及地面障碍物的方法。为避免全密封液压站30长时间运转出故障，可进行间歇性运转，用人工在总控制室外72内，监视三维测斜仪34的三维显示屏幕70，进行手动调整控向。形成一套完整的测控向系统。

七、穿越管道的发送运行

穿越管道的发送运行根据场地的条件制定、场地如充许挖蓄水沟74采用水沟漂管发送，经济实用。如场地不充许挖蓄水沟74、采用滚轮发送管道。

八、总控制系统

总控制室72、钻进系统控制76、管道推进系统控制77、各种泵控制78、等组成。

Claims (9)

1.一种直接用贯通管道跟踪设计曲线钻孔穿越江河的装置，其特征在于：由钻进系统、导向系统、推进系统、夹紧系统、控制系统组成，在装置上钻进系统、导向系统、推进系统、夹紧系统、控制系统沿着穿越管道39逐序连接。

2.根据权利要求1所述的一种直接用贯通管道跟踪设计曲线钻孔穿越江河的装置，其特征在于：钻进系统和导向系统包括有扩孔铰刀(1)、铰刀支板(2)、泥浆喷嘴(3)、管外壳(4)、空心轴(5)、轴承(6)、密封板(7)、密封支板(8)、进泥浆仓(9)、进泥浆孔(10)、轴万向节(13)、传动轴(14)、油管(16)、万向节(17)、螺栓窝(18)、导向节(20)、输出轴万向节(21)、轴支板(19)，在轴万向节(13)与输出轴万向节(21)之间有传动轴(14)，在铰刀支板(2)上有扩孔铰刀(1)，轴(5)的端部有泥浆喷嘴(3)，管外壳(4)上有密封板(7)、密封支板(8)，轴(5)上有进泥浆孔(10)，进泥浆孔(10)与进泥浆仓(9)连通，万向节(17)与油缸(15)连接，油缸(15)上有油管(16)，管外壳(4)上有螺栓窝(18)。

3.根据权利要求2所述的一种直接用贯通管道跟踪设计曲线钻孔穿越江河的装置，其特征在于：油缸(15)安装在导向节(20)中且呈等行程十字排列。

4.根据权利要求2所述的一种直接用贯通管道跟踪设计曲线钻孔穿越江河的装置，其特征在于：扩孔铰刀(1)可以是一个以上。

5.根据权利要求1所述的一种直接用贯通管道跟踪设计曲线钻孔穿越江河的装置，其特征在于：推进系统包括密封板(11)、起落架(22)、减速机(23)、油浸式电机(24)、油管(25)、密封线座(27)、扶正板(28)、油缸(29)、全密封液压站(30)，管外壳(4)上装有起落架(22)，扶正板(28)与起落架(22)连接，管外壳(4)内有减速机(23)、油浸式电机(24)、油管(25)、密封线座(27)、油缸(29)、全密封液压站(30)。

6.根据权利要求1所述的一种直接用贯通管道跟踪设计曲线钻孔穿越江河的装置，其特征在于：穿越管道(39)上有无磁管段(33)，无磁管段(33)内有无磁泥浆泵(35)，并装有三维测斜仪(34)。

7.根据权利要求1所述的一种直接用贯通管道跟踪设计曲线钻孔穿越江河的装置，其特征在于：夹紧系统包括屏蔽电缆(36)、桩板(40)、斜支撑(41)、整体框架(42)、滚轮(43)、管夹(44)、胶垫(45)、螺栓(46)、抱箍(47)、液压油缸(48)、支板(49)、小滚轮(50)、滑道(51)、减速机(52)、齿轮(53)、齿条(54)、油缸(55)、减速机(56)、齿轮(58)、轴(59)、耳板(60)、螺栓(61)、板式台车(62)，在穿越管道(39)上有板式台车(62)、管夹(44)，支板(49)通过螺栓(46)与管夹(44)连接，支架(49)上有抱箍(47)，抱箍(47)上有耳板(60)，耳板(60)上有轴(59)，抱箍(47)上有滑道(51)、油缸(55)，滑道(51)内有小滚轮(50)，支板(49)与液压油缸(48)连接，减速机(52)上有齿轮(53)，齿轮(53)与齿条(54)啮合，齿条(54)与减速机(56)上的齿轮(58)啮合。

8.根据权利要求7所述的一种直接用贯通管道跟踪设计曲线钻孔穿越江河的装置，其特征在于：穿越管道(39)与管夹(44)之间有胶垫(45)。

9.根据权利要求7所述的一种直接用贯通管道跟踪设计曲线钻孔穿越江河的装置，其特征在于：整体框架(42)上有桩板(40)，桩板(40)与斜支撑(41)连接，桩板(40)上有滚轮(43)，滚轮(43)上有屏蔽电缆(36)。

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