CN215673896U - 单向非开挖定向钻进铺管结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种单向非开挖定向钻进铺管结构，铺管结构包括导向孔以及设置在导向孔中的管线。导向孔设置在地层中，用于铺设管线，导向孔一端设有与地层表面连通的入口点，导向孔另一端设有与地层表面连通的出口点；管线设置在导向孔中，管线包括第一曲线段、段延伸段以及第二曲线段，第一曲线段通过延伸段与第二曲线段连接，第一曲线段一端入口点延伸出地层，述第二曲线段另一端从出口点延伸出地层。本实用新型的单向非开挖定向钻进铺管结构，通过在地层内曲面埋设管线，避免了地层表面的障碍物施工，减少了铺管作业的施工周期，减少了地面沉降的现象。

Description

单向非开挖定向钻进铺管结构

技术领域

本实用新型涉及建筑工程技术领域，特别涉及一种单向非开挖定向钻进铺管结构。

背景技术

随着我国城市建设的发展，随着城市市容的不断改善和交通、建筑保护意识的不断提高，同时，随着旧城改造的加快和地下管线建设的规模不断壮大，各类管径的管道埋设工程不断增多。

传统的管道铺设作业通过在地面开槽施工，不仅会影响交通，而且在开槽施工过程中，容易造成地面沉降。故需要提供一种单向非开挖定向钻进铺管结构来解决上述技术问题。

实用新型内容

本实用新型提供一种单向非开挖定向钻进铺管结构，其通过在地层内曲面埋设管线，以解决现有技术中的单向非开挖定向钻进铺管结构多存在结构设计不够合理，以及各个部件的分布不够合理的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为：一种单向非开挖定向钻进铺管结构，用于在地层中铺设管线，所述铺管结构包括

导向孔，设置在地层中，用于铺设管线，所述导向孔一端设有与所述地层表面连通的入口点，所述导向孔另一端设有与所述地层表面连通的出口点；以及

管线，设置在所述导向孔中，所述管线包括延伸段、设置在所述延伸段一端的第一曲线段，以及设置在所述延伸段另一端的第二曲线段，

所述第一曲线段通过延伸段与所述第二曲线段连接，所述第一曲线段一端所述入口点延伸出所述地层，述第二曲线段另一端从所述出口点延伸出所述地层。

本实用新型中，所述导向孔与所述管线之间填充有泥浆层，所述泥浆层用于填充所述管线周围的空隙。

本实用新型中，延伸出所述地层表面的所述第一曲线段与所述地层表面之间的夹角范围介于8°～20°之间。

本实用新型中，延伸出所述出口点的所述第二曲线段与所述地层表面之间的夹角范围介于0°～20°之间。

本实用新型中，设置在所述地层中的所述管线，与所述地层表面之间的距离介于0m～15mm之间。

本实用新型中，所述管线包括至少两组拼接连接的管材，使得所述管线长度可调。

本实用新型中，所述管材的外圈直径介于50mm～63mm，相邻所述管材间热熔对接连接或热熔承插连接。

本实用新型中，所述管材的外圈直径介于75mm～1000mm，相邻所述管材间热熔对接连接或热熔承插连接。

本实用新型中，所述出口点下方设有出口工作坑，所述出口工作坑与所述出口点连通，

所述出口工作坑内设有用于支撑所述管线的支撑架。

本实用新型中，所述出口工作坑底端设有加强槽，所述支撑架包括固定部以及支撑部，

所述固定部设置在所述加强槽内，所述支撑部设置在所述固定部顶端，且所述支撑部包括两个相对设置的限位块，所述限位块用于限定所述管线的位置。

本实用新型相较于现有技术，其有益效果为：本实用新型的单向非开挖定向钻进铺管结构，通过在地层内曲面埋设管线，避免了地层表面的障碍物施工，减少了铺管作业的施工周期，减少了地面沉降的现象。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，下面描述中的附图仅为本实用新型的部分实施例相应的附图。

图1为本实用新型的单向非开挖定向钻进铺管结构的优选实施例的整体结构示意图。

图2为本实用新型的单向非开挖定向钻进铺管结构的优选实施例的管线截面图。

图3为本实用新型的单向非开挖定向钻进铺管结构的优选实施例的管线铺设结构示意图

图4为本实用新型的单向非开挖定向钻进铺管结构的优选实施例的支撑架结构示意图。

图5为本实用新型的单向非开挖定向钻进铺管结构的优选实施例的钻进装置示意图。

图6为本实用新型的单向非开挖定向钻进铺管结构的优选实施例的铺管状态示意图。

附图标记：地层11、导向孔111、出口工作坑112、加强槽1121、支架113、固定部1131、支撑部1132、限位块1132a、管线12、第一曲线段121、延伸段 122、第二曲线段123、导向装置13、探测器131、地面接收器132、第一钻进装置14、钻机141、钻杆142、钻头143、扩孔钻头161、泥浆层17、第二钻进装置18、入土点A₁、第一曲线段和延伸段轨迹变化点B₁、延伸段和第二曲线段轨迹变化点C₁、出土点D₁、第一曲线段投射在地面的长度为L₁、延伸段投射在地面的长度L□、第二曲线段投射在地面的长度为L₃、第一曲线段的曲率半径为R₁、第二曲线段的曲率半径为R₂、钻头在地层中的运动轨迹的深度为H₁、钻头入土角α₁、钻头出土角α₂。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在图中，结构相似的单元是以相同标号表示。

本实用新型术语中的“第一”“第二”等词仅作为描述目的，而不能理解为指示或暗示相对的重要性，以及不作为对先后顺序的限制。

请参照图1，其中图1为本实用新型的单向非开挖定向钻进铺管结构的优选实施例的整体结构示意图。

如下为本实用新型提供的一种能解决以上技术问题的单向非开挖定向钻进铺管结构，其包括导向孔111以及设置在导向孔111中的管线12。导向孔111 设置在地层11中，用于铺设管线，导向孔111一端设有与地层11表面连通的入口点，导向孔111另一端设有与地层11表面连通的出口点；管线12设置在导向孔111中，管线12包括第一曲线段121、段延伸段122以及第二曲线段123，第一曲线段121通过延伸段122与第二曲线段123连接，第一曲线段121一端入口点延伸出地层11，述第二曲线段123另一端从出口点延伸出地层11。

对本实施例中铺管结构进行详细阐述：

结合图2，本实施例中的导向孔111与管线12之间填充有泥浆层17，泥浆层17用于填充管线12周围的空隙。

结合图1和图3，本实施例中，延伸出地层11表面的第一曲线段121与地层11表面之间的夹角范围介于8°～20°之间。延伸出出口点的第二曲线段123 与地层11表面之间的夹角范围介于8°～20°之间。本实施例中，铺设在地层 11中的管线12与地层11表面之间的距离介于0m～15mm之间。

结合图3和图4，出口点下方设有出口工作坑112，出口工作坑112与出口点连通；出口工作坑112内设有用于支撑管线的支撑架113。

进一步的，出口工作坑112底端设有加强槽1121；支撑架113包括固定部 1131以及支撑部1132，固定部1131设置在加强槽1121内，支撑部1132位于出口工作坑112内，且支撑部1132与固定部1131顶端连接。支撑部1132包括两个相对设置的限位块，限位块用于限定管线的位置，本实施例中固定部1131 为柱状结构。由于第二曲线段123为曲线结构，支撑部1132靠近直线段的截面，与支撑部1132远离直线段的截面逐渐增加。

对本实施例中的管道结构进行阐述：

本实施例中的管线12包括至少两组拼接连接的管材，使得管线12长度可按照施工需求调节。

本实施例中，当管材的外圈直径介于50mm～63mm(包括50mm、63mm)时，相邻管材间热熔对接连接或热熔承插连接。且当管材的外圈直径介于 75mm～1000mm，(包括75mm、1000mm)时，相邻管材间热熔对接连接或热熔承插连接。

本实施例中的管线12优选的为钢管、PE管或PVC管。

如下对本实用新型的管道结构的施工方法进行阐述：

一、场地、地下管线12复查、探测。

1、施工现场前期资料的收集。

2、施工现场地下管线的勘察和探测。

对于非开挖水平定向钻进铺管施工，要全面掌握施工区域范围内的地下管线分布、埋深等资料，在施工前应采取掌握原有地下管线的资料。利用地下管线探测仪器和探底雷达法对地下管线的分布、走向、位置、管径大小进行调查探测，必要时可进行人工探查，该方式更为直观准确。

二、设计钻孔轨迹。

管道的实际施工轨迹应满足设计要求，必须考虑入土点、出土点的斜直段、曲线段长度，严格控制水平穿越段各点的标高。导向孔111轨迹设计可采用作图法或计算法来确定。

结合图2，对导向孔111轨迹设计的方法进行阐述：

其中，管线12的入土点为A₁、第一曲线段121和延伸段122轨迹变化点 B₁、延伸段122和第二曲线段123轨迹变化点C₁、管线12的出土点为D₁；第一曲线段121投射在地面的长度为L₁、延伸段122投射在地面的长度L□、第二曲线段123投射在地面的长度为L₃、第一曲线段121的曲率半径为R₁、第二曲线段123的曲率半径为R₂、钻头143在地层11中的运动轨迹的深度为H₁、钻头 143入土角为α₁、钻头143出土角为α_2。

1、作图法：定向钻铺管水平长度为L1、L2以及L3的长度的总和。

2、计算法：曲率半径R1、R2。曲率半径一般是根据钻杆142的最小弯曲半径及成品管的最小弯曲半径综合取值，一般的曲率半径的计算由待铺设管的弯曲特性确定，管径越大，曲率半径越大。为了利于铺管，最小弯曲半径应选择尽可能大。通常的铺设钢管最小允许曲率半径可采用公式计算，也可用不小于1200D估算。

铺设钢管的最小曲率半径公式：Rmin＝206·D·S/K2(m)。

其中，Rmin——最小弯曲半径(m)；206—常数(Mpa.m)；D——管子外径(mm)；S——安全系数，S＝1～2；K2——管子的屈服极限(N/mm2)

铺设PE管的最小曲率半径可采用公式：

其中，ρ-曲率半径(cm)；E-弹性模数(Mpa)；DH-管外径(cm)；δρ—弯曲应力(Mpa)

管线12的入土角、出土角和曲线段的计算公式：

钻机141倾角的可调范围是限制入口倾角的主要因素，一般钻机141的倾角在10°～45°之间。钻头入土角α₁介于8°～20°之间。钻头入土角α₁应根据定向钻铺管管线的类型、管径、材质确定；管线12为小直径的钢管时，考虑到管材的焊接问题，钻头出土角α₂一般介于0°～15°之间；管线12为PE、 PVC管时，钻头出土角α₂介于0°～20°以内。

三、工作坑开挖与支护及钻机141安装与就位

1、工作坑的开挖与支护。

进、出口工作坑的大小，应根据场地条件、管线12类型、管径、材质、埋深、地质条件及导向轨迹的设计参数确定工作坑的形状、大小和深度，一般挖成矩形形状的坑。当深度较深时，必须考虑挖掘工作中坑壁的稳定性，并采取相应的支护方式，其整体刚度、稳定性和支撑强度必须通过验算。

在考虑坑的功能时，如欲用于接管工作的出口坑，需考虑焊接工作的操作空间；如果欲铺设的管线12直径大，则出口坑必须延长成适合管道平直回拖的长槽。

2、钻机141的安装与就位。

钻机141进场前，要在钻孔的入土点和出土点的位置开挖工作坑112，工作坑112挖好后，即可进行安放钻机141，钻机141的安置主要考虑设计钻杆 142的入土角，根据设计钻杆142的入土角来调整钻机141架设的角度和方向，设备应安装在生产管中心线延伸的起始位置并调整机架方位至符合设计钻孔轴线。钻机141安放好后，要进行钻机141的锚固，土层坚硬且干燥可适用直锚杆，土层松散可采用混凝土基础或沉箱螺旋锚杆锚固定位，钻机141的锚固能力反映了钻机141在给进和回拉施工时发挥其本身功率的能力。钻机141就位后，根据施工场地的不同土层情况选择合适的钻头143和钻具组合，将钻具组合检查安装好。

四、泥浆制备、试钻、导向孔111的钻进。

1、泥浆制备。

泥浆指水与膨润土或聚合物的混合物，有时还需加入某些泥浆处理剂。组成非开挖钻进泥浆的基本物质是水和粘土,而其中粘土对泥浆性能的影响是一个决定性的因素。泥浆的性质和性能主要取决于粘土颗粒的矿物类型及其在水中的性质、分散粒度的大小、分布粘土的总含量及这些微粒和处理剂的作用等。

非开挖用粘土主要是膨润土，膨润土晶胞间联系松散,可交换的阳离子数目多,水分子易进入晶胞间,所以易膨胀水化,分散性好,造浆率高。由于一般膨润土均为钙质膨润土,为了提高钙质膨润土的造浆性能,须对其进行碱化处理,在用钙质膨润土配浆时时,加入适量纯碱,改变土的性能,使其成为钠质膨润土。一般地加入纯碱碳酸钠的比重约为粘土重量的5％～6％即可。配浆用水一般是就地取水,但要求水质干净、无杂质、无污染的水源。为了保证泥浆在钻进过程中的稳定性,提高泥浆的性能以适应各种情况下的钻进要求,必须对泥浆进行化学处理,加泥浆处理剂是处理泥浆的常用方法。处理剂分无机处理剂和有机处理剂, 针对不同的土层,可选用不同的泥浆处理剂进行处理。

2、选择导向设备。

导向设备的导向系统主要有手持式跟踪系统和有缆式导向系统，两种系统的定位和导向性能都能满足常规水平定向钻进穿越工程的需要。目前使用最广的导向系统是手持式跟踪(walk-over)系统，它是以一个装在钻头143后部空腔内的探测器131或探头为基础，发射探头发出的无线电信号由控向人员手持的地面接收器132接收，接收到的信号经接受仪处理后显示出接收信号的各项参数。

三、钻进导向孔111。

钻机141开启后应进行试运转，确定设备各部分运转正常后方可钻进；在第一根钻杆142入土钻进时，应轻压慢转稳定入土位置，符合设计入土角后方可实施钻进，在钻进液喷射钻进的辅助作用下，钻孔不断向前延伸，在坚硬的岩层中，需要泥浆马达钻进，钻杆142的末端有一个弯接头控制轨迹的方向。

导向孔111钻进时，造斜段测量频率一般情况为每0.5-1.0m/次，直线段测量频率一般为每根钻杆142一次，对原有地下管线位置、关键的出入土点、钻进有坡度要求的孔或调整钻孔轨迹时，应增加测量频率，将测量数据与设计轨迹进行比较，随时纠偏，以确认下一段要钻进的方向。

曲线段钻进时，应按地层11条件调整推进力，避免钻杆142发生过度弯曲。

造斜段顶进时，一次顶进长度宜小于0.5～1.0m，同时应观察延伸长度顶角变量，顶角变量应符合钻杆142极限弯曲强度要求，采取分段施钻，使延伸长度顶角应变化均匀。

导向孔111相邻两测量点之间轨迹偏离误差不得大于终孔孔径，发现偏离误差应及时纠偏。

在钻进过程中，接收器接收并显示造斜面的面向角等各种参数，并同步显示在钻机141的遥感显示器上，操作人员应根据显示的情况，掌握孔内钻头143 和钻孔轨迹情况，当发现钻孔轨迹偏离原有设计轨迹时，操作人员通过调整钻头143造斜面的方向来进行造斜纠偏，直到钻头143的实际位置与钻孔设计轨迹相同，这样就会钻出与设计轨迹相同的导向孔111。

当钻头143在出口坑露出地面时，应测量实际出土点是否在允许误差范围之内。如果钻孔的一部分超出误差范围，可能要拉回钻杆142，重新钻进钻孔的偏斜部分。当出土点满足要求时，取下钻头143和相关钻具，开始扩孔和回拉。

四、钻进液。

钻进液通常就是钻进泥浆，在非开挖定向钻进施工中，钻进液用于携带钻屑、稳固孔壁、降低回转扭矩和拉管阻力、冷却钻头143和发射探头及喷射钻进等。与孔壁环状空间里的钻进液还有悬浮和润滑作用，有利于的回拖。

钻进泥浆由泥浆泵泵入钻杆142，从钻头143喷嘴喷射出来，再经钻杆142 与孔壁的环状间隙返回地面，从钻孔中返回的泥浆需要经泥浆沉淀池或泥浆净化设备处理后，再送回泥浆池，或与新泥浆混合后再使用。钻进液是一种由清水+膨润土+少量的聚合物+处理剂的混合物。膨润土是常用的泥浆材料，它是一种无害的泥浆材料。

五、预(回)扩孔。

扩孔的施工应符合下列要求：

导向孔111成型后，要在出口坑处将导向孔111施工时安装在钻杆142前端的钻头143卸下来，连接上扩孔钻头161和旋转接头，在旋转接头的后部再接上回拉钻杆，之后回拉钻杆进行扩孔钻进施工。扩孔钻头161到达钻机141 一侧的工作坑后，首先卸下扩孔钻头161及回转接头；然后将钻机141上的钻杆142与回拉钻杆连接起来；在出口工作坑中的连接钻杆142后，连接另一更大的扩孔钻头及回转接头；然后再接第二次回拉用的钻杆，进行第二次的扩孔钻进，循环往复扩孔直至达到要求。

六、回拖管线12。

当钻孔扩大至所需孔径后，即可将需铺设的成品管拉入充满泥浆的孔中。管子最好预先全部连接妥当，以利于一次拉入，管材的强度及环刚度必须满足设计和施工阶段的荷载要求。当地层11情况复杂，如：钻孔缩径或孔壁垮塌，可能对分段拉管造成困难。回拉管时，应将扩孔器接在钻杆142上，然后再用一个单动接头和拉管头与成品的管线12连接好，单动接头的作用是防止管线12与扩孔器一起回转而拧坏管线12，从而保证管线12能够平滑地回拖成功。

回拉管线12进入钻孔时入孔角应与导向孔111、以及钻杆142出土角基本一致，回拉作业应连续进行。

拉管头与所铺管线12的连接方式对钢管主要采用焊接方式，对PVC、PE 管等主要采用管线连接头或夹管装置。

七、回填工作坑、清理场地。

在回拉完成后，还应将管头拉出一段长度，一般约为管材总长度的3％，并应对成品管两端进行封堵，避免异物进入管内。根据回拉管材不同的用途，还应进行管材相关的测试试验，待试验合格后，应及时清理现场泥浆、渣土和废弃物，并按要求回填压实工作坑。

八、注浆加固地基。

为了避免地面沉降，提高地基的承载力，预防管涌并隔断水源，拉管完后需要进行注浆加固处理。

拉管施工前在管线12前端连接两根与PE管同长度的Φ25钢管,与管线12 一同拉入土中并一同到达拉管设计终点桩号，到达终点后，解除Φ25钢管与管线12的连接，在两根钢管前面各加一根6m长同直径的注浆花管，每拽入6m，把钢管和拉管机的连接取消，换成和高压注浆泵连接，注入1：1水泥、粉煤灰浆液(0.4Mpa)，从而置换触变泥浆，填充管线12周围的空隙。然后再换再拉，再拉再注，反复进行。直到把钢管全部拉出，注浆结束。

这样即完成了本优选实施例的非开挖水平定向钻进铺管结构的施工过程。

综上所述，虽然本实用新型已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本实用新型，本领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本实用新型的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种单向非开挖定向钻进铺管结构，用于在地层中铺设管线，其特征在于，所述铺管结构包括

导向孔，设置在地层中，用于铺设管线，所述导向孔一端设有与所述地层表面连通的入口点，所述导向孔另一端设有与所述地层表面连通的出口点；以及

管线，设置在所述导向孔中，所述管线包括延伸段、设置在所述延伸段一端的第一曲线段，以及设置在所述延伸段另一端的第二曲线段，

所述第一曲线段通过延伸段与所述第二曲线段连接，所述第一曲线段一端所述入口点延伸出所述地层，述第二曲线段另一端从所述出口点延伸出所述地层。

2.根据权利要求1所述的单向非开挖定向钻进铺管结构，其特征在于，所述导向孔与所述管线之间填充有泥浆层，所述泥浆层用于填充所述管线周围的空隙。

3.根据权利要求2所述的单向非开挖定向钻进铺管结构，其特征在于，延伸出所述地层表面的所述第一曲线段与所述地层表面之间的夹角范围介于8°～20°之间。

4.根据权利要求1所述的单向非开挖定向钻进铺管结构，其特征在于，延伸出所述出口点的所述第二曲线段与所述地层表面之间的夹角范围介于0°～20°之间。

5.根据权利要求4所述的单向非开挖定向钻进铺管结构，其特征在于，设置在所述地层中的所述管线，与所述地层表面之间的距离介于0m～15mm之间。

6.根据权利要求5所述的单向非开挖定向钻进铺管结构，其特征在于，所述管线包括至少两组拼接连接的管材，使得所述管线长度可调。

7.根据权利要求6所述的单向非开挖定向钻进铺管结构，其特征在于，所述管材的外圈直径介于50mm～63mm，相邻所述管材间热熔对接连接或热熔承插连接。

8.根据权利要求6所述的单向非开挖定向钻进铺管结构，其特征在于，所述管材的外圈直径介于75mm～1000mm，相邻所述管材间热熔对接连接或热熔承插连接。

9.根据权利要求8所述的单向非开挖定向钻进铺管结构，其特征在于，所述出口点下方设有出口工作坑，所述出口工作坑与所述出口点连通，

所述出口工作坑内设有用于支撑所述管线的支撑架。

10.根据权利要求9所述的单向非开挖定向钻进铺管结构，其特征在于，所述出口工作坑底端设有加强槽，所述支撑架包括固定部以及支撑部，

所述固定部设置在所述加强槽内，所述支撑部设置在所述固定部顶端，且所述支撑部包括两个相对设置的限位块，所述限位块用于限定所述管线的位置。

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