測調查報告水平定向鉆機綜合分析世界工

水平定向鉆機 (第一分)
◇徐工研究院 張啟君

概述

水平定向鉆機是在不開挖地表面的條件下，加拿大為13.0%;2006年世界工程機械市場繼續(xù)看好，鋪設多種地下公用設施(管道、電纜等)的一種施工機 械，增長速度將進一步加快，它廣泛應用于供水、電力、電訊、天然氣、煤氣、石油等管線鋪設施工中，預計同比增長9.0%，它適用于沙土、粘土、 卵石等地況，但美國和加拿大增長速度放慢，我國大分非硬巖地區(qū)都可施工。工作環(huán)境溫度為-15℃~+45℃。水平定向鉆進技術是 將石油工業(yè)的定向鉆進技術和傳統(tǒng)的管線施工方法結合在一起的一項施工新技術，預計美國同比為9.3%，它具有施工速度 快、施工精度高、成本低等優(yōu)點，下降4.6個百分點，廣泛應用于供水、煤氣、電力、電訊、天然氣、石油等管線鋪設施工 工程中。水平定向鉆進設備，加拿大為8.0%，在十幾年間也獲得了飛速發(fā)展，下降5個百分點。分產品類別看，成為發(fā)達中新興的產業(yè)。目前其發(fā) 展趨勢正朝著大型化和微型化、適應硬巖作業(yè)、自備式錨固系統(tǒng)、鉆桿自動堆放與提取、鉆桿連接自 動潤滑、防觸電系統(tǒng)等自動化作業(yè)功能、超深度導向監(jiān)控、應用范圍廣等特征發(fā)展。該種設備一般適 用于管徑φ300~φ1200mm的鋼管、PE管，鏟運機械全球市場需求2005年預計比2004年增長8.0%，最大鋪管長度可達1500m，2006年比2005年預計增長11.3%，適應于軟土到硬巖多種土壤條 件，其中美國分別為12.9%和6.6%，應用前景廣闊。下面因此對水平定向鉆的研究意義十分重要！

1 水平定向鉆機的相關產品與關鍵技術及分類

1.1國內外相關產品的發(fā)展特點

國內有徐工的ZD1245/ZD1550/ZD2070/ZD25100系列水平定向鉆機，加拿大分別為14.3%和6.8%。起重機械:全球市場需求2005年預計比2004年增長6.4%，ZD系列水平定向鉆 機在國內首次采用了電液比例控制技術、機電液一體化PLC控制技術、動力頭閉式回路節(jié)能、防觸電報警等多項先進技術。在鉆桿自動裝卸鉆桿、 自動錨固、自動潤滑、自動鉆進和回拖、觸電保護等方面具有創(chuàng)新點，2006年預計比2005年增長7.6%，主要技術性能指標達到了 國外同類產品的先進水平，其中美國分別為29.0%和17.7%，在提高工作效率，加拿大分別為19.9%和15.1%。瀝青機械:全球市場需求2005年預計比2004年增長8.4%，安全防護，2006年預計比2005年增長14.5%，減輕勞動強度等方面居國內同類型產品 的領先水平。為目前國內技術最先進，其中美國分別為12.6%和10.2%，自動化程度的鉆機。地質科學院勘探技術研究所、 連云港黃海機械廠、北京土行孫非挖技術有限公司生產的DDW80、DDW100、DDW200系列水平 定向鉆、中聯(lián)重科、深圳鉆通公司生產的ZT10，加拿大分別為13.49%和7.21%。混凝土及骨料設備:全球市場需求預計2005年比2004年增長9.3%，ZT12、ZT15、ZT20系列水平定向鉆。在以上的 國內鉆機中目前以徐工的ZD系列水平定向鉆機的配備為最好，2006年比2005年增長8.6%，該系列產品在國內首次采用了電 液比例控制技術、機電液一體化PLC控制技術、動力頭閉式回路節(jié)能、防觸電報警等多項先進技術。 在鉆桿自動裝卸鉆桿、自動錨固、自動潤滑、自動鉆進和回拖、觸電保護等方面領先，其中美國分別為14.0%和10.2%，主要技術 性能指標達到了國外同類產品的先進水平，在提高工作效率，加拿大分別為19.9%和15.1%。瀝青機械:全球市場需求2005年預計比2004年增長8.4%，安全防護，2006年預計比2005年增長14.5%，減輕勞動強度等方面居 國內同類型產品的領先水平。國外的Ditch Witch公司是世界上生產非開挖定向鉆機較先進的公司，具有先進的控制技術和良好的通訊設備，技術性 能先進、操作性能良好，目前生產的系列產品有JT520、JT920L、JT1720M I、JT4020MI、JT7020MI和廣普型鉆機JT2720AT、JT4020AT等中小型鉆 機。Ditch Witch的鉆孔資料處理系統(tǒng)，可進行鉆孔軌跡設計，進行相關鉆孔數(shù)據(jù)的記錄。其中 DitchWitch公司JT2720/JT2720M、JT4020/JT4020M型定向鉆是其在我國銷售的主導產品。VERMEER公司是世界上另一非開挖設備的著名生產廠家，其水平定向鉆機從迷你型鉆機到大型 鉆機有多種型號，主要有：PL8000、D7*11A、D10*15A、D16*20A、D18*22、D24*26、D24* 40、D33*44、D40*40、D50*100、D80*120、D100*120、D150*300、D200*300、D300*500等 ；美國CASE公司生產的60系列五種型號，美國凱斯公司是發(fā)展水平定向鉆產業(yè)較晚的公司，產品 有凱斯6010、凱斯6030等型號的新型定向鉆，但生產的產品性能先進，尤其是在PLC控制，自動 更換鉆桿等方面有其獨特的先進性和優(yōu)越性。其中凱斯6030型定向鉆是其在我國銷售的主導產 品，主軸最大扭矩5423N.m，主軸三速旋轉，最大進給力與回拖力均為13.6T，滿載鉆桿整機重 量7.8T，可滿足一般施工工程的需要。典型的施工工程有上海信息港工程、黃埔江工程等。另外， 生產水平定向鉆機的國外公司還有美國的AUGERS公司，INGERSOLL―RAND公司，德國 的FLOWTEX、HUTTE公司，英國的POWERMOLE、STEVE VICK公司，瑞士的TERRA公司，加拿大的UTILX公司和意大利的 TECNIWELL公司等。目前國外水平定向鉆的產品大都具有以下幾個技術特點：主軸驅動齒輪箱 采用高強度鋼體結構，傳動扭矩大，性能可靠；全自動的鉆桿裝卸存取裝置；大流量的泥漿供應系統(tǒng) 和流量自動控制裝置；先進的液壓負載反饋，多種電氣邏輯控制系統(tǒng)，高質量的PLC電子 電路系統(tǒng)確保長時間地工作可靠性；高強度整體式鉆桿以及鉆進和回拖鉆具；快速錨固定位 裝置；先進的電子導向發(fā)射和接收系統(tǒng)。

綜合國外水平定向鉆機的特點，主要有：

1)中小型定向鉆機多采用橡膠履帶底盤，具有自行走功能，減小對人行道和草坪的損壞。帶鉆桿 自動裝卸裝置，可方便地裝卸鉆桿，減輕操作者的勞動強度，提高工作效率；大型鉆機帶隨車吊，便 于吊裝鉆桿；

2)系列化程度高，從2T到600T，適合不同口徑和長度，各類地層的施工；具有多種硬巖施工方 法，如泥漿馬達、頂沖擊、雙管鉆進，能進行軟、硬巖層的施工。

3)液壓系統(tǒng)采用電液比例控制技術，或負荷傳感系統(tǒng)，液壓元件采用了國際先進成熟的產品；

4)應用先進的PLC控制和電液比例控制技術，主要實現(xiàn)四個方面的自動控制功能：自動鉆進，自 動回拖、自動錨固，和行走時的無級變速控制和轉向控制，自動化程度高。

5)作業(yè)安全和舒適，具有駕駛室，具有無線 (或有線)導向控制系統(tǒng)、地下電纜與管道探測技術、防觸電安全保護技術、遠程控制緊急停機技術等安全 措施，確保機器和人員的安全。

6)先進的鉆進規(guī)劃設計軟件：如VERMEER公司的ATLAS BORE PLANNER軟件和美國十方公司的DRILLSMART軟件等，專為HDD(水平定向 鉆進)施工而，可根據(jù)施工要求和資料，模擬生成設計施工路線和報告。

國內外同類技術及廠家比較表如表1、表2下：

表1 國內外同類技術比較表

表2 國內外同類廠家比較表

1.2水平定向鉆機分類

按照水平定向鉆機所提供的推拉力和扭矩的大小，可將定向鉆機分為大、中、小型類。各類 鉆機的主要性能參數(shù)和應用范圍見表3

表3 水平定向鉆機分類

1.3 水平定向鉆的關鍵技術

1.3.1中空動力頭

中空動力頭的設計的實現(xiàn)：中空動力頭是水平定向鉆的關鍵作業(yè)件，其可靠性及質量的好壞將 直接影響整機的正常使用，該件應實現(xiàn)鉆進和輸送泥漿的功能，同時要考慮齒輪的潤滑，泥漿輸送 系統(tǒng)的密封等。動力頭一般由低速大扭矩馬達驅動減速機，由減速機驅動減速箱機構，由減速箱輸出 軸驅動鉆桿轉動，輸出軸中空，輸出軸一端接有旋轉接頭，通過旋轉接頭注入泥漿。另外目前在國內 市場上12到15噸級的水平定向鉆機，進口的主要有美國凱斯公司的6030、威猛公司的D24X40A、溝 神公司的JT2720，國內廠家有北京土行孫的DDW-150、連云港黃海的FDP-15、深圳鉆通的ZT-15、徐 工集團的ZD1245等。其國內外動力頭性能參數(shù)對比見表4 ：從上面的動力頭的性能參數(shù)對比來看，國內動力頭在推拉力、旋轉扭矩、轉速及泥漿通流 量等參數(shù)基本相同，國外各廠家為了適應不同的用戶市場，主要參數(shù)各有所差別，有的側重于大的旋 轉扭矩，有的側重于大的推拉力。一般而言，最大輸出扭矩的多少決定了鉆機擴孔能力的大小，最大 拉力的大小決定了拖拉管道的長度。事實上如果擴孔質量好，鉆機不需要很大的拉力就能將管線拉 動。還應清楚動力頭采用的中、低速液壓馬達驅動，驅動方式；目前主要有三種：選用通孔式低速大扭 矩馬達直接驅動，泥漿直接從中間通孔輸入，輸出軸直接連接鉆具。此種方式受液壓馬達的限制，僅 限于小型鉆機中應用；選用低速大扭矩液壓馬達經齒輪箱驅動，根據(jù)回轉扭矩的需要可以由一個液壓 馬達驅動，也可以由兩個、甚至是三個液壓馬達驅動。液壓馬達可以在齒輪箱的前后對稱，也可以環(huán) 繞輸出軸成環(huán)形或扇形布置。馬達有選用法國波克蘭公司的徑向柱塞馬達，如CASE、威猛的鉆機；由于擺線馬達價格較低，國內廠家多選用擺線馬達。 齒輪箱一般需一級齒輪減速。此種方式應用較普遍；液壓馬達通過減速機再經齒輪減速箱驅動。液 壓馬達為高速馬達，可以是一個或兩個，減速機選用行星齒輪減速機。齒輪箱一般需兩級齒輪減速。 由于高速馬達、行星減速機比較成熟，二者結合使動力頭的轉速范圍更寬，且其價格和低速大扭矩方 案差不多，徑向尺寸相對較小。

表4 國內外動力頭性能參數(shù)對比表

1.3.2導向定位

導向定位檢測與控制系統(tǒng)：導向定位檢測與控制系統(tǒng)是該鉆機的主要輔助作業(yè)件，該件采用 無線或有線探頭發(fā)射裝置及地面接收顯示裝置，探測深度一般為10~15M，且可連續(xù)顯示測量頂角及 鉆頭面向角。

1.3.3自動裝卸裝置

鉆桿柔性自動裝卸裝置及控制：該裝置可較方便地裝卸鉆桿，減輕操作者的勞動強度，提高工作 效率。該裝置采用柔性進給裝置，協(xié)調性要求較高。需對鉆桿的升降、梭臂的伸縮、動力頭的位置、裝 卸完成的檢測等功能進行邏輯控制，實現(xiàn)多動作間的自動切換，提高整機的機械自動化程度。

1.3.4鉆進導向儀

定向鉆進導向儀：該裝置是一套完整的信息系統(tǒng)。它包括智能型的無線抗干擾雙頻探頭或有線探 頭發(fā)射裝置，手提液晶顯示儀及遠距離同步顯示器，探測深度一般為10~16M，可連續(xù)顯示鉆頭的深度、面向角、溫度，電池狀況等信號。以保證施 工的順利完成。

1.3.5管線探測儀

地下管線探測儀(探達)；地下管線探測儀是一種重要的輔助探測設備，它由一臺發(fā)射機和一 臺接收機構成。用于探測工作區(qū)內的地下管線分布情況，為用戶設計鉆進軌跡提供重要的參考依據(jù)。 目前，國內外普遍采用的探測方式有：激光、GPS、超聲波、CT(X光斷層掃描)、CCTV同軸電纜可視 化檢測、陀螺儀等。進口探測儀采用了雙水平線圈和垂直線圈電磁技術、以超聲波的形式對地下管線 進行斷層掃描，根據(jù)多點探測結果可立體地繪制出地下管線分布圖。

1.3.6電氣系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)的先進性與可靠性：關鍵件選用國外先進、可靠的液壓元件，以確保液壓系統(tǒng)的可 靠性。水平定向鉆的電氣系統(tǒng)主要分為：發(fā)動機分、油門控制、泥漿泵控制、自動潤滑控制、地 面行走控制、虎鉗控制、鉆桿的自動裝卸控制、自動鉆進控制、動力頭雙速控制、鉆機的故障診斷 功能、防高壓電保護、鉆進監(jiān)控等幾個分。電器件一般由左控制臺、右控制臺、繼電器箱、輔 助控制臺、設置控制臺、行走控制盒、備用控制盒組成。

2 水平定向鉆機常用結構

水平定向鉆整機主要有底盤、動力頭、鉆架、發(fā)動機系統(tǒng)、鉆桿自動存取裝置、鉆桿自動潤滑裝 置、虎鉗、錨固裝置、鉆具、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及泥漿系統(tǒng)等件組成。

2.1底盤的結構

水平定向鉆機的底盤是指機體與行走機構相連接的件，它把機體的重量傳給行走機構，并緩和 地面?zhèn)鹘o機體的沖擊，保證水平定向鉆機行駛的平順性和工作的穩(wěn)定性，底盤是水平定向鉆機的骨 架，用來安裝所有的總成和件，使整機成為一個整體。水平定向鉆機底盤目前的結構一般為液壓驅 動，剛性連接式車架，底盤主要包括車架及行走裝置，車架為框架焊接結構，上面有發(fā)動機、油水散 熱器、燃油及液壓油箱、操縱裝置等的安裝支架；底盤的行走裝置主要包括驅動輪、導向輪、支重輪、 托鏈輪、履帶總成、履帶漲緊裝置及行走減速機、縱梁等組成、行走裝置中左、右縱梁分別整體焊接 后，與中間整體框架式車架用高強度螺栓連接成為一個整體車架。底盤的車架后端可兩個蛙式支腿或 兩個垂直的支腿，可有效降低支腿分重量及簡化結構，水平定向鉆機工作時支腿支起，增強整車的 穩(wěn)定性。底盤的行走減速機目前一般用進口的內藏式行星減速機(包括馬達)或兩點式變量馬達減速機， 可進口帝人或其它廠家的產品，行走時能夠實現(xiàn)行走快慢雙速，輸出扭矩大、結構緊湊。底盤的行走 裝置主要包括履帶張緊裝置、 橡膠履帶總成、驅動輪、導向輪、支重輪及行走減速機等組成。底盤的 橡膠履帶有兩種結構方式可選擇，一可采用BRIGESTONE公司的整體式橡膠履帶；二可采用 BERCO公司的組合式橡膠履帶的結構，二者相比前者結構簡單，節(jié)距較小，車架高度較低，但后者 強度高，可承受更大的載重量，損壞后可以更換，驅動輪、導向輪、支重輪、履帶張緊裝置都可直接 配套。底盤的履帶張緊裝置由張緊油缸、張緊彈簧、導向輪、油杯等組成。

2.2發(fā)動機系統(tǒng)的結構

水平定向鉆機的發(fā)動機系統(tǒng)一般包括發(fā)動機、散熱器，空濾器，消音器，燃油箱等。一般水平定 向鉆機設計時發(fā)動機選用國外的John Deere增壓水冷發(fā)動機或選用美國康明斯公司的增壓中冷發(fā)動 機，為了適應不同用戶的需求，也可選裝國內的二汽東風的康明斯發(fā)動機及玉柴等廠的發(fā)動機。其水 散熱器、空濾器等附件選用國產配套件，燃油箱自制。

2.3動力頭的結構

水平定向鉆的動力頭的結構一般由一個高速馬達驅動減速機，由減速機驅動動力頭，由減速箱輸 出軸驅動鉆桿轉動，輸出軸中空。動力頭有以下功能：驅動鉆桿鉆頭回轉；承受鉆進、回拖過程中產 生的反力；泥漿進入鉆桿的通道。目前國內水平定向鉆的動力頭結構基本一樣，不同點在于：減速機 的選型不一樣：同噸位的水平定向鉆選不到完全相同的減速機，所以各廠家的該減速比和性能參數(shù)有 所變動。動力頭的減速比不一樣：由于減速機傳動比的改變，所以動力頭的減速比也有變動。目前， 動力頭的傳動方式主要有鏈傳動和齒輪傳動；如CASE鉆機的動力頭的傳動方式為鏈傳動：鏈傳動 的優(yōu)點是結構簡單，制造容易，缺點是傳動平衡性差、壽命短、輸出扭矩小。DITCH WITCH公司鉆機的動力頭的傳動方式為齒輪傳動；齒輪傳動的優(yōu) 點是傳動平衡、使用壽命長、輸出扭矩大；缺點是制造要求精度高。另外動力頭推拉裝置是動力頭回 拉或進給運動的執(zhí)行機構，一般由一對低速大扭矩馬達驅動一對減速機，由減速機驅動鏈輪鏈條機 構，由鏈輪鏈條機構向動力頭提供進給力或回拉力。動力頭推拉裝置目前各廠家不同，如DITCH WITCH公司的鏈輪條機構；該機構的優(yōu)點是工作速度快，工作平穩(wěn)，結構緊湊，成本適中。缺點是 鏈輪鏈條受力較大；CASE公司的鏈輪鏈條倍力機構；該機構的優(yōu)點是鏈條受力是推拉的一半，工作 平穩(wěn)；缺點是工作速度慢，結構尺寸大，成本高；國內廊坊雙油缸機構。該機構的優(yōu)點是回拖力大于 鉆進力，成本較低；缺點是結構尺寸太大，工作的平穩(wěn)性差，使用壽命低，不能用于自動化要求高和 自行走的機型上等。

2.4鉆桿裝卸的結構

目前水平定向鉆機鉆桿裝卸機構 ：該機構一般由鉆桿、鉆桿箱、鉆桿起落、能伸出縮回的梭臂、 鉆桿列數(shù)自動選擇裝置等組成。國內外各廠家的結構不盡相同，主要在鉆桿的存取、輸送上有差別， 有的采用人工存取鉆桿，人工裝卸鉆桿方式作業(yè)不僅效率低而且增加了操作人員的勞動強度；有的采 用四連桿機構存取鉆桿，但它們普遍利用彈簧的回縮力作為夾緊力，經常出現(xiàn)鉆桿脫落等事故，工作 不可靠，不但影響作業(yè)效率，而且可能引起已鉆孔的坍塌、埋鉆等重大事故；有的采用旋轉結構輸送 鉆桿，該機構可較方便地裝卸鉆桿，減輕操作者的勞動強度，提高工作效率。該機構采用柔性進給裝 置，協(xié)調性較高。需對鉆桿的升降、梭臂的伸縮、動力頭的位置、裝卸完成的檢測等功能進行邏輯控制，實現(xiàn)多動作間的自動切換，控制系統(tǒng)采用先進 的PLC控制；總之，上述的動作過程及邏輯控制基本相似，以DITCH WITCH公司的最為先進，溝神的液壓抓手、梭臂液壓止動、絲扣油自動涂抹、列 數(shù)自動選擇裝置等功能，已被作為鉆桿存取的速度、可靠性、效率方面的行業(yè)標準。

2.5虎鉗的結構

水平定向鉆的虎鉗位于鉆機的前，由前、后虎鉗組成。前、后虎鉗都可由液壓油缸徑向推動卡 瓦來夾持鉆桿，且后虎鉗可在液壓油缸的作用下與前虎鉗產生相對旋轉，前后配合以便鉆桿拆卸。國 內除溝神公司外各廠家的結構相似，溝神公司的整個虎鉗是裝在浮動支撐座上，以保護虎鉗在鉆桿裝 卸時免受沖擊。

2.6錨固裝置的結構

水平定向鉆的錨固裝置的作用是在作業(yè)時對整機起穩(wěn)定、錨固作用，提高整機作業(yè)穩(wěn)定性，該 件位于整機的前端。目前各廠家普遍采用的是螺旋鉆進機構；用低速大扭矩馬達驅動螺旋桿，用液壓 油缸施加推、拉力進行鉆進或鉆出，各廠家在具體結構上略有差別。另外，水平定向鉆機錨固裝置配 合整機外形的設計上，一般采用了兩種方案：地錨閥放在錨固裝置，結構布置方便，布管容易；后者 地錨閥另行放置如放在發(fā)動機罩內等，但徹底改變了主機的造型和外觀。

2.7導向系統(tǒng)

水平定向鉆的目前導向系統(tǒng)有手持式系統(tǒng)和有纜式導向系統(tǒng)。前者經濟，使用方便，但要操 作人員直接到達鉆頭上方的地面，易受地形、電磁干擾及探測深度的限制，多在中小型鉆機上使用； 后者可跨越任意地形，不受電磁干擾，但復雜，使用麻煩，效率低，價格高。目前國內市場上主要有 DCI公司的Digitrak導向裝置、雷迪公司的RD386型導向儀等，以DCI的應用最為廣泛，精度和數(shù)據(jù) 處理速度更快，技術較為先進，用戶反應較好。

2.8泥漿系統(tǒng)的結構

水平定向鉆的泥漿系統(tǒng)由隨車泥漿系統(tǒng)與泥漿攪拌系統(tǒng)組成 ；泥漿攪拌系統(tǒng)用于泥漿混配、攪拌、向隨車泥漿系統(tǒng)提供泥漿，隨車泥漿系統(tǒng)將泥 漿加壓，通過動力頭、鉆桿、鉆頭打入孔內，以穩(wěn)定孔壁，降低回轉扭矩、拉管阻力，冷卻鉆頭。發(fā) 射探頭，清除鉆進產生的土屑等。隨車泥漿泵采用液壓馬達驅動方式，選用FMC公司的活塞泥漿泵 或國產的衡陽的活塞泥漿泵，最大流量450L/min，泥漿流量大，可確保泥漿要求：泥漿攪拌系統(tǒng)的要求：攪拌系統(tǒng)應具有攪拌快速均勻、提供大流量泥 漿、可調節(jié)泥漿配比、攪拌與輸送同時進行等功能，攪拌系統(tǒng)裝置包括料斗、汽油機泵、攪拌罐、車載 泥漿泵、相關管路等，泥漿攪拌泵可選用日本等公司的產品。泥漿罐容量為500加侖和1000加侖兩種 泥漿系統(tǒng)，用戶還可選用兩個泥漿罐并聯(lián)，一個攪拌一個供應泥漿。

3 水平定向鉆機的施工工藝

水平定向鉆機施工工藝順序是：現(xiàn)場勘察工藝；鉆進軌跡設計工藝；鉆進先導孔工藝；擴孔鋪 管工藝。

3.1現(xiàn)場勘察工藝

3.1.1首先對施工工程及工地的已有相關資料進行查閱，勘察現(xiàn)場。主要檢查工地的進場路徑、土質 和地層條件、地表地形、有無障礙物、地下管線分布、交通狀況、定位系統(tǒng)的干擾源(如鋼筋條， 鐵軌等)、供水條件等情況。

3.1.2詳細檢查施工圖紙及作業(yè)步驟，確保在回擴鉆孔和回拉管線作業(yè)中考慮到鉆孔孔徑會擴大這一影 響因素。檢查設計中有關參數(shù)，如：開孔傾角、最小深度、最小造斜距離等。

3.1.3與其它公用管線公司聯(lián)系，讓其對地下現(xiàn)有管線進行定位并做上標記。

3.1.4檢測回拖材料的重量和剛性，了解該材料彎曲 半徑，是否與設計路徑有出入。再檢查一下是否有合適的回拖器具。

3.1.5做好安全保護措施，如交通管制，緊急救護措施，驗明地下危險物，明確劃定工地范圍，避免圍 觀者入內。

3.1.6選擇開孔、終孔位置時應考慮以下情況

(1)泥漿攪拌站應置于水平位置。應考慮開孔角度會影響鉆機的安裝、鉆桿的彎曲、不會導致泥 漿流出孔外。

(2)必須注意周圍的機動車和行人，在開孔、終孔位置周圍應留有至少3米的緩沖區(qū)。

(3)檢查開孔、終孔位置周圍是否有足夠的空地保證鉆桿逐漸彎曲。

(4)考慮蔭地、風向、煙霧和場地其它特性。盡量向下坡方向鉆孔，以免泥漿倒流。

3.2鉆進軌跡設計

導向孔的軌跡一般由三段組成：第一造斜段AB、直線段BC、和第二造斜段CD，如圖1所示。

圖1 鉆進軌跡設計

直線長度是管線穿越障礙物的實際長度，第一造斜段是鉆桿進入鋪管位置的過渡段，第二造斜段是鉆 桿出露地的過渡段。因此，對典型的導向鉆進鋪管施工，其導向孔的軌跡由以下幾個基本參數(shù)決定：

(1)穿越起點B₁；

(2)穿越終點C₁；

(3)鋪管深度h；

(4)第一造斜段的曲率半徑R₁；

(5)第二造斜段的曲率半徑R₂。

R₁和R₂主要由鉆桿的曲率半徑和待鋪設管線 的允許彎曲半徑決定。一般取R₁≥1200d，R ₂≥1200D，d和D分別為鉆桿和待鋪設管線的直徑(mm)。

以上五個參數(shù)確定后，其它各項參數(shù)均可用作圖法或計算法來確定。

(1)作圖法：如圖1所示，確定B₁和C₁ 項，按 鋪管深度h即可確定直線段BC，其長度為L。作半徑為R ₁的圓與直線BC相切于B點，與B₁C ₁的延長線相交于A點，該圓在A點的切線與AB₁ 的夾角為入射角α₁(入口傾角)。AB₁ 的長度即為造斜段距離L₁。用類似的方法可畫出CD，并可求出出口傾角 α₂和造斜距離L₂。

(2)計算法：由下述公式分別計算出α₁、α ₂、L₁和L₂。

L₁＝[h(2R₁－h(huán))]^1/2

α₁＝2arctg[h/(2R₁－h(huán))] ^1/2

L₂＝[h(2R₂－h(huán))]^1/2

α₂＝2arctg[h/(2R₁－h(huán))] ^1/2

由作圖法和計算法得出各參數(shù)之后， 還應考慮其它因素對入口傾角和出口傾角的限制。鉆機傾角的可調范圍是限制入口傾角的主要因素，一般鉆機的傾角可在10 ^o~45^o之間調節(jié)。對小直徑的鋼管，考慮到管道的焊接問題，出口傾角 α₂一般應控制在0^o~15^o 內；對于PE和PVE管一般控制在0^o~30^o 以內。對大口徑鋼管，因彎曲半徑α₂太大，L ₂增大，一方面使導向孔距離增長，另一方面也浪費管材， 因此一般用下管工作坑來代替第二造斜段。

總之，設計鉆進軌跡時要考慮工程要求、地層條件、鉆桿的最小曲率半徑、管線的允許曲率半徑、 施工現(xiàn)場的條件、鋪管深度等多方面因素，最后設計出最佳的軌跡曲線，有條件的還可利用現(xiàn)有的設 計規(guī)劃軟件進行優(yōu)化設計。

3.3鉆進先導孔

首先調整鉆進傾角，下固地錨，鉆進時同時驅動泥漿泵泵送泥漿，以供鉆進護壁、鉆頭散熱需要。 鉆進導向是通過地表接收器接收無線探頭體內的探測頭發(fā)出的信號，測出鉆頭位置。需要調整方向時， 動力頭停止旋轉，調整傾斜鉆頭板的方向朝所需方向，只進給而不旋轉，此時地面接收器接收信號， 監(jiān)視進給方向，待方向正確后，繼續(xù)鉆進，整個鉆進過程可多次調整方向，直至鉆進結束。

3.4擴孔鋪管

鉆進結束后，根據(jù)鋪管直徑及種類的不同，換上不同的回擴鉆頭，一次或多次回擴，直至達到所 需孔徑。最后一次回擴時，通過萬向節(jié)與鋪管相連，邊回擴邊拖管直至鋪管結束。如圖2所示：

圖2 擴孔鋪管

3.5泥漿用量的經驗估算方法

任何一種型號的定向鉆機所配置泥漿泵流量是一定的，在鉆進時，泥漿用量相對較少，可調整 泥漿泵在小流量狀態(tài)；在回擴或回拖過程中，由于鉆孔直徑較大，所需泥漿量相對較多。泥漿泵要調整為大流量。操作者應掌握合適的鉆進或回擴速 度，以保證有足夠的泥漿，形成良好的鉆孔。國外有關泥漿公司對此進行了量化，總結出一套泥漿 用量的經驗公式，用戶可根據(jù)該公式進行初步計算每分鐘泥 漿用量、回拖用時、工程所用泥漿總量等相關參數(shù)：

用Q表示泥漿用量(升/米)，用D表示回擴頭直徑(米)，則每米泥漿用量可以按以下公式計算：

Q＝(D²/13)×K×10⁴

K表示一個系數(shù)，通常在2~5之間，根據(jù)土質條件的不同從中選擇，如：在粘性土壤中K 取2~3，而在砂石或泥漿漏失嚴重的地質條件下， K取4~5。

以上計算值為初步估算值，實際應用時泥漿用量比估算值稍大。

3.6鉆液的配置原則

鉆液的配置取決于鉆孔時所面臨的土壤狀況。通常將土壤分為粗土和細土，粗土一般沒有吸水 性，可以使水自由流過顆粒，它一般包括砂土和礫石，細土一般包括粘土和頁巖，它可阻止水滲透到 地層，吸水膨脹。但是，實際施工時所面臨的土質界限并不明顯，可能變化很大或多種土質混合出 現(xiàn)，因此，沒有哪一種鉆液在任何土質中都是最好的，只能配置較好的鉆液。大致的原則是，在粗土 中使用膨潤土，在細土中使用聚合物。有時，甚至同一個工程中使用多種鉆液。下面是國外某公司生 產的膨潤土產品混合配比表5，僅供參考。

表5 某國產品品牌膨潤土產品混合配比表

水平定向鉆機(第二分)
◇徐工研究院 張啟君 鄭 華 陳 慧

概述

水平定向鉆機底盤易出現(xiàn)的“問題”，表現(xiàn)為整機行走時，導向輪、驅動輪、支重輪與履帶鏈軌 之間發(fā)生非正常摩擦，影響履帶的使用壽命。水平定向鉆機的履帶與上述“三輪”間都有側隙，正常 情況下，水平定向鉆機的履帶與”三輪“之間會發(fā)生正常摩擦，但不會發(fā)生“問題“。造成“問題” 的根本原因是：履帶不能正確的卷繞；“三輪”的中心面不重合。

1 水平定向鉆機導向輪引起的“問題”

水平定向鉆機導向輪是行走裝置的重要零件，其安裝位置的正確與否對行走裝置的壽命有很大的 影響。在正常情況下，履帶應在導向輪中間卷繞，除了在轉彎時有短暫側移外，履帶一般不會側滑。 但是，如果導向輪出現(xiàn)歪斜，履帶將受到一個朝向不歪斜方向的分力作用，使其產生軸向移動，從而 出現(xiàn)“問題”現(xiàn)象。導向輪傾斜的方向不同，引起導向輪“問題”的位置也不同，如果導向輪在水平 面內發(fā)生傾斜，將在導向輪的前方產生“問題”；若在垂直面內發(fā)生傾斜，通常是在導向輪的上、下方發(fā)生“問題”，嚴重時能引起前支重輪掉邊；當 兩種傾斜同時存在時，就會發(fā)生“八字形問題”現(xiàn)象。由此可見，導向輪安裝位置的正確與否，對履 帶是否“問題”有很大的影響。

影響水平定向鉆的導向輪安裝位置的因素主要是：

(1)導向輪軸兩端安裝銷的圓孔中心線對稱度超差，裝配后造成導向輪縱向中心線與履帶架縱向 中心線不重合。

(2)導向輪軸兩端安裝銷的圓孔中心線不平行，造成導向輪安裝后傾斜。

另外，導向輪若有加工缺陷也會引起“問題”，如：導向輪中間臺肩加工時產生軸向偏移；兩邊滾 道直徑不同，使兩邊履帶的拉緊力不同，履帶易遷移，滾道母線與履帶銷軸線不平行，從而使履帶 側滑。

2 水平定向鉆機支重輪引起的“問題”

水平定向鉆機支重輪的作用是將機器的重量傳遞給履帶。在機器行駛過程中，它除了沿履帶的軌面滾動外，還要夾持履帶，不讓它橫向滑脫；在機器轉向時，它又要使履帶在地面上橫向滑移。支重 輪分單邊、雙邊兩種，以ZD1245型水平定向鉆的為例，共有18個支重輪，均為單邊支重輪。多個 單邊支重輪共同形成一條滾道，履帶在軌道上滾動。當軌道母線與驅動輪中心線及導向輪中心線 不重合時，將導致支重輪“問題”。

水平定向鉆的支重輪“問題”的原因主要是：

(1)支重輪固定螺栓松動，造成支重輪軸向位置變動或發(fā)生歪斜。

(2)支重輪的中間凸緣加工時產生了偏移。

(3)滾道母線與履帶銷軸線不平行使履帶側滑。

(4)支重輪兩邊滾道直徑不同。

(5)支重輪加工時，滾道軸向尺寸過小，使其與履帶的間隙小于導向輪與履帶的間隙，引起“問 題”

3水平定向鉆機驅動輪引起的“問題”

水平定向鉆的驅動輪與履帶之間的側隙最大，一般不會發(fā)生“問題”，但如果其中心線與導向輪、 支重輪的中心線不重合時也會引起履帶的“問題”。

水平定向鉆機驅動輪“問題”的主要原因有：

(1)齒箱座安裝孔定位面與驅動輪軸向中心線的垂直度超差，造成驅動輪中心線與履帶架縱向 中心線不垂直。

(2)齒箱座軸向尺寸加工時超差，引起驅動輪安裝不到位，使其中心線與履帶架縱向中心線不 重合。

4水平定向鉆機履帶架變形引起的“問題”

水平定向鉆機履帶架是焊接而成的矩形框架結構?！八妮啞焙途彌_裝置都安裝于其上。履帶架 變形將破壞“三輪”與驅動輪的位置關系，從而引起“問題”

水平定向鉆的履帶架變形引起的“問題”的主要原因是：

(1)履帶架彎曲。履帶架彎曲包括其水平面內和垂直平面內的彎曲；從對整機使用的影響來看， 水平面內的彎曲對“問題”影響最大，同時還會引起整機跑偏。

(2)履帶架前開襠變形。一是向外分開，二是開襠歪斜。

5水平定向鉆的磨損及其他原因引起的“問題”

水平定向鉆的車架的工作環(huán)境惡劣并承受較大的外力，故容易出現(xiàn)磨損。引起“問題”的主要原 因有：

(1)車架安裝面與履帶架配合表面帖合不好，破壞了履帶架與車架的垂直度。

(2)整機使用過程中有異物夾在導向輪與履帶架之間，致使導向輪無法進行調整。

總之，引起水平定向鉆機“問題”的原因是非常復雜的，不但要重視加工、裝配過程中的問題， 更應該在使用中經常對行走件進行不定期的檢查、調整，以防止“問題”的發(fā)生。即：檢查水平 定向鉆機導向輪外緣與履帶架之間的間隙，達不到要求時要進行相應的調整；調整水平定向鉆機托鏈 輪的軸向位置；檢查水平定向鉆的導向輪與履帶架之間是否有異物等。

水平定向鉆機 (第三分)
◇徐工研究院 張啟君

在水平定向鉆機施工過程中，需要使用與鉆機功率相匹配的泥漿液攪拌裝置，對于鉆頭的鉆 進和殼壁的支撐保護有著十分重要的作用。目前，水平定向鉆 機泥漿攪拌裝置中，膨潤土是經罐體上面的料斗而進入攪拌罐內的，泥漿罐內攪拌是 采取電動機帶動離心泵來攪拌。在實際工作過程中存在以下問題：（1）加膨潤土的料斗過高，故 易造成膨潤土的粉末從料斗飛出而傷害操作人員（2）離心泵與罐體的密封結構分經常泄漏（3） 因罐體內混合液的PH值不斷在變化，故造成離心泵要經常更換，而且罐體內的攪拌器更換次數(shù)增 加等等。

本文介紹一種新型泥漿攪拌裝置，它是一種為水平定向鉆提供 鉆進所用泥漿的一種新型高效攪拌設備，并可在其它需要用混合配比漿液的場 合使用。

1新型泥漿攪拌裝置的結構

該新型攪拌裝置結構簡單，分為以下幾大系統(tǒng)；汽油機泵與攪拌罐間通過軟管連接系統(tǒng)，該系 統(tǒng)由汽油機泵、軟管、Y型過濾器、彎頭等組成，其特點為：汽油機泵不斷地將泥漿液通過Y型過濾器 不停地攪拌；罐頂噴管系統(tǒng)，該系統(tǒng)由內外絲接頭、噴管、圓柱連接體、彎頭、過濾罩、三通、管 道內文丘里噴嘴、彎頭、墊圈、鎖緊螺母、塑料管、內襯噴嘴組成，內外絲接頭固定在噴管上，噴管固 定在三通上，彎頭、過濾罩固定在圓柱連接體上，圓柱連接體固定在三通上，內襯噴嘴固定在管道內文 丘里噴嘴上，管道內文丘里噴嘴、彎頭固定在塑料管上，墊圈、鎖緊螺母固定在攪拌罐上等組成，固 定在攪拌罐的上面，其特點為：一方面對攪拌罐內的混合液不斷攪拌，另一方面在系統(tǒng)循環(huán)的同時通過罐頂噴管系統(tǒng)內的文丘里噴嘴而形成的負壓，經進料塑料軟管將膨潤土自動吸入攪拌罐內，可迅 速完成攪拌罐內泥漿的配比要求；下噴管系統(tǒng)，該系統(tǒng)由罐內文丘里噴嘴、加強筋、罐內噴嘴、內 鎖緊螺母、軟墊圈、外鎖緊螺母、彎頭、水管、外墊圈組成，其特點為：罐內文丘里噴嘴焊在加強筋 上，由大小頭、直圓管、管徑擴大管組成，罐內噴嘴一端焊在加強筋上，另一端固定在內鎖緊螺母 上，其頭端為大小頭，內鎖緊螺母、軟墊圈、外鎖緊螺母、外墊圈固定在攪拌罐上，水管固定在彎頭 上，彎頭固定在外鎖緊螺母上。

2新型泥漿攪拌裝置的結構的工作原理

先將水通過加水口10注入罐內，汽油機泵將水從底膠管1吸入并打入進水膠管3，經Y型過 濾器5過濾，分為兩路：經罐頂噴管系統(tǒng)9
從罐體11頂噴下；另經四通閥14和膠管15從底噴管系統(tǒng)2噴出，以此可大大地增加攪拌效 率；同時罐頂噴管系統(tǒng)9利用系統(tǒng)內的文丘里噴嘴產生的負壓將膨潤土從塑料管7內吸入并與水液 混合攪拌，混合液在罐體11內得到不斷循環(huán)攪拌，從而達到配制泥漿液的目的。另外，水與膨潤土的 配比可通過膨潤土的吸入量來控制。一般十分鐘左右即可完成1700L液體的配制。

3結束語

本新型泥漿攪拌裝置是克服了膨潤土粉末的飛出；解決了離心泵與罐體的密封結構分經常漏液 而造成環(huán)境污染的問題；離心泵和罐體內的攪拌器要經常更換時間延長的問題。該裝置具有制漿快速 高效，自動化程度高，可提供不同配比的泥漿液等特點，經過生產試制、型式試驗和工業(yè)試驗，取得 較好的效果，達到了預期的設計目的。

新型泥漿攪拌裝置視圖

(去掉件1、件12、件13及相關管路)

新型泥漿攪拌裝置左視圖

底噴管系統(tǒng)

罐頂噴管系統(tǒng)

工程機械2005.NO.12

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