邱玲玲,烏效鳴,孟凡威

(中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院,湖北武漢 430074)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的大力發(fā)展,水平定向鉆進技術(shù)廣泛應(yīng)用于供水、煤氣、天然氣、污水、電力和電信電纜等公用事業(yè)管線的鋪設(shè)。但其遇到的問題也是比較復(fù)雜。例如在進行定向鉆進施工前對鉆機型號的選擇沒有可參考的依據(jù),在施工設(shè)計時,只是人為的分配擴孔級數(shù),沒有科學(xué)高效的分配擴孔級徑,而在鉆機開動時,對回拉速度與回轉(zhuǎn)速度方面也達不到最優(yōu)化的效果,諸如此類往往會出現(xiàn)“大馬拉小車”或“小馬拉大車”等不協(xié)調(diào)的情況,造成設(shè)備的適應(yīng)能力差或高頻率出現(xiàn)鉆孔事故等。

本文通過對擠壓時鉆頭的力學(xué)分析建立的拉力-扭矩模型很好的解決了以上的問題。

1 鉆頭拉力 -扭矩模型建立

1.1 鉆頭鉆進過程分析

水平定向鉆進在回轉(zhuǎn)鉆進時,鉆頭在與土體平面接觸后,假設(shè)鉆頭回轉(zhuǎn)一周進尺為 h,在軸向力的作用下,鉆頭尖端先切入土層,則鉆頭切入土層的深度為 h,在回轉(zhuǎn)力的作用下,鉆頭回轉(zhuǎn)一周,將其所經(jīng)過部分的土體破壞掉,鉆頭在軸向力和回轉(zhuǎn)力的作用下繼續(xù)鉆進,鉆頭尖部又吃入土層 h深度,而此時,鉆頭斜面只與中部土體圓臺區(qū)域接觸。該部分土體將產(chǎn)生變形。隨著鉆頭的回轉(zhuǎn),圓錐體面上的土體都將產(chǎn)生變形,這樣循環(huán)往復(fù),鉆孔就會不斷地加深。而破碎下來的土體,其中部將進入鉆頭上部,另一部分將被擠入土層。該部分土體在鉆頭斜面的作用下發(fā)生破壞,鉆頭提供破壞該部分土和克服側(cè)壁摩擦所需的力。

1.2 模型建立

1.2.1 基本假設(shè)

(1)鉆頭為剛性體形;

(2)鉆頭橫截面為圓形;

(3)鉆頭與孔壁連續(xù)接觸;

(4)摩擦系數(shù)在某孔段為常數(shù);

(5)把一切引起軸向阻力和旋轉(zhuǎn)扭矩增加的因素都等價于鉆頭與孔壁摩擦系數(shù)的變化。

1.2.2 鉆頭 (以擠壓式鉆頭為例)拉力 -扭矩方程

圖1為工程中常用的擠壓時鉆頭實體,圖 2為其相應(yīng)的力學(xué)模型的示意圖,鉆頭的錐度為α,前一級孔半徑為 r,鉆頭半徑為 R,土體摩擦系數(shù)為 f。

圓臺的側(cè)面積:s=πl(wèi)(R+r)〔其中 l為圓臺的母線 ,l=(R-r)/sinα〕。

圖1 擠壓式鉆頭

圖2 擠壓式鉆頭模型

(1)單位面積上的正壓力

(3)微圓臺環(huán)側(cè)面積

(4)微側(cè)環(huán)產(chǎn)生的扭矩

(5)對圓臺面積進行積分,求出總扭矩

2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證

當(dāng)鉆孔資料的摩擦系數(shù)確定后,利用以建拉力-扭矩模型預(yù)測鉆機扭矩。對上海市伽利略路某電纜鋪設(shè)非開挖工程進行扭矩預(yù)測計算。

該鉆孔長 180 m,鉆機型號為 D100×120,鉆桿長度 6 m,鉆頭直徑 600 mm,前一級鉆孔直徑 400 mm,土體的摩擦系數(shù) 0.3,鉆頭錐度 28°,軸向力 50 kN。

模型預(yù)測數(shù)據(jù)與實際施工數(shù)據(jù)對比見表 1。

表1 實際施工數(shù)據(jù)與模型預(yù)測值對比表

3 影響因素分析

不同拉力條件下,理論數(shù)據(jù)均比實測數(shù)據(jù)小。這是由于扭矩表盤的數(shù)據(jù)包括液壓系統(tǒng)的損失以及鉆桿摩擦的部分。

3.1 扭矩計算影響因素

通過對式(5)的分析,我們知道土體摩擦系數(shù)、軸向力、鉆頭錐度和前后擴孔直徑的大小有關(guān)系。其中扭矩與土體摩擦系數(shù)、軸向力成正比。這是影響扭矩大小的主要因素。土體越堅硬,摩擦系數(shù)越大,鉆進難度越大,相應(yīng)所需扭矩也越大。鉆機提供的軸向力主要用于破壞土體,越大的軸向力對土的正壓力越大,摩擦力越大,則扭矩也相應(yīng)增大。同時鉆頭錐度的正弦與扭矩成正比,使用不同錐度的鉆頭,需要提供的扭矩的大小不一樣。擴孔直徑影響扭矩的大小,在上一級擴孔直徑一定的情況下,新一級的擴孔直徑越大,破壞土體產(chǎn)生的扭矩也就越大,擴孔直徑與扭矩的大小成正比。

3.2 土性參數(shù)的取值

上述公式中 f的數(shù)值由 f=tanθ得出〔其中θ為鉆頭與土體之間的內(nèi)摩擦角,(°)〕。不同類型的土有不同的θ值,主要視土體的軟硬程度而決定,由相關(guān)規(guī)范可確定。

3.3 扭矩與回拉力的合理配套設(shè)計

只有強大的功率輸出才能夠確保工程順利和鉆機的良好工作,才能延長整個鉆機的使用壽命。由于定向鉆機并不是短暫間歇式的高動力作業(yè)方式,而是帶動主機、水泵等設(shè)備負荷連續(xù)工作的,所以在設(shè)計和選擇鉆機時,首先要考慮配套發(fā)動機的連續(xù)輸出功率,而不僅是最大間歇輸出功率或總功率,這樣才能保證鉆機長時間以恒定的負荷能力去克服施工中的阻力,尤其在進行復(fù)雜或含石塊地層的工程施工時顯得更加重要,而鉆機的功率的配額更為重要。表 2為對應(yīng)孔徑和鉆孔長度的設(shè)備功率配備選擇對照表,以供參考。

表2 鉆機功率要求對應(yīng)關(guān)系表

結(jié)合鉆機功率要求和在現(xiàn)場施工記錄的回擴孔時拉力、扭矩和泥漿泵量等數(shù)據(jù) (表 2),以拉力 -扭矩數(shù)學(xué)模型分析為基本依據(jù),全面考慮其它影響因素,對水平定向鉆進鋪設(shè)施工優(yōu)化綜合設(shè)計。對設(shè)計模型進行編程,以 Visual C++軟件開發(fā)平臺,采用空間解析幾何方法,運用三維圖形庫技術(shù) Open-GL,設(shè)計出拉力 -扭矩模型的可視化界面,其演示界面如圖 3所示。

圖3 擠壓式鉆頭扭矩拉力對話框

4 結(jié)論

(1)拉力 -扭矩模型對水平定向鉆進鋪設(shè)施工設(shè)計優(yōu)化起到了很重要的指導(dǎo)作用。

(2)可利用拉力 -扭矩模型和鉆機功率要求表確定工程需要鉆機型號。

(3)拉力 -扭矩模型的可視化界面方便工程施工應(yīng)用。

[1] 烏效鳴,胡郁樂,李糧綱,等.導(dǎo)向鉆進與非開挖鋪管技術(shù)[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2004.

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