典型河相地层条件下非开挖定（导）向钻进施工技术研究
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摘要
非开挖导向钻进作为一项绿色、环保、高效、节能的新型铺管技术，已逐渐被人们所接受，且已被国际建筑行业公认为一个很有发展前景的分支。本文在分析典型河相地层地质条件的基础上，采用理论与实践相结合的方式，对典型河相地层条件下非开挖导向钻进施工关键技术进行研究，具体内容如下：
1．通过对砂卵石地层条件下导向钻进时孔壁稳定性差成孔难度高等的原因进行深入分析，提出了采用注浆预处理技术，达到提高砂砾层钻孔孔壁稳定性的目的；
2．通过对非开挖施工中泥浆的稳定孔壁、携带钻屑、润滑减阻等功用分析，提出了针对注浆预处理后砂砾层的非开挖专用泥浆配方；提出在岩层、砂砾层中润滑减阻的泥浆配置方案；
3．通过分析，提出气动潜孔锤冲击回转钻进+牙轮扩孔器反向扩孔施工工艺为硬岩地层施工的首选工艺。并对该工艺进行了优化设计，提出了不同地层条件下的最优施工参数选取方法；
4．分析了河相地层施工中，根据不同的已知条件进行导向轨迹设计的方法。对影响导向轨迹的因素进行了相应分析，并提出相应改进措施；
5．通过借鉴土压力的计算模式，提出河相地层条件下管道回拖力的计算分析方法，为非开挖导向钻进铺管的技术参数的选取提供依据；
6．通过对典型河相地层条件下非开挖导向钻进案例的分析，对该类河流穿越施工工艺进行详细的论述，对施工中出现的诸如：导向轨迹与设计轨迹偏离、钻杆钻具折断脱落、导向钻进或扩孔时卡夹钻、气动锤钻头堵塞等常见事故的产生机理进行了深入的分析研究，并据此提出相应的事故预防与处理措施。
Trenchless-guided drilling technology, which is, as a new pipelaying method, environment-protective, efficient and energy-saving, has been widely accepted gradually, and moreover, has been recognized as a most promising branch of construction industry. In this thesis, the author takes both an academic and a practical way to study the key technology of trenchless-guided drilling and construction in the typical fluvial facies conditions, according to the analysis of typical fluvial facies stratum and terra conditions. The specific contents are as follows:
1. This thesis makes a profound study of the reasons why the hole wall is not that strong when trenchless-guided drilling technology is adopted under scree environment. The author introduces slip-casting pretreatment technology to enhance the stability of the hole wall in hardpan condition.
2. Through the analysis of functions of drilling mud such as leveling off hole wall, schlepping sludge, lubrication and drag reduction of slurry in the process of trenchless-guided drilling and construction, the author brings forward the special slurry recipe for hardpan's trenchless-guided drilling after slip-casting pretreatment, and the slurry formula for the purpose of lubrication and drag reduction in the drilling process of terrane or hardpan.
3. The author advances of impacting gyration drilling+reverse Expander as the preferred choice in hard rock stratum constructions, and furthermore, optimize this techniques and introduces the best method for the optimum selection of construction parameters in different stratum conditions;
4. The author analyses the relevant factors which may influence guided tract, and advances the relevant improving measures.
5. Using for reference calculation of the earth pressure, the author suggests a calculation method of pipe and canal return-pull power in fluvial facies stratum, which offers gist for choosing parameters in trenchless-guided drilling and spreading pipe technology.
6. The author analyses the typical trenchless-guided drilling cases under fluvial facies stratum condition, discusses this kind of river traversing techniques in detail, and makes a deep research into the causes of usual accidents, such as, the departure of guiding tract from designed tract, the fall or breaking off of drill stems or drill tools, blocking of niping drill, pneumatic hammer, aiguille, etc. in the process of guided drilling or hole expanding, and hereby advances corresponding measures for prevention and management of these accidents.
1．通过对砂卵石地层条件下导向钻进时孔壁稳定性差成孔难度高等的原因进行深入分析，提出了采用注浆预处理技术，达到提高砂砾层钻孔孔壁稳定性的目的；
2．通过对非开挖施工中泥浆的稳定孔壁、携带钻屑、润滑减阻等功用分析，提出了针对注浆预处理后砂砾层的非开挖专用泥浆配方；提出在岩层、砂砾层中润滑减阻的泥浆配置方案；
3．通过分析，提出气动潜孔锤冲击回转钻进+牙轮扩孔器反向扩孔施工工艺为硬岩地层施工的首选工艺。并对该工艺进行了优化设计，提出了不同地层条件下的最优施工参数选取方法；
4．分析了河相地层施工中，根据不同的已知条件进行导向轨迹设计的方法。对影响导向轨迹的因素进行了相应分析，并提出相应改进措施；
5．通过借鉴土压力的计算模式，提出河相地层条件下管道回拖力的计算分析方法，为非开挖导向钻进铺管的技术参数的选取提供依据；
6．通过对典型河相地层条件下非开挖导向钻进案例的分析，对该类河流穿越施工工艺进行详细的论述，对施工中出现的诸如：导向轨迹与设计轨迹偏离、钻杆钻具折断脱落、导向钻进或扩孔时卡夹钻、气动锤钻头堵塞等常见事故的产生机理进行了深入的分析研究，并据此提出相应的事故预防与处理措施。
Trenchless-guided drilling technology, which is, as a new pipelaying method, environment-protective, efficient and energy-saving, has been widely accepted gradually, and moreover, has been recognized as a most promising branch of construction industry. In this thesis, the author takes both an academic and a practical way to study the key technology of trenchless-guided drilling and construction in the typical fluvial facies conditions, according to the analysis of typical fluvial facies stratum and terra conditions. The specific contents are as follows:
1. This thesis makes a profound study of the reasons why the hole wall is not that strong when trenchless-guided drilling technology is adopted under scree environment. The author introduces slip-casting pretreatment technology to enhance the stability of the hole wall in hardpan condition.
2. Through the analysis of functions of drilling mud such as leveling off hole wall, schlepping sludge, lubrication and drag reduction of slurry in the process of trenchless-guided drilling and construction, the author brings forward the special slurry recipe for hardpan's trenchless-guided drilling after slip-casting pretreatment, and the slurry formula for the purpose of lubrication and drag reduction in the drilling process of terrane or hardpan.
3. The author advances of impacting gyration drilling+reverse Expander as the preferred choice in hard rock stratum constructions, and furthermore, optimize this techniques and introduces the best method for the optimum selection of construction parameters in different stratum conditions;
4. The author analyses the relevant factors which may influence guided tract, and advances the relevant improving measures.
5. Using for reference calculation of the earth pressure, the author suggests a calculation method of pipe and canal return-pull power in fluvial facies stratum, which offers gist for choosing parameters in trenchless-guided drilling and spreading pipe technology.
6. The author analyses the typical trenchless-guided drilling cases under fluvial facies stratum condition, discusses this kind of river traversing techniques in detail, and makes a deep research into the causes of usual accidents, such as, the departure of guiding tract from designed tract, the fall or breaking off of drill stems or drill tools, blocking of niping drill, pneumatic hammer, aiguille, etc. in the process of guided drilling or hole expanding, and hereby advances corresponding measures for prevention and management of these accidents.
引文
[1] 非开挖技术现状及发展前景，何宜章，《岩土钻凿工程)1999第2—3期；
[2] 非开挖地下管线施工技术，颜纯文，D．Stein，地震出版社，1999；
[3] 非开挖管线施工技术的发展及我国对策，颜纯文，岩土钻凿工程，1998第2—3期；
[4] 《非开挖技术在城市光件网络“最后一公里”问题中的应用》，蔡珍红，《非开挖技术)2002第2—3期；
[5] 邓爱民，肖娇美，田流．现代非开挖工程机械．北京：人民交通出版社，2003：2，106～111
[6] 颜纯文、D．Stein，非开挖地下管线施工技术及其应用，北京：地震出版社，1999
[7] 叶建良、蒋国盛、窦斌，非开挖铺设地下管线施工技术与实践，北京：中国地质大学出版社，2000
[8] 蔡珍红，地下管线建设中应用非开挖技术的风险分析，岩土钻凿工程，1999，2-3
[9] 宋翔雁，我国非开挖管线工程技术发展现状的调查报告，岩土钻凿工程，2001，2-3
[10] 颜纯文．非开挖地下管线施工设备及其发展趋势．工程机械与维修，2001(5)
[11] 何宜章，2004年我国非开挖行业发展概况，非开放技术，2005．03，1～4
[12] 王银献，刘国伟，谭志翔，等．非开挖导向钻进铺管技术穿越含砂卵砾石河流的施工实践．地质与勘探，2002，38(5)
[13] 刘刚．流沙地层的非开挖导向钻进工法探讨．探矿工程，2005(1)：32～34
[14] 胡汉月，国内外岩石非开挖现状及我们的对策，探矿工程，2003．01
[15] B. K. Singh, The Significance of Total Quality Management in Trenchless Technology, No-Dig Engineering, 1997, 3-4
[16] Steven R. Kramer, Directional Drilling Boom in North America, No-Dig International, 1998, 9
[17] Bill Livingston, Sanitary Sewer Challenge M et—deep Rock Directional Drilling Trenchless Technology, July, 2001
[18] Ian Clarke, HDD in Savn River, No-Dig International, March 2003
[19] Juhani Valisa, Hard Rock Drilling in Finland, No-Dig International, May, 2001
[20] Sivanathan, Trenchless Technology in India, No-Dig Industry, 2000, 2
[21] Nicky Anson, Compuer Technology Set to Revolution, No-Dig Industry, 2000, 2
[22] Nicky Anson, Full Steam ahead in France, No-Dig Interantional, 2000. 5
[23] 尹刚乾 汤学峰，钱塘江定向钻进穿越创世界最长记录，非开挖技术，2002．04，
[24] 耿瑞伦，胡远彪．水平定向钻进(HDD)用钻杆探讨，非开挖技术，2002，4．
[25] 颜纯文．非开挖管线施工技术的发展及我国对策，岩土钻凿工程，1998，2-3．
[26] Adrian Melhuish. Trenchless technology gose east, nodig international, 1993.
[27] 孙瑞峰，城市地下管道非开挖技术的岩土力学研究，[硕士学位论文]，重庆大学，2005。
[28] 宋祥燕，郝丁．我国非开开挖管线工程技术发展现状调查报告，特种结构，2001，9：Vol18(3)．
[29] http://www.cstr.org(中国非开挖技术网)。
[30] 王银献，刘国伟，谭志翔，等．非开挖导向钻进铺管技术穿越含砂卵砾石河流的施工实践．地质与勘探，2002，38(5)
[31] 刘刚．流沙地层的非开挖导向钻进工法探讨．探矿工程，2005(1)：32～34
[32] 徐成彦，普通地质学，武汉，地质出版社，1986．08
[33] 《工程地质手册》编写委员会，工程地质手册，北京，中国建筑工业出版社，1992．12；
[34] Lasheen, A, Polak, M. A., "HDD Loads Imposed On A Pipe", No-dig, 2001
[35] Baumert, M. E., Allouche, E. N., "Installation Loads on Pipelines Installed Using HDD", CSCEConference, London, Ontario, 2000
[36] ISTT, Trenchless Technology Guidelines, 1998, London
[37] ISTT, An Introduction to Trenchless Technology, 1992(Second Edition), London
[38] Kramer S. R. et al., An Introduction to Trenchless Technology, Chapman Hall, London, 1992
[39] Sangster T., Trenchless Technology: New Developments in Application, No-dig International, July1995, P. 11～1
[40] D. Fox, "The Selection of Drilling Machines", Directional Drilling, 1998. 4
[41] Paul Hayward, "Directional Drilling: back to Basics", Directional Drilling, 2000. 1
[42] Reno Chirull, "Drill Pipe Advances", Directional Drilling, 1998. 2
[43] Maria Anna Polak, Afdal Lasheen, "Mechanical modeling for pipes in horizontal drilling", Tunneling and Underground Space Technology, 2002, vol. 16
[44]：乌效敏等，导向钻进与非开挖铺管技术，中国地质大学出版社，2004，59
[45] 庞方，胥建华．液动潜孔锤在砂卵石地层非开挖铺管中的应用．探矿工程，2003(增刊)：130～131
[46] 樊腊生．西部地区复杂地层非开挖钻进铺管新技术．探矿工程，2003(增刊)：324
[47] 陈劲，胡郁乐等．卵砾层中的非开挖铺管技术．煤田地质与勘探，2003(6)：62～63
[48] 彭振斌，注浆工程设计计算与施工，中国地质大学出版社，1997．08
[49] 宗全兵，李月莲．非开挖技术与铺管工程的技术．西部探矿工程，1999(5)：65～66
[50] 崔迎春，王定峰．非开挖施工中的泥浆问题分析及对策．非开挖技术，2004，21(2～ 3): 43～45
[51] Li Shi bin, Yan Tie. Calculating the drill ability value of bottom hole rock, The proceedings of the International Conference on Rock Mechanics and Engineering, Florida: Ration press, 2002: 137
[52] 李士斌，地层岩石可钻性的分形表示方法，石油学报，2006，27(1)：124～125
[53] 谢和平．分形—岩石力学导论．北京：科学出版社，1997．112～117
[54] 史晓亮，微钻法进行岩石可钻性分级，金刚石与磨料磨具工程，2002，129(3)，32～33
[55] 王人杰、蒋荣庆，液动冲击回转钻探，北京：地质出版社，1988
[56] 陶兴华．冲击回转钻井破岩特点分析，钻采工艺，1996，3
[57] 蒋荣庆 液动冲击回转钻井减少孔弯曲效果及分析，探矿工程
[58] 王人杰、蒋荣庆．液动冲击回转钻探，北京：地质出版社，1988
[59] [博士学位论文]，成都，西南石油学院，2002
[60] 李世忠，钻探工艺学，武汉，中国地质大学出版社，1992．06
[61] 杜小军．大直径潜孔锤冲击能量传递模拟实验研究，探矿工程，1996，6
[62] 主克雄．波动学在液动冲击器M[试系统影响因素分析中的应用，石油矿场机械，1996，
[63〕王克雄等．液动冲击器测试系统的研究，石油大学学报，1995，3
[64」王克雄等，射流式冲击器在小井眼钻井中的应用。钻采工艺．1996．1
[65] 杨伟超．非开挖定(导)向钻进钻孔轨迹的优化设计及其应用研究：[硕士学位论文]．长沙：中南大学，2004
[66] 于海涛等 钻井工艺 四川矿业学院出版社1974
[67] 朱晓赞 张可能 彭良，导向钻进技术在湘潭某通信管网建设工程中的应用，探矿工程，2006(5)
[68] 代树林，非开挖导向钻进摩阻与扭矩研究，[博士学位论文]，长春，吉林大学，2005
[69] 陶兴华，冲击回转钻井破岩特点分析，钻采工艺，1996，3
[70] 庞方，岩层定向钻进非开挖铺管技术研究，[硕士学位论文]，成都，成都理工大学，2004
[71] 窦斌，蒋国盛．我国非开挖技术的发展概况及差距．岩土工程解界，
[72] 朱晓赞 张可能 彭良 冯兴法，非开挖导向钻进穿越河流铺设燃气管道施工应用研究，非开挖技术，2007年会会刊
[73] 冯兴法 朱晓赞 张可能 彭良，典型河相地质条件下非开挖，非开挖技术2007(4)
[74] 梁小强，复杂条件下定(导)向钻进技术应用研究，[硕士学位论文]．长沙：中南大学，2007
[75] 叶建良，非开挖铺设地下管线施工技术与实践，中国地质大学出版社，2000，第1版：
[76] 徐志英，岩石力学，水利电力出版社，1986；
[77] 梁武，KSD25型水平定向钻孔机，建筑机械化2003(1)
[2] 非开挖地下管线施工技术，颜纯文，D．Stein，地震出版社，1999；
[3] 非开挖管线施工技术的发展及我国对策，颜纯文，岩土钻凿工程，1998第2—3期；
[4] 《非开挖技术在城市光件网络“最后一公里”问题中的应用》，蔡珍红，《非开挖技术)2002第2—3期；
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[6] 颜纯文、D．Stein，非开挖地下管线施工技术及其应用，北京：地震出版社，1999
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[8] 蔡珍红，地下管线建设中应用非开挖技术的风险分析，岩土钻凿工程，1999，2-3
[9] 宋翔雁，我国非开挖管线工程技术发展现状的调查报告，岩土钻凿工程，2001，2-3
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[13] 刘刚．流沙地层的非开挖导向钻进工法探讨．探矿工程，2005(1)：32～34
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[18] Ian Clarke, HDD in Savn River, No-Dig International, March 2003
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[23] 尹刚乾 汤学峰，钱塘江定向钻进穿越创世界最长记录，非开挖技术，2002．04，
[24] 耿瑞伦，胡远彪．水平定向钻进(HDD)用钻杆探讨，非开挖技术，2002，4．
[25] 颜纯文．非开挖管线施工技术的发展及我国对策，岩土钻凿工程，1998，2-3．
[26] Adrian Melhuish. Trenchless technology gose east, nodig international, 1993.
[27] 孙瑞峰，城市地下管道非开挖技术的岩土力学研究，[硕士学位论文]，重庆大学，2005。
[28] 宋祥燕，郝丁．我国非开开挖管线工程技术发展现状调查报告，特种结构，2001，9：Vol18(3)．
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[30] 王银献，刘国伟，谭志翔，等．非开挖导向钻进铺管技术穿越含砂卵砾石河流的施工实践．地质与勘探，2002，38(5)
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[32] 徐成彦，普通地质学，武汉，地质出版社，1986．08
[33] 《工程地质手册》编写委员会，工程地质手册，北京，中国建筑工业出版社，1992．12；
[34] Lasheen, A, Polak, M. A., "HDD Loads Imposed On A Pipe", No-dig, 2001
[35] Baumert, M. E., Allouche, E. N., "Installation Loads on Pipelines Installed Using HDD", CSCEConference, London, Ontario, 2000
[36] ISTT, Trenchless Technology Guidelines, 1998, London
[37] ISTT, An Introduction to Trenchless Technology, 1992(Second Edition), London
[38] Kramer S. R. et al., An Introduction to Trenchless Technology, Chapman Hall, London, 1992
[39] Sangster T., Trenchless Technology: New Developments in Application, No-dig International, July1995, P. 11～1
[40] D. Fox, "The Selection of Drilling Machines", Directional Drilling, 1998. 4
[41] Paul Hayward, "Directional Drilling: back to Basics", Directional Drilling, 2000. 1
[42] Reno Chirull, "Drill Pipe Advances", Directional Drilling, 1998. 2
[43] Maria Anna Polak, Afdal Lasheen, "Mechanical modeling for pipes in horizontal drilling", Tunneling and Underground Space Technology, 2002, vol. 16
[44]：乌效敏等，导向钻进与非开挖铺管技术，中国地质大学出版社，2004，59
[45] 庞方，胥建华．液动潜孔锤在砂卵石地层非开挖铺管中的应用．探矿工程，2003(增刊)：130～131
[46] 樊腊生．西部地区复杂地层非开挖钻进铺管新技术．探矿工程，2003(增刊)：324
[47] 陈劲，胡郁乐等．卵砾层中的非开挖铺管技术．煤田地质与勘探，2003(6)：62～63
[48] 彭振斌，注浆工程设计计算与施工，中国地质大学出版社，1997．08
[49] 宗全兵，李月莲．非开挖技术与铺管工程的技术．西部探矿工程，1999(5)：65～66
[50] 崔迎春，王定峰．非开挖施工中的泥浆问题分析及对策．非开挖技术，2004，21(2～ 3): 43～45
[51] Li Shi bin, Yan Tie. Calculating the drill ability value of bottom hole rock, The proceedings of the International Conference on Rock Mechanics and Engineering, Florida: Ration press, 2002: 137
[52] 李士斌，地层岩石可钻性的分形表示方法，石油学报，2006，27(1)：124～125
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[55] 王人杰、蒋荣庆，液动冲击回转钻探，北京：地质出版社，1988
[56] 陶兴华．冲击回转钻井破岩特点分析，钻采工艺，1996，3
[57] 蒋荣庆 液动冲击回转钻井减少孔弯曲效果及分析，探矿工程
[58] 王人杰、蒋荣庆．液动冲击回转钻探，北京：地质出版社，1988
[59] [博士学位论文]，成都，西南石油学院，2002
[60] 李世忠，钻探工艺学，武汉，中国地质大学出版社，1992．06
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[66] 于海涛等 钻井工艺 四川矿业学院出版社1974
[67] 朱晓赞 张可能 彭良，导向钻进技术在湘潭某通信管网建设工程中的应用，探矿工程，2006(5)
[68] 代树林，非开挖导向钻进摩阻与扭矩研究，[博士学位论文]，长春，吉林大学，2005
[69] 陶兴华，冲击回转钻井破岩特点分析，钻采工艺，1996，3
[70] 庞方，岩层定向钻进非开挖铺管技术研究，[硕士学位论文]，成都，成都理工大学，2004
[71] 窦斌，蒋国盛．我国非开挖技术的发展概况及差距．岩土工程解界，
[72] 朱晓赞 张可能 彭良 冯兴法，非开挖导向钻进穿越河流铺设燃气管道施工应用研究，非开挖技术，2007年会会刊
[73] 冯兴法 朱晓赞 张可能 彭良，典型河相地质条件下非开挖，非开挖技术2007(4)
[74] 梁小强，复杂条件下定(导)向钻进技术应用研究，[硕士学位论文]．长沙：中南大学，2007
[75] 叶建良，非开挖铺设地下管线施工技术与实践，中国地质大学出版社，2000，第1版：
[76] 徐志英，岩石力学，水利电力出版社，1986；
[77] 梁武，KSD25型水平定向钻孔机，建筑机械化2003(1)