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1、水平定向钻进和导向钻进施工法研究水平定向钻进和导向钻进施工法水平定向钻进施工法最初是从事又钻进技术引入的，主要用于穿越河流、湖泊、建筑物等障碍物，铺设大口径、长距离的石油和天然气管道。定向钻进施工时，按设计的钻孔轨迹，于扩空钻头的代铺设管线，在回拉扩空的同时，将待铺设的管线拉入钻孔，完成铺管作业。有时根据钻机的能力和待铺设管线的直径大小，可先专门进行一次或多次扩孔后再回拉管线。在定向钻中，大多数工作是通过回转钻杆柱来完成的，钻机的扭矩与轴向给进力和回拉力同样重要。水平定向钻进铺管在美国使用最多。美国按照钻机铺设管线的直径和长度能力，将用于非开挖铺管的定向钻机分为三类，即小型(Mini)、中型(
2、Midi)和大型(Maxi)。各类设备的能力和应用范围见表4-1。表4-1水平定向钻机的分类类型铺管直径mm铺管长度m铺管深度m扭矩kNm推/拉力kN钻机（包括车）重，t应用范围小型5025010011.511.5100210通讯、电力电缆、聚乙烯煤气管中型2508006001.5101.510104501020穿越河流、道路和环境敏感区域大型8020002000101001010045050002030穿越河流、高速公路、铁路水平定向钻进河倒向钻进之间并没有严格的界限。到向钻进技术的基本原理大致和定向钻进相同，即先钻一个小口径的先导孔，随后边扩孔边回拉铺设地下管线。由于小型钻机的钻孔轨迹量测
3、、控制技术与大中型钻机的不一样。因此，国际上通用的分类方法将采用小型定向钻及施工的方法称之为“导向钻进”。“导向钻进”一般是指用于铺设小治警、长度较短的管线；而将采用大中型定向钻及施工的方法称之为“定向钻进”。对于大型工程，直径较大（有些直径大于1m）的管线施工则属于“定向钻进”这一范畴，如穿越较大的河流、运河和高速公路施工。水平定向钻进河导向钻进技术在铺设新管线中所占有的市场比例在不断的增加。最近几年，设备的能力得到了改进，非开挖铺设新馆显得有点也越来越被广泛地重视。非开挖施工除了明显的环境上的优点外，导向钻进的相对成本在许多应用场合也讲到开挖施工的成本一下，即是忽略干扰交通等社会成本也是如
4、此。水平定向钻和导向钻进的优点为：对地表的干扰较小；施工速度快；可控制铺管方向，施工精度高。定向钻进的不足之处在于对施工场地要求较大，在非粘性土层和砾石层中施工比较困难，一般是用于不含大卵石的各种地层，包括含水地层。导向钻进不适用于砂层和砾石层，一般适用于软土层；由于受到探测器的探测深度的限制，导向钻进的深度有限。导向钻进的施工原理大多数的导向钻进使用一种射流辅助切削钻头，钻头通常带有一个斜面，因此当钻杆不停地回转时则钻出一个直孔，而当钻头朝着某个方向给进而不回转时，钻孔发生偏移。导向钻头内带有一个探头或发射器，探头也可以固定在钻头后面。当钻孔向前推进时，发射器发射出来的信号被地表接受其所接受
5、和追踪，因此可以监视方向、深度和其他参数。导向钻进施工示意图如图4-1。导向钻进的程控方式有两种：干式和湿式。干式钻具由挤压钻头、探头室和冲击锤组成，靠冲击挤压成孔，不排土。湿式钻具由射流钻头和探头室组成，以高压水射流切割土层，有时辅以顶驱式冲击动力头以破碎大块卵石和硬土层，这是目前使用得最多的成孔方式。两种成孔方式均以斜面钻头来控制钻孔方向。若同时给进和回转钻杆柱，斜面失去方向性，实现保值钻进；若只给进而不回转钻杆柱，作用与斜面的反力士钻头改变方向，实现造斜钻进。钻头轨迹的监视，一般由手持式地表探测器和孔底探头来实现，地表探测器接收显示位于钻头后面探头发出的信号（深度、顶角、工具面向角等参数
6、），供操作人员掌握孔内情况，以便随时进行调整。钻机的锚固钻机在安置期间发生事故的情况经常发生，甚至和钻进期间发生事故的概率相当，尤其是对地下管线的损坏。在钻机锚固时，要防止将锚杆打在地下管线上，同时，合理的钻机锚固是顺利完成钻孔的前提，钻机的锚固能力反映了钻机在给进和回拉施工时利用其本身功率的能力。一台钻机的推拉力再大，如果再推拉过程中发生了移动，其推拉力不但会降低，而且可能会出现孔内功率损失，这时会出现钻机的全部功率作用在钻机身上，容易发生设备破坏和人员伤害。如果钻机本身的固定能力差，一方面，钻机的控制能力降低，从而导致无法很好地按预定的计划完成钻进工作；另一方面，钻机在运转过程中震动较大，
7、会引起钻杆发生弯曲或损坏，使钻孔无法按预先设计的轨迹完成。钻头的选择依据钻头是定向钻进的重要工具之一，对于不同的土层，须采用不同的钻头（图4-2）。工程的实践表明：在淤泥质黏土中施工，一般采用较大的钻头，以适应变相的要求（若相向前推进1m就实现变向，或许需要一个较大的或狗腿度为10的钻头）。钻头表面硬化处理后使用效果会更好。在干燥的软黏土中施工，采用中等尺寸钻头一半效果最佳（土层干燥，可较快地实现方向控制）。在硬黏土中，较小的钻头效果比较理想，但在施工重要保证钻头至少要比探头外筒的尺寸大12mm以上。 在钙质层中，钻头向前推进十分困难。所以，最小的钻头效果最佳，另外在这种土层中须采用特殊的切削
8、破碎技术来实现钻孔方向的改变。对于糖粒砂层，中等尺寸狗腿度的钻头使用效果最佳。在这类地层中，一般采用耐磨性能好的硬质合金钻头来克服钻头的严重磨损。另外，钻机的锚固和钻进液是施工成败的关键。对于砂质淤泥，中等到大尺寸钻头效果较好，在较软土层中，采用10狗腿度钻头以加强其控制能力。如果钻进时土层条件发生变化，有时需要更高的扭矩来驱动钻头。 对于致密砂层，小尺寸锥形钻头效果最好，但要确保钻头尺寸大于探头筒的尺寸。在这种土层中推进较难，可较快地实现控向。另一方面，钻机的锚固是钻孔成功的关键。在砾石层中施工，镶焊小尺寸硬质合金的钻头使用效果较佳。对于大颗粒卵石层，钻进难度较大，不过若卵石间有足够多的胶结
9、性土，钻进还是可行的。在砾石层中，回扩难度最大，铺管尺寸较大时尤其如此。对于固结的岩层，使用孔内动力钻具效果最佳。但采用标准钻头钻到硬岩石时，钻孔可再无明显方向改变的条件下完成施工。导向孔施工导向孔施工步骤主要为：探头装入探头盒内；导向钻头连接到钻杆上；转动钻杆，测试探头发射是否正常；回转钻进2m左右；开始按设计轨迹施工；导向孔完成。根据每段铺设管设计标高、地层及地型情况，进行导向孔设计，确定导向孔的施工方案。导向孔钻进是通过导向钻头的高压水射流冲蚀破碎、旋转切削成孔的。导向钻头前端为15造斜面。该造斜面的作用是在钻具不回转钻进时造斜面对钻头有个偏斜力，使钻头向着斜面的方方向偏斜；钻具在回转顶
10、进时，由于斜面在回转中斜面的方向不断改进，斜面周向各方向受力均等，使钻头沿其轴向的原理有趋势直线前进（图4-3）。导向孔施工多采用手提式导向以来确定钻头所在的空间位置（图4-4）。导向仪器由探头、地表接收器和同步显示器组成。探头放置在钻头附近的钻具内。接收器接受并显示探测数据。同步显示器至于钻机旁，同步显示接受器探测的数据，供操作人员掌握孔内情况，以便随时调整。这类导向仪器的测量精度一般为3%5%，测深能力一般在15m以内，最大可达30m。在施工中导向钻头的准确位置状态和造斜面方向是通过安装在钻头腔室内的信号发射器及地面跟踪导向以来测定的。导向钻是按设计轨迹的参数，当发现偏离设计轨迹时，就通过
11、调整钻头斜面的方向，进行造斜纠偏，直到钻头的位置回到设计轨迹时为止。这样就会钻出和实际轨迹重合或非常接近的导向孔。但是，应特别注意纠偏过渡，即偏向原来方向的反方向，这种情况一旦发生将给施工带来不必要的麻烦，会大大影响施工的进度和加大施工的工作量。为了避免这种情况的发生，钻进少量进尺后边进行测量，检验调整钻头方向的效果，所以，应考虑各种纠偏的可能性，纠偏不能太急，应在几根钻杆内完成纠偏，不能再一根钻杆内就完成所有的纠偏工作。扩孔施工当先导孔钻至靶区就需用一个扩孔器来扩大钻孔，以便安装成品管线。，扩孔器的拉力或推力一般为每毫米孔径175N。根据成品管和钻机的规格，可采用多级扩孔。目前在工程中使用的
12、扩孔器有四种类型：快速切削型扩孔器：这种类型的扩孔器经济，而且对软地层（如粘土和砂土层）较有效，但是，这种扩孔器无法破碎坚硬的岩石。拼合型钻头通孔器：它是由剖开的牙轮锥体制造的，并将其焊接到金属板和短的间接构件上。拼合钻头通孔是一种通用的、经济的扩孔工具，在设计上具有灵活性。它们很容易定做，具有品种繁多的切削具类型和规格。在制造过程中，必需采用特众焊接、热处理以及其它的防护措施，以免损坏后牙轮失落与孔内。锥形牙轮扩孔器：起初用于石油钻井的垂直井的垂直井钻进，这种类型的扩孔器用于导向钻进时，已被改进，近几年已用于水平钻进中。YO-YO型扩孔器：这种扩孔器非常适合于非开挖施工，因为，它在岩石易崩落
13、的地层中可以向前或向后钻进。这种平衡式的球体牙轮是自稳的，而且能自动跟踪先导孔。大型牙轮和蜜蜂式轴承的应用延长了其在孔内的寿命。扩孔是将导向空的孔径扩大至所铺设的管径以上，以减小铺管时的阻力。扩孔是将钻头连接在钻杆后端，然后由钻机旋转回拉扩孔。随着扩孔的进行，在扩孔钻头后面的单动器上不断加接钻杆，直到扩至于钻机同一侧的工作场地，即完成了这一级孔眼的扩孔，如此反复，通过采用不同直径的扩孔钻头扩孔，直至达到设计的扩孔孔径为止。对于回拉力较大的钻机，在扩孔是可以采用阶梯型扩孔钻头，一次完成扩孔施工。甚至有时可以同时完成扩孔和铺管施工。钻井液钻井液的基本组分是现场的淡水，大多数情况下，须在水中添加膨润
14、土来增加钻井液的黏度，钻井液主要用于稳定孔壁、降低回转扭矩和拉管阻力、冷却钻头和发射探头、清除钻进产生的土屑等。因此，它被视为导向钻进施工的“血液”，一般要求采用优质膨润土制备泥浆，有时视地层条件在泥浆中加入适量的聚合物。膨润土主要是由钠高岭石组成的天然粘土。 钻井液非正常返回定向钻进经常产生无法控制的钻井液地下流失。理想条件下钻井液在钻杆柱端切削刃处流出，再沿钻杆外壁与孔壁间隙返回地表，这样可以重复利用钻井液体，降低生产费用。但实际施工时钻井液将沿阻力最小的通道流动，钻井液往往会扩散到钻孔周围的地层中去，有时也会渗透到地表上。当钻井液没有沿着钻孔返回而是随便流到地表示，称为钻井液的非正常返回
15、。一般在铺管施工时，钻井液非正常返回不是一个严重的问题。如果钻井液向河底流出时，则对环境的影响较小。但是，如果在市区或是在风景优美的游览胜地施工，钻井液非正常返回就会给公众带来不便，有时钻井液的流动还能冲坏街道、冲垮提坝。在施工中，应不断地调整施工方法，尽量减少钻井液非正常返回的发生。所以施工前，应制定应急计划并准备好可能的补救措施，同时还应通知有关施工管理部门。 钻井液的重复利用重复利用钻井液可减少购买和处理钻井液泥浆的费用。通常把返回的钻井液收集起来泵送到泥浆净化设备中，再把净化后的泥浆送回到钻井液储存或混合箱中反复利用。当然，有时大量的钻井液会从与钻机和钻井液循环系统所在河岸相对的另一岸
16、上孔口返出，这时就要使用两套泥浆循环系统，或是把返出的泥浆运回到钻机所在的一端，可以使用卡车等工具运输；或是在地面上铺设临时管道来运输泥浆，使用那种运输手段最佳根据施工现场的具体情况来决定。当使用临时管道时，应检查管道的设计方案，以确保管道的大小合适，防止管道损坏，泥浆流失。定向钻进成孔方式在松软地层中，靠高压水射流来切割成孔。孔底钻具组合由一弯接头和一带喷嘴的钻头构成。钻柱回转时，钻出的孔是直孔。如果钻柱不回转，在给进力方向和水射流作用下，可产生定向的弧形孔。在含有硬夹层的松软地层，孔内的钻具组合由弯接头和合金钻头或牙轮钻头组成。若用三层牙轮钻头，有时将三个喷嘴中的两个堵上，剩下的一个使水射
17、流以一定的方向进入地层。若遇到较硬的夹层，可回转钻柱，靠三牙轮或合金钻头破碎岩石，穿越障碍。在硬岩或卵石层中，射流成孔的方法会失去作用，此时须钻进成孔。孔内钻具组合由弯接头、螺旋马达钻头和钻头构成。可根据地层情况采用刮刀钻头、牙轮钻头或金刚石钻头。定向钻孔监视方法采用定向钻进方式施工水平穿越空的最重要的技术环节是钻孔轨迹的监视和调控。目前一般采用随钻测量方法。现有三类商品化的随钻测量系统可用于这种施工，其测斜传感器原理都是相同，即加速度计测量顶角和工具面向角，磁通门测量方位，其区别在于测量信息的传输方式不同。这三类系统是：有缆式随钻测量系统。靠电缆传输测量信息。水平钻进电缆操作十分困难，采用多
18、接头电缆和“湿接头”方式予以解决。这种系统在定向钻进铺管施工中应用最多。泥浆脉冲式无缆随钻测量系统。将测量信息转变成泥浆压力脉冲信号后传至地表，该系统因为成本较高，使用比较少。电磁式无缆随钻测量系统。测量信息附载与电磁波上传至地表。该系统目前测量范围还较小，在300m以内。超过此范围后可装上电缆接头，转变成有缆系统。定向钻孔施工中地下管线损坏预防钻进过程中钻头遇到一块小岩石或卵石，钻孔轨迹都可能较明显地偏离设计轨迹。钻头的偏向很难预料，很可能碰到已有的管线。操作人员在意识到钻头遇到硬物或较难钻进情况等微小变化时，应马上停钻，检查钻头的位置。此时，应降低钻压，缓慢给进，让钻头慢慢地通过该区域。钻
19、进时，应较频繁地检测钻头的位置。当钻头遇到较硬地层，通常需要加大钻压。但是，钻压加大后引起孔内钻杆柱弯曲。若钻杆柱弯曲部位的地层较软，弯曲的钻杆会使钻孔扩大。随着钻压继续增加，钻杆可能进入现有管线的安全区。探测仪器只能确定钻头的位置，很难确定这种有钻杆弯曲而形成的钻孔轨迹。在这种情况下，要适当降低钻压，尝试采用冲击钻进的方法通过硬地层。同时，增加泵量或喷射作用或许有助于软化障碍物。如果操作者在施工先导孔期间忽略考虑回扩钻头的直径，则可能导致水平钻进施工中碰伤现有地下管线。若铺设的管线要穿越现有的管线区或与现有的管线平行，设计时不能只考虑先导孔的直径，而应考虑最终扩孔钻井头的直径和钻头与现有管线
20、间距的余量，应使间距等于34倍最终扩孔钻头的直径。 在回扩后铺设管线期间应注意下面的问题：如果扩孔钻头由于某种原因在钻孔中停留时间过长，由于钻头的重量较大，钻头会在其自重作用下下沉。在缓慢拉管期间，泵量太大也会在土层中产生空洞或使管柱周围的土层变软；扩孔钻头越大，钻头下沉的概率就越高；再扩孔时阻力变大，并不总是意味着需要提高转速或泵量；钻进产生的土削和孔壁坍塌会导致钻柱运动的阻力增加，这时维持扩孔钻头缓慢运动是非常重要的；在软土层中，选用具有较宽翼片的钻头，以适当增加钻头的浮力。在先导孔施工时，钻进已有管线区时须变向绕行，通过障碍物后要重新绕回到设计轨迹上，这种做法可能会偏离原来钻孔一定的距离
21、。先导孔施工完毕，在钻头出土点接上回扩钻头，巨大的回拉力施加在钻头和钻杆柱上，使钻头或管柱通过回拉进入土层。在回扩的过程中，钻杆柱向弯曲钻孔的内壁施加一个压力，回转的钻杆柱可能在此处扩大钻孔而偏离原来的轨迹，使先导孔变得较平直，从而可能损伤原来的管线。对于这种情况应尽可能地采用长且平滑的钻孔轨迹或者采用先扩大钻孔再铺设的办法，这不仅可以降低铺管过程中的摩擦阻力，而且会防止对以有管线的破坏。导（定）向钻进设备导（定）向钻进设备主要包括用于管线探测的仪器和导（定）向钻机导向仪导向仪是导向钻进技术的关键配件之一，它用来随钻测量深度、顶角、工具面向角、温度等基本参数，并将这些参数值直观地提供给钻机从作
22、者，其性能是保证铺管施工质量的重要前提，目前，导向仪有手提式、有缆式和无缆式三大类。手提式导向仪手提式导向仪主要有三部分组成：孔内探头、手持式接收机和同步显示器。测量深度是手持式探测仪的重要功能之一。为适应市场的需要，许多公司将仪器的测深能力由6m提高到1020米，见表4-2。另外，测量顶角、工具面向角的方式从原来的定点显示改为连续显示，顶角的增量改为1%，这样一来使操作者更加方便、准确地控制钻孔的方向。公司名称型号测深英国雷迪公司RD385,RD386(Drill Track)420美国DCI公司DigiTrak Marik ,Eclipse521美国Ditch Witch公司Subsite
23、 75R/T,66TKR,750R/T330美国McLaughlin公司Spot D Tek,315有缆式导向仪随着导向钻进铺管技术应用领域的不断扩大，手持式导向仪在许多场合显示出不足，如在繁忙的街道下穿越铺管时，手持式导向仪显得不太方便，易产生交通事故；穿越河流时，手持式导向仪需要船只配合，问题较多。另外，手持式导向仪的测深能力往往不能满足使用需求。这些因素促成有缆式导向仪在导向钻进中得到应用。目前有两种有缆式导向仪：一是类似石油定向钻进使用的有缆式导向仪，应用磁通门和加速度计作为基本测量元件，只是在测量深度、耐湿和耐压等参数方面有所简化，价格比石油钻井仪器的低。另一种是在手持式导向仪的基础
24、上改进而成的有缆式导向仪，它通过电缆向孔底探头提供电源，增加STS发射功率，同时用电缆传输顶角和工具面向角等基本信息，深度还是通过手持式接收机来测定。这种仪器的价格只是石油钻井用仪器的10%20% 。表4-3列出的Subsit STS 属于第一种有缆仪器，另两种属于第二种有缆式导向仪。表4-3有缆导向仪的基本参数公司型号测深能力孔长范围Ditch WitchSubsit STS60450UtilxWireline System25240DCIDigi Trak 100 Cable43电磁通道无缆随钻测量仪 有缆随钻测量仪系统解决了手持式导向仪存在的一些问题，但这种系统也有一些弱点：如电缆传输的
25、信息须通过滑环导出；每接一根钻杆，就需要做一个电缆接头，操作繁琐；电缆的使用是一次性的，电缆接头多是故障概率增高。为了解决这些问题，美国Guided Boring Systens 公司和Maurer公司联合开发了一电磁波传输信息的无缆随钻测量系统Accunav 。该系统测量精度高，测量孔长可达300m，可用于小口径导向钻孔钻进，并且成本相对较低廉。该系统也采用磁通门和加速度计作为钻孔方位角、工具面向角和顶角的测量元件。GT-1型工程导向孔多功能无线探测仪1994年河北省地矿局利用已开发的钻孔电磁信号通道及HB-1型无线随钻自动定向仪的有关技术，吸取管道探测仪的优点，研制和试验成功了工程导向专用
26、探测仪。经过进一步改进，在1995年成功地研制出了工程导向多用途无线探测仪。该仪器的主要功能有：管线探测仪功能；探测钻孔和管道水平投影位置和深度；随钻定向仪功能：监测工具面向角(360分16等分进行监测）和倾角（30范围按0、1、3、5、7、10、12及-12分段监测）;定向指挥仪功能：向钻场监视器发送测量数据和造斜指令。仪器由孔内仪器、地面探测仪和钻场监视器三部分组成。 （A）孔内仪器装在造斜工具和钻杆柱之间，它监测造斜工具面向角并向地面发送电磁脉冲信号。地面探测仪接收电磁波信号，根据磁场分布和衰减规律测定向钻孔水平位置和距地面的深度，解调电磁脉冲以测定工具面向角和倾角。测量结果及造斜指令由
27、地面探测仪自动无线转发至钻场监视器。孔内仪器由传感器、控制电路、发射电路、螺管线圈和温度传感器组成。孔内仪器通过传感器检测工具面向角和倾角。经控制电路、发射点鲁河螺管线圈将条治国的电磁脉冲信号发送到地面。当温度高于65时，控制发射电路向地面发出报警信号。孔内仪器由R2025锂电池供电，更换一次可连续工作24小时。孔内仪器外径74mm，总长550mm,并有足够的强度、赖压和抗震能力，可以用于高压水力钻进和空气潜孔锤钻进。（B）地面探测仪由水平和垂直线圈组、滤波放大电路、解码电路、编码转发电路、80C31单片机、装合差预制器、声响器和显示器组成。其工作过程是：电磁信号由水平和垂直线圈接收，经过滤波
28、放大，经解码电路后，在经80C31单片机处理，有显示器显示磁场相对强度、钻孔深度、工具面向角和倾角。为了消除装合差的影响，设有装合差预制器，以使显示器显示真实的工具面向角。声响起用于报警和提示信号强度。编码转发电路用于转发参数的指令。地面探测仪由蓄电池供电。 地面探测仪的控制和计算核心是80C31单片机。显示器为48256点阵式液晶显示器，用数码和图形显示各项测量结果及仪器的工作状态，并用汉子提使各项操作。地面探测仪设有4个频道：501000Hz；1020kHz；8kHz；32kHz。仪器可用于连续信号或脉冲信号的无源探测和有源探测。（C）钻场监视器有接收解码电路、现实电路和电源组成。电视内容
29、包括工具面向角、倾角；显示指令包括停钻测量、稳斜钻进、纠斜钻进和造斜钻进。指令中还包括造斜方向和造斜强度。工人可据此控制钻进过程。GBS导向钻进系统GBS系统是目前国际上比较流行的用于非开挖工程上的定向制导钻进系统。在这里将主要介绍国土资源部勘探技术研究所生产的GBS系列非开挖导向钻机。GBS代表的式导向钻进系统（含钻具、仪器），XX代表的是钻机的回拉能力，目前，该系列钻机已有GBS-7、GBS-10、GBS-12、GBS-20和GBS-35型钻机。本钻机有轮式钻机和拖挂式动力站两部分组成，两者由10m长液力管线连接。 采用油缸-链条形成倍增给进机构，以形成长行程的钻进和回拉。动力头设有卸口自
30、行浮动机构，以减少对钻杆丝扣的磨损，操作简便可靠。给进机构设有回拉链条平衡器，改善承载条件。随机液压管线集中与防护套内，提高了管线的使用寿命。方便的角度调节油缸，配有角度指示器，调节快速，一目了然。为了使钻机施工中稳固，设有两种形式的地锚，以适应不同地层的需要。采用前、后夹持器和卸扣机构，实现机械拧扣钻具，减轻劳动强度。选择高速柴油机做自带动力，现场施工方便。全液压驱动，集中控制，操作方便。钻孔直径及穿越长度导向空（mm）: 76最大反扩孔径（mm）：355穿越长度(m/mm)：300/108钢管（黏土层）钻具导孔钻头（mm）：76最大扩孔钻头（mm）：355钻杆（mm）：5052500弯曲半
31、径（m）:30动力传动（见表4-4）表4-4钻机动力船动参数表输入输出三连齿轮泵高压水泵组皮带轮传动输入速度，r/min2700输出GPC4-40泵接单片多路换向阀进油口1460r/minG5-20泵接两片多路换向阀进油口G5-5泵接五片多路换向阀进油口变速箱（见表4-5）表4-5变速箱参数档次一档二档三档转速3.1151.7721.000输出端至高压水泵4698241460动力头（见表4-6）表4-6 转速及扭矩表（柴油机2700r/min）工作油缸及档次G5-20GPC4-40GPC4-40、G5-20输出端转速，r/min4390130扭矩，N.m10MPa160014MPa2400给进
32、机构该钻机采用油缸-链条行程倍增给进机构。；给进能力为45kN（16MPa)；回拉能力100kN（21MPa）。高压水泵（见表4-7）表4-7 高压水泵参数型号3D1-SZ输入转速，r/min1460824469排量，L/min402514压力，MPa18液压油泵（见表4-8）表4-8液压油泵参数型号GPC4-40-1(E1)F3-G5-20-5-S-20-R-CH名称三 联 齿 轮 泵分泵GPC4-40G5-20G%-5排量，mL/r4219.95.2压力，MPa 252020液压马达型号：BM-F1250H1；排量为1249mL/r；压力为14MPa；转速130r/min。角度调节：825
33、。钻机参数（见表4-9）表4-9 钻机参数钻机动力，钻机质量，kg钻机外形尺寸，mm4102BG-3a型柴油机轮式钻机：200长宽高：46001500140058.5/2700拖挂车动力站长宽高：612522452550轮式钻机有一对行走轮、滑轨、动力头、给进结构、前导向夹持器、卸扣机构、地锚座、角度调解机构、导管架、液压操纵箱等组成。其特点如下：钻机制成在一对行走轮上，可方便地进行孔位移动和对中孔位靶点。滑轨是钻机的基础部件，行走轮、动力头、给进机构、前导向夹持器、后夹持器、卸扣机构、地锚座、角度调解机构、导管架、液压操纵箱等均用螺栓紧固或用销轴连接在上面，使之成为一体。动力头和给进结构相接
34、，实现钻具的回转，给进加压和回拉等机能。前导向夹持器不仅有卸钻杆扣时夹持下钻杆的功能，还是可在钻进中对钻具起导向扶正作用。前、后夹持器均采用单油缸双向作用的结构，分别实现对上、下钻杆的加紧或松开。卸扣机构在油缸的作用下，驱动后夹持器转动角度以实现卸开钻杆扣并使其复归原始状态。动力站动力站由柴油机、液压泵、高压水泵组、液压油箱、燃料箱、管线及钻杆架等组成。柴油发动机使整个钻机的动力（传动系统如图4-6所示）。柴油发动机动力经齿轮联轴器传递给小皮带轮和轴承座，该轴承座直接传动三联齿轮泵工作；另由窄型三角带把动力传递至轴承座后直接驱动高压水泵组。高压水泵组由大皮带轮、轴承座、变速箱离合器和高压柱塞泵
35、组成。该离合器为常闭式，液力控制离合器的打开与闭合，便于操纵变速手柄。最后由变速箱将动力输入高压水泵，并使其获得三种输入转速，以满足不同排量的需要。通常使用变速箱的第二挡和第三挡，以保证到向孔钻进和反拉扩孔时对泵排量的合理使用。钻机的液压系统钻机的液压系统主要由油箱、三联油泵、操纵阀、油马达、油缸及其他附件所组成。系统内分三个油路工作系统。共用一个油箱和油泵传动系统。主要参数：油箱容量为810L；系统压力见表4-10；液压油一般在环境温度15以上，推荐N46号抗磨液压油；环境温度在-1515时，推荐用N32号低凝液压油。表4-10 系统压力，MPa 型号GPC4-40G5-20G5-5额定10
36、1216最大121421压力油泵：油液经滤油器由三联齿轮泵压至各控制阀，并驱动各执行元件。油泵是液压系统的心脏，使用中应注意以下问题：（A) 不得超压使用，其工作油温在1565（油箱中的温度）；（B) 保证液压油清洁，及时更换各滤油器滤芯，向油箱中加入新油时，需经加油过滤器。（C）定期更换液压油，新钻机运行500小时后换油。以后每运行3000小时更换一次，必要时应提前换油，换油时应将脏油放净，彻底清洗油箱。（D）初次使用或长期存放后运转时，要使柴油机转速在最低档运转10分钟，让油泵处于空载运转，检查各液力输送管线是否畅通，且不许有漏油，不应立即满负载运转。各泵回路：(A)GPC4-40泵开式回
37、路系统。 三联泵中大泵(排量42L/r)油液经该泵压至动力头回转换向阀，通过调节该换向阀的可调溢流阀簧力，使回路的压力为12MPa(即该系统的最高压力，出厂前已调定)。系统压力值由压力表示。该回路用来控制动力头在速回转钻进，其工作情况是：一位是动力头正转，驱动钻具回转钻进，二位是中间位置，各油口相互密封油泵卸荷，可使钻头工具面向角停止在某回转角度位置；三是动力头反转位，用于反扣拧卸钻杆。（B)G5-20泵开式回路系统，三联泵中的中间泵（）油液经该泵压至两片多路换向阀，该卸荷溢流阀的调定压力为14MPa（出厂前已调定），回路的压力值由压力表显示。其功能分别是：中泵回转换向阀控制动力头驱动：单独控
38、制时，使动力头在档转速工作。倒像孔钻进过程中，低速驱动钻具，以便于钻头定向或随钻测量。当与GPC4-40泵并联油路时，可使动力头获得第三档高转速。注意：当动力头需要高专速回转时，并联油路上两联阀的控制手柄方向必须一致。中泵给进回拉换向阀控制给进机构；该片阀与G5-5泵回路中给进机构控制回路并联，当其单独操作时，可使给进机构在中速区工作。当与并联回路同时控制时，可使给进机构快速给进或快速回拉。注意：当给进机构需要快速给进或回拉时，并联油路上两联阀的控制手柄方向必须一致。（C)G5-5泵开式回路系统，三联泵中的小泵（）。油液经泵压至五片多路换向阀，该回路的调定压力为21MPa(出厂时已调定)。依靠
39、调压阀可以在014MPa的范围内任意调整该回路的压力，以满足导向钻进、反拉铺管施工需要，其数量由压力表显示。如范拉铺管能力需要大于14MPa时，务必关闭调压阀开关。注意：导向钻进时给进压力不得大于16MPa使用；使用调压阀调节系统压力时，将压力调节开关打开。多路换向阀每片阀的功能：给进回拉阀用来控制给进油缸，阀的工作油口分别接给进油缸的活塞杆腔（下强）和无活塞杆腔（上腔），其工作情况是：一位是加压给进位置，使油缸下腔进油，实现加压钻进或造斜顶进。二位是中间位置，各油口相互封闭油泵卸荷，可使动力头及钻具停止在某位置。三位是回拉提升位置，使油缸上腔进油，实现提升钻具和反拉铺管。单独使用该控制手柄，
40、给进机构运行在低行速区。前松开加紧阀控制前夹持器，阀的工作油口分别与夹持器油缸的活塞杆腔和无活塞杆腔相接，以实现对空口钻杆的加紧或松开。后松开加紧阀控制后夹持器，阀的工作油口分别与夹持器的上下腔，以实现对机上钻杆的加紧或松开。复位卸扣阀控制机构，阀的工作油口分别接在卸扣油缸的上下腔，已达到卸开钻杆第一扣或卸扣机构复位。注意：当用卸扣油缸卸钻杆时，必须将卸扣开关打开，使动力头马力处于浮动位置，完成任务后关闭。水泵停止工作阀控制角度调节油缸和高压水泵的变速离合器油缸。阀的工作油口，由管路经双向液压锁分别与角度调节油缸（离合器油缸）的两腔连接。当钻机进入施工现场，按施工设计要求调整好角度油缸后（机身
41、侧安有角度指示），将快速接头断开，与离合器油缸管路的快速接头接通即可。动力站操纵箱位于柴油机前端，配置有电流表、水温表、油压指示灯、机油堵塞报警指示灯。点火锁用于起动柴油机，柴油机油门操纵手把用来控制柴油机的燃油供应量，以达到调速的目的。高压水泵变速离合器为常闭式，当离合油缸大腔进工作油时，推开离合器，这时可操纵变速手柄，按手柄上的便当位置改变高压水泵的输入转速，以达到改变泵排量的目的。当转速使用第一档时，泵排量如不连续，应停止使用。钻机操纵箱安装在钻机前部侧面，箱内的操纵手柄及功能如下：五片多路换向手把：各手把通过多路换向阀的响应阀片，分别控制给进油缸、前夹持器、后夹持器、卸扣油缸、水泵离合
42、器油缸（角度调节油缸），各手把的工作情况详见液压系统部分。两片多路换向阀手把：各手把分别控制动力头回转和给进油缸，详细工作见液压系统部分。单向多路换向阀手把：控制动力头回转，详情见液压系统部分。三块防震油压表：分别显示三联齿轮泵与其各自相应的多路换向阀回路的压力。卸扣开关：只有使用卸扣油缸松开钻杆时，才将其打开，使动力头马达A、B油缸连通并处于浮动。通常此开关是关闭的。调压开关：如果需用调压阀来调节系统使用压力时（在出厂前锁定的系统压力范围内），将开关接通，否则断开。调压阀：调节五片多路换向阀回路的系统压力。钻机在吊装运输时，将地锚座和后支腿的销轴取出，分体装运。起吊适应平稳，避免碰坏油管，注
43、意安全。钻机安装机开机前的准备：施工场地探测，先用探测仪器探明原地下管网走向、埋深及性质，并作出标记。根据业主要求及施工地段的情况，确定铺设线路及铺设深度，设计造斜角度。钻机是依靠地锚座和后支承与地基固定的，安装钻机时场地要平整。将动力站与钻机并网开机，根据施工设计调整好钻机的工作角度，用地锚将后支腿和前底座锚牢固。根据被铺设管线的直径和长度、材质及地层情况，确定是否使用辅助顶推装置，且准备好出口端的工作槽。按照“4102柴油机使用说明书”要求做好起动和运转前的准备工作。 液压阀操纵手把一定在中间位置，变速手把放在空档位置。液压箱油面应不低于油标2/3。按润滑部分的要求，加注充足的润滑油或润滑
44、脂。打开钻进液箱与高压水泵的截门。钻进操作：检查测量仪器的电源是否充足，不足的要求换电池。特别是探头电池不可马虎。遵照测量仪器使用规范操纵仪器。将探头装入探头盒内，打开接收机和同步显示器，转动探头盒检查仪器是否工作正常。把探头盒与造斜钻头接好并连接在钻杆上，开机输送钻进夜，检查钻头喷嘴是否畅通。上述检查无误，就可以开始钻进了。导向造斜钻进时很重要的，不可使钻具走急弯。测点相应要多点。定点测量时，司钻操纵动力头回转并通过同步显示器监视，使回转角度指示在12点正，测量钻头顶角（倾角）、深度，并确定下一步是回转钻进，还是造斜顶进（根据深度要求），如果偏离了设计轨迹，要进行纠正。当指示停在12点正顶进
45、时，钻头向上造斜，以此类推。导向造斜段达到设计深度后，开始水平钻进，这时注意检测，不要左右偏离设计轨迹。当完成水平钻进长度后，开始出口端造斜钻进，控制操纵同5）所述，直至钻出标定的地表靶点。导向孔完成后，在出口端拆下钻头和探头盒，换上扩孔钻头、分离器、拉管头（接管头），开始反拉铺管。也可根据孔径和地层先扩一次孔。钻进中加接钻杆时，用前夹持器加紧下钻杆，动力头反转卸扣；如果扭矩比较紧时，可将卸扣开关打开，用后夹持器加紧动力头接头，操纵卸扣自行浮动机构推扣，完成卸扣。反拉提出一根钻杆时，要卸开上下两处钻杆扣。同样需先用铅、后夹持器分别加紧上下钻杆接头，操纵卸扣油缸松开钻杆下接头扣后，松开夹持器，卸
46、扣油缸复位，动力头反转卸扣完成，再用后夹持器加紧钻杆下接头，这时，让动力头缓慢反转拧上接头扣后，将钻杆取下。也可在松扣后人工拧卸扣钻杆。停钻测量时要停止向孔内输送钻进液。造斜顶进时一般不输送钻进液，当然得视底层情况而定。注意事项主要包括：将钻杆的上、下接头对正，边缓慢给进动力头边慢转上扣，不要拧得过紧；上扣前将丝扣擦干净，涂上丝扣油。不允许使用弯曲和有伤的钻杆。钻进速度不宜过快，应根据地层条件合理调定给进力。导向钻进中，短时间停机，要先将接收机指针调到P位停留几分钟，使大P显示后关机，迫使探头休眠，以节省电源，地表要做好标记。不可长时间停留。探头电源用过一次后，决不可再用。造斜顶进时，曲线要缓。钻杆内不得进脏物，以免堵塞钻头喷嘴。当机油压力报警指示灯亮时，说明油压不正常，要进行检查。当机油堵塞报警指示灯亮时，要更换机油滤心。改变水泵排量时，先推开离合器，不得带速换档。中水泵较长
