專利名稱：模擬水平定向鉆孔施工中能預(yù)測(cè)泥漿性能的一種方法和它的實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
屬建筑工程領(lǐng)域，確切地說是一種涉及非開挖水平定向鉆孔施工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
水平定向鉆技術(shù)最早出現(xiàn)在70年代，是傳統(tǒng)的公路打孔和油田定向鉆井技術(shù)的結(jié)合的一種施工方法，目前，在天然氣、自來水、電力和電信等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在環(huán)保和市政管網(wǎng)改擴(kuò)建項(xiàng)目及大型管道穿越江河工程項(xiàng)目上更顯出了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其工作過程是通過計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行導(dǎo)向和探測(cè)，先鉆出一個(gè)與設(shè)計(jì)曲線相同的導(dǎo)向孔，然后再將導(dǎo)向孔擴(kuò)大，把產(chǎn)品管線回拖到擴(kuò)大了的導(dǎo)向孔中，完成管線穿越的施工過程。
在水平定向鉆進(jìn)非開挖施工過程中泥漿的配制和使用是一個(gè)十分重要的關(guān)鍵技術(shù)，要求泥漿具有攜帶和懸浮鉆屑、穩(wěn)定孔壁和保護(hù)地層的作用。泥漿的失水、稠度指數(shù)直接決定了成孔的穩(wěn)定性，摩阻力直接決定了回拖拉力。泥漿的配制和使用不合理將產(chǎn)生‘液壓鎖’現(xiàn)象，直接影響工程穿越的成敗。泥漿參數(shù)的選擇主要根據(jù)穿越地點(diǎn)的地質(zhì)條件而決定，不同的地質(zhì)條件選擇的泥漿參數(shù)也不同，并要求在施工前和施工中對(duì)泥漿性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。以往在測(cè)試泥漿性能的試驗(yàn)中常見的方法是，用粘度計(jì)分析泥漿粘度、凝膠力；用泥漿濾失儀分析泥漿濾失量等方法。但是這些試驗(yàn)方法只能對(duì)泥漿單一的性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，不能直接地反映現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況、造成試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)相差較大，不能很好地用來指導(dǎo)施工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供對(duì)施工能提出指導(dǎo)意見的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而可減小施工風(fēng)險(xiǎn)，降低施工成本的模擬水平定向鉆孔施工中能預(yù)測(cè)泥漿性能的一種方法和它的實(shí)驗(yàn)裝置。
本發(fā)明采取的技術(shù)方案
模擬水平定向鉆孔施工中能預(yù)測(cè)泥漿性能的一種方法，按以下步驟操作1)分析施工現(xiàn)場(chǎng)的地層狀況；2)構(gòu)造施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)模型；3)模擬施工過程；4)記錄相關(guān)參數(shù)；5)重復(fù)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)對(duì)比；6)分析與修正；7)總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出施工意見；模擬水平定向鉆孔施工中能預(yù)測(cè)泥漿性能的裝置方案是一個(gè)頂部開口的空芯長(zhǎng)方體試驗(yàn)箱，其外側(cè)有一與長(zhǎng)方體試驗(yàn)箱相近高的U形固定支架，試驗(yàn)箱兩側(cè)板上各有一孔；有一個(gè)一段帶傳動(dòng)螺紋的管節(jié)，其上裝有縮小為二十分之一的鉆頭，水平狀地?cái)R置在固定支架和試驗(yàn)箱橫向兩端的孔上；擱置在U形支架上的傳動(dòng)螺桿，由傳動(dòng)鏈條與空芯傳動(dòng)螺管咬合；傳動(dòng)螺桿緊固在搖動(dòng)手柄的橫軸中心；空芯傳動(dòng)螺管與注漿管道相連，注漿管道上依次裝有壓力表，調(diào)速儀，壓力泵，并與儲(chǔ)漿桶相連；擱置在U形固定支架內(nèi)的傳動(dòng)螺桿上，依次裝有位移計(jì)，壓力傳感器，扭矩傳感器；在裝有土體的長(zhǎng)方體試驗(yàn)箱頂部邊框，擱置一扁條式十字架，架上縱、橫兩方向下方各自等間距設(shè)有磁性固定架，固定架上設(shè)置隨土層移動(dòng)的位移計(jì)；這些數(shù)據(jù)檢測(cè)裝置，均通過50通道靜態(tài)應(yīng)變儀與計(jì)算機(jī)相連。其所述的裝有土體，是土經(jīng)過篩分、邊加土邊壓實(shí)，注水并靜置48h固結(jié)而構(gòu)成土層為4層，每一土層厚度取為20cm。其所述的磁性固定架，為縱、橫兩方向各有5個(gè)，中間一個(gè)重合。
實(shí)施本發(fā)明后的積極效果是通過室內(nèi)試驗(yàn)掌握了泥漿穩(wěn)定孔壁和保護(hù)地層的性能，可以為施工方法提出指導(dǎo)性意見，減少了現(xiàn)場(chǎng)施工摸索，縮短了施工周期，降低了施工成本。


圖1，為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)圖，圖2，模擬試驗(yàn)的操作步驟圖3，為同一種泥漿在粘土中實(shí)施的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖4，為同一種泥漿在砂土中實(shí)施的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明模擬水平定向鉆孔施工中能預(yù)測(cè)泥漿性能的一種方法，是按以下步驟操作1)分析施工現(xiàn)場(chǎng)的地層狀況；2)構(gòu)造施工現(xiàn)場(chǎng)的模型；3)模擬施工過程；4)記錄相關(guān)參數(shù)；5)重復(fù)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)對(duì)比；6)分析與修正；7)總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出施工意見；其裝置的組成結(jié)構(gòu)是一個(gè)頂部開口的空芯長(zhǎng)方體試驗(yàn)箱12其外側(cè)有一與長(zhǎng)方體試驗(yàn)箱相近高的U形固定支架14，試驗(yàn)箱兩側(cè)板上各有一孔；有一個(gè)一段帶傳動(dòng)螺紋的管節(jié)18，其上裝有縮小為二十分之一的鉆頭20，水平狀地?cái)R置在固定支架和試驗(yàn)箱橫向兩端的孔上；擱置在U形支架上的傳動(dòng)螺桿15，由傳動(dòng)鏈條17與空芯傳動(dòng)螺管16咬合；傳動(dòng)螺桿15緊固在搖動(dòng)手柄13的橫軸中心；空芯傳動(dòng)螺管16與注漿管道11相連，注漿管道上依次裝有壓力表10，調(diào)速儀9，壓力泵8，并與儲(chǔ)漿桶7相連；擱置在U形固定支架14內(nèi)的傳動(dòng)螺桿15上依次裝有位移計(jì)1，壓力傳感器2，扭矩傳感器3；在裝有土體19的長(zhǎng)方體試驗(yàn)箱12頂部邊框，擱置一扁條式十字架，架上縱、橫兩方向下方各自等間距設(shè)有磁性固定架，固定架上設(shè)置隨土層移動(dòng)的位移計(jì)4；這些數(shù)據(jù)檢測(cè)裝置，均通過50通道靜態(tài)應(yīng)變儀5與計(jì)算機(jī)6相連。其所述的裝有土體19，是土經(jīng)過篩分、邊加土邊壓實(shí)，注水并靜置48h固結(jié)而構(gòu)成土層為4層，每一土層厚度取為20cm。其所述的磁性固定架，為縱、橫兩方向各有5個(gè)，中間一個(gè)重合。
模擬試驗(yàn)的一般操作步驟試驗(yàn)按照流程圖(附圖2)進(jìn)行。
(1)安置試驗(yàn)箱并向?qū)嶒?yàn)箱中加土，為了保證土樣分布均勻一致，要經(jīng)過篩分后才加入到箱體內(nèi)。本實(shí)驗(yàn)往箱體中添加的土共分4層，每層厚度為20cm，每添加完一層后都要經(jīng)過壓密以利其固結(jié)。其中當(dāng)添加到鉆孔軸線高度時(shí)將接好的管節(jié)預(yù)埋在土中，以模擬施工中的導(dǎo)向管，然后繼續(xù)加土至所需高度。在加土過程中要邊加土邊壓實(shí)，壓實(shí)程度要視施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)狀況而定，注水并靜置48h使水在土中充分滲透達(dá)到均勻，經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的自然固結(jié)達(dá)到穩(wěn)定。模型試驗(yàn)中覆土層的厚度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管道直徑和上覆土層厚度的相對(duì)關(guān)系確定，取為20cm。
(2)在土體表面布置位移計(jì)，沿軸線5個(gè)，垂直軸線5個(gè)(有一個(gè)重合)。其目的是為了測(cè)得鉆進(jìn)過程中，沿鉆進(jìn)方向和垂直于鉆進(jìn)方向土體表面的沉降規(guī)律，一般兩個(gè)位移計(jì)之間的距離以20-30厘米為宜。在手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)上布置一個(gè)用于測(cè)量鉆進(jìn)距離的位移計(jì)、壓力傳感器以及扭矩傳感器，用于測(cè)量鉆進(jìn)過程中管節(jié)所產(chǎn)生的扭矩和鉆進(jìn)力，然后將所有位移計(jì)和傳感器接入相應(yīng)的信號(hào)接受系統(tǒng)，將信號(hào)接收系統(tǒng)連接到計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄。
(3)布置注漿系統(tǒng)。注漿系統(tǒng)由儲(chǔ)漿桶、漿液流通管道、壓力泵、調(diào)速器、壓力表等幾部分組成，將各部分連接，制備好泥漿、開動(dòng)壓力泵、調(diào)好壓力即可工作。
(4)一切準(zhǔn)備工作就緒后，便可接入管節(jié)進(jìn)行鉆進(jìn)，同時(shí)注漿并對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。
(5)當(dāng)一個(gè)管節(jié)鉆進(jìn)結(jié)束后，要將鉆進(jìn)方向一端的塑料箱內(nèi)頂出的一節(jié)管及時(shí)卸下，而后在傳動(dòng)管一端加入一節(jié)新管，隨后鉆進(jìn)。依次進(jìn)行，直到將鉆頭鉆出土體。
實(shí)施例附圖3，圖4為在同一種泥漿在粘土和砂土中所實(shí)施的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
從附圖3，圖4中可以看出在鉆進(jìn)過程中，粘土所產(chǎn)生的地面沉降明顯比砂土所產(chǎn)生的地面沉降小。在粘土中，Φ60mm鉆頭鉆進(jìn)過程中地面沉降最大為0.6mm，而在砂土土質(zhì)中最大地面沉降為1.7mm，大約為粘土中的3倍。
權(quán)利要求
1，模擬水平定向鉆孔施工中能預(yù)測(cè)泥漿性能的一種方法，其特征是按以下步驟操作1)分析施工現(xiàn)場(chǎng)的地層狀況；2)構(gòu)造施工現(xiàn)場(chǎng)的模型；3)模擬施工過程；4)記錄相關(guān)參數(shù)；5)重復(fù)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)對(duì)比；6)分析與修正；7)總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出施工意見；
2，模擬水平定向鉆孔施工中能預(yù)測(cè)泥漿性能的裝置，其特征是一個(gè)頂部開口的空芯長(zhǎng)方體試驗(yàn)箱(12)其外側(cè)有一與長(zhǎng)方體試驗(yàn)箱相近高的U形固定支架(14)，試驗(yàn)箱兩側(cè)板上各有一孔；有一個(gè)一段帶傳動(dòng)螺紋的管節(jié)(18)，其上裝有縮小為二十分之一的鉆頭(20)，水平狀地?cái)R置在固定支架和試驗(yàn)箱橫向兩端的孔上；擱置在U形支架上的傳動(dòng)螺桿(15)，由傳動(dòng)鏈條(17)與空芯傳動(dòng)螺管(16)咬合；傳動(dòng)螺桿(15)緊固在搖動(dòng)手柄(13)的橫軸中心；空芯傳動(dòng)螺管(16)與注漿管道(11)相連，注漿管道上依次裝有壓力表(10)，調(diào)速儀(9)，壓力泵(8)，并與儲(chǔ)漿桶(7)相連；擱置在U形固定支架(14)內(nèi)的傳動(dòng)螺桿(15)上依次裝有位移計(jì)(1)，壓力傳感器(2)，扭矩傳感器(3)；在裝有土體(19)的長(zhǎng)方體試驗(yàn)箱(12)頂部邊框，擱置一扁條式十字架，架上縱、橫兩方向下方各自等間距設(shè)有磁性固定架，固定架上設(shè)置隨土層移動(dòng)的位移計(jì)(4)；這些數(shù)據(jù)檢測(cè)裝置，均通過50通道靜態(tài)應(yīng)變儀(5)與計(jì)算機(jī)(6)相連。
3，根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬水平定向鉆孔施工中能預(yù)測(cè)泥漿性能的裝置，其特征是所述的裝有土體(19)，是土經(jīng)過篩分、邊加土邊壓實(shí)，注水并靜置48h固結(jié)而構(gòu)成土層為4層，每一土層厚度取為20cm。
4，根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬水平定向鉆孔施工中能預(yù)測(cè)泥漿性能的裝置，其特征是所述的磁性固定架，為縱、橫兩方向各有5個(gè)，中間一個(gè)重合。
全文摘要
模擬水平定向鉆孔施工中能預(yù)測(cè)泥漿性能的一種方法和它的實(shí)驗(yàn)裝置，屬建筑工程技術(shù)領(lǐng)域。其特點(diǎn)是通過構(gòu)造施工現(xiàn)場(chǎng)模型；獲取施工參數(shù)。其裝置是一個(gè)試驗(yàn)箱上，水平擱置縮小的鉆頭；由緊固在手柄的傳動(dòng)鏈條與空芯傳動(dòng)螺管咬合；螺管與注漿管道、儲(chǔ)漿桶相連；并裝有位移計(jì)，壓力、扭矩傳感器；在箱頂部，擱置一扁條式十字架，架上縱、橫兩方向下方各自等間距設(shè)有磁性固定架，固定架上設(shè)置隨土層移動(dòng)的位移計(jì)；這些檢測(cè)裝置，均通過靜態(tài)應(yīng)變儀與計(jì)算機(jī)相連。實(shí)施本發(fā)明后，通過室內(nèi)試驗(yàn)掌握了泥漿穩(wěn)定孔壁和保護(hù)地層的性能，可以為施工方法提出指導(dǎo)性意見，減少了現(xiàn)場(chǎng)施工摸索，縮短了施工周期，降低施工成本，是一個(gè)實(shí)用的發(fā)明。
文檔編號(hào)E21B47/00GK101059075SQ20061011944
公開日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2006年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月12日
發(fā)明者顧利軍, 范明星, 陳志超, 趙國(guó)強(qiáng), 楊繼范 申請(qǐng)人:上海市第二市政工程有限公司