铁路工程施工横孔钻机施工技术的应用方法

谢伟

国家能源集团新朔铁路有限责任公司 内 蒙古自治区鄂尔多斯市 010300

摘要：近年来，铁路建筑工程项目的设计和施工总是会因为需要穿越山脉或者丘陵，途径各个地段的土壤和地质构造非常复杂，这就必然需要设计师和施工人员掌握纵向横孔式钻机的施工知识和技术。此项技术能够有效地改善和提升钻孔的质量，为之后进行铁路建筑工程的施工打下良好的基础。为进一步提升横孔钻机在施工中的技术和应用水平，本文就分析横孔钻机技术以及工作中出现的偏差，研究出现问题的原因以及制定新的穿越方法，以供之后工作参考借鉴。

关键词：铁路工程施工 横孔钻机施工 施工技术应用方法

利用横孔钻机进行铁路穿越相比起传统的穿越技术来说有着机械化水平高、速度快、污染小、成本低等优点。传统的施工方法存在施工期间严重影响市区交通的问题，还会出现路面裂纹等缺点。横孔钻机这种工作方式能够减少工作失误，避免了多次路面破坏，一次性解决问题，成为铁路道路施工工程中解决道路穿孔问题的重要施工手段。但是在实际的工作中，由于道路地质状况以及测量原因，常常会出现钻机偏差的情况，例如，在肯尼亚首都境内的一次管线穿路工作中，就由于地质问题导致套管中心线出现严重偏差而使得后期工作困难的状况。在目前，改善钻孔的穿越偏差，仍是一个棘手的问题。

一、铁路工程横孔钻机穿越偏差的原因

1.1受地层环境的影响

由于铁路工程常常处于地层交错地带，地质分布状况及不均匀，甚至不存在相同性，基本上，每一层地面都有其地质特征。这就导致在对每一层的地质进行钻孔时，其可钻性都需要依据不同的地面情况做出改变。比如说，某些地质虽然软硬程度不同，但使用普通钻机就足以穿越成功，而某些地质就必须利用横孔钻机进行穿越才行。因此，在铁路工程的施工中具体采用哪一种钻机，没有统一准则。¹另外，地层在钻机的时候，还会出现倾斜情况，这种情况在一定程度上会导致钻头在穿越地层界面出现偏位，遇到地层倾斜程度太大的时，甚至会出现钻孔方位的变化，从而对后期的工作造成恶劣的影响。

1.2钻头和钻铤等构成的BHA结构影响钻头轨迹

由钻头和钻铤等主要零件组合而构成的 bha 结构可能会对钻孔的运动轨迹产生影响，譬如轴向和侧面的钻头，就可能使钻孔的施工效率出现明显的偏差，以钻头为主要参考物，如果弯接头的转角和间距过大或者是太小，其偏差均会对于钻具各种组合的造斜特点产生一定的影响，如果不去控制弯曲角和转角，在后期的工作中就很难形成自己想要的造斜效应。

1.3计算方法和采集方法不当

由于预先得计算无法体现实际的状况，导致实际工作与预先计算出现误差。因此，前期对钻机的定位计算不准确，也会导致钻孔后期在贯通或穿越过程中出现较大的偏差。

二、横孔钻机在实际运用中的注意事项

（1）施工前，要严格勘测施工周围的地理环境，如遇到地质状况不明朗的情况，可深挖两侧路况获取准确地质信息。

（2）在取得施工批准后，向有关部门确认是否存在障碍物如遇到管道、电缆、光缆等设施，为避免施工对其造成破坏，要提前向有关部门了解相关信息，做好施工前的计划。

（3）测量作业坑位置时，要将作业坑的位置放置在铁路地面较低一侧，根据图纸要求，使用经纬仪对其进行穿越轴线测量，定出准确的作业坑与接收坑之间的位置及尺寸，按照标准尺寸为11.5×4m，形状为矩形，具体的深度要根据管线的穿越情况来进行严格制定。

（4）根据地面情况调整钻机导轨，当地面基础承载压力较大且无地下水情况时，可以直接将钻机导轨安装在地基上，但当基础承载压力较小并且伴有地下水渗出的情况时，要及时采用垫方木、铺设砂石等办法来对导轨基础进行加固。

（5）根据图纸设计要求及转轴中心线高度计算出导轨高度，使用经纬仪测量调整基础高程使其与高程计算值相等，在基础面上依据编号依次进行导轨安装²。

（6）将钻机吊装在导轨上，检查钻机旋转轴中心线位置，检查各导轨之间是否存在高度偏差，如出现偏差尽快对其进行调整，在确认合格后对其进行紧固，在此之后连接螺栓。

（7）根据实际情况调整挖坑深度按照尺寸不小于2×2m的深度，根据实际情况进行挖坑。

三、使用横孔钻机在穿越施工中顶进状况的受力分析及注意事项

机械钻孔的方式在我们进行施工时，首先要依赖一种机械式推顶的方法来有效地抵挡土壤中的摩擦以及因为钻头切割破土而带来的阻力，还要依靠铰龙旋转能够把管头前面的土壤送回原先操作坑中，这是一个贯穿于土壤之中的管段不断前进的整个过程。由于对于套管穿越时需要承担的一个关键问题就是由于对土壤的一根管子和另一个土壤之间的压力产生了摩擦作用，它所能够承担到的一个土壤垂直均布荷载已经远远超过了对于土壤的一侧压力，在一定程度上也对于套管穿越时上下超偏几率为何可能会比左右两侧超偏几率更大的一个问题作出了解释。

在具体的施工过程中，管段受到土壤摩擦力越小，横孔钻机的受力就会越小，其施工的精确度就会随之增加。对于机械钻孔法，穿越套管属于中心受压直杆件。由于机械钻孔合法采用先破土钻出孔腔再顶进套管的方式，所以在面临较大的临界压力时，管子的刚度会保证其稳定度；但在面临较小压力时，管子就会失去稳定性。再加上受到四周土体的约束，只能向有空间的方向进行形变，从而出现上抬或者下压的情况。在顶进前十米内，套管本身柔度因顶进距离补偿而出现下扎趋势，随着套管顶进长度增加，其下扎量就会逐渐增大，所以，准确控制套管的前期顶进方向是十分有必要的。

²

对此，提出以下几点工作中的注意事项：

（1）第一节套管顶进方向是整个顶管施工的关键：重视第一节套管顶进方向，其安装角度一定要准确，不可以出现斜口，确保入土点角度不出现失误。当钻进2m左右时，要即使检查套管水平度以及中心线偏移的情况，如果产生偏钻情况，要即使停止工作进行复查。

（2）当第一节套管钻机钻进长度剩0.6~0.8m时，再进行测量：对套管的钻进测量要进行循环操作，直至钻机将整个套管穿越至完整的铁路中，随时确保其没有出现偏钻情况，直至达到标准长度。

（3）及时清理顶管钻出土壤：对钻出土壤进行及时清理，以免产生出现差错被土壤掩埋而无法察觉的情况，随时注意钻机顶力是否过大，承力后背是否稳定，促使工作能够一次完成，避免返工³。

（4）顶管作业开始后要连续施工：不能间断顶管作业进程，要达到一次性连续施工。

四.减小横钻孔机穿越偏差的方法

4.1钻机的安装与准备工作

首先，施工前期，准确设置定心孔位置，在正式贯通和穿越时，再设置一个导向杆，将每个钻头前端的定心导向杆全部深入至一个定向孔，然后再对其进行垂直和水平两个方位的校正，边转动铰龙变顶进套管。此基础用于规避特定地层环境和条件，对穿过路线中发生的偏误作出修补。一个方面是对所有路段和穿越区域都要进行详细的了解，把握好准确的穿越路线和位置，探明所有路段和穿越区域的装备和基础设施。全面了解了地层情况另外一个方面则主要是通过改善钻头形式，常用两爪对称的钻头定位能力不佳，根据实际建筑物施工情况和技术要求，运用三点定面法这种原理将两爪对称的钻头修改成为三爪对称钻头从而不断提高其稳定性，过渡筋上焊接合金刀块，增强钻头的切削能力不断减少阻力。³

其次，在对钻进出口进行设计与安装时，要通过设计钻机与穿越的中心线相连接来确定两个钻机之间的平衡程度，另一方面还需要确定正常的入土地点和设计安装的角度。使第一根钢管的中心线与之前已经确定好的地下中心线相互重合，根据地下承载状况与地下水的情况，采用不同的地下水安装形式。面对地下水渗漏的情况，可采用钢板搭设作业平台进行施工完成。

4.2准确安装套管支架并精确第一道焊口

套管支架用于承载套管的重量，其是保证套管水平度的重要组成部分。因此，在安装管托支架时，要根据套管的中心线准确计算支架高度，将其安装在导轨最前方的正中位置，以保证套管的水平程度。同时，套管的第一套焊口决定了后期工作是否会产生偏钻情况，在进行管件对接时必须要保证管口四周的缝隙一致，否则在进行下一节套管钻进时就极有可能会出现偏钻的情况。

4.3加强钻进初期套管的稳固性

由于套管不受向下方向的约束，所以在合金刀块刚刚接触到地面并且开始旋转产生切屑行为时，钻头往往会受到阻力的影响从而带动整个套管向上抬起，还有在岩石比较多的地段，由于弧形管托对套管侧向倾斜的制约力不够，常常会出现套管向其顶进方向向右侧倾斜的情况。为了解决这两种状况的发生，在具体的施工过程中，可以利用两侧手拉护理和吊带的方式分别将套管向上向下以及向左下方向进行勒紧固定，使套管不能向右上方发生偏移，然后降低钻头的转速，当钻头钻出入土点之后在缓缓顶进。当其准确进入后方可撤掉手拉葫芦以及吊带。实践证明这种方式可以有效防止钻孔偏移现象⁴。

4.4增加钻头的稳定性

横孔钻机自带钻头的两爪呈现一字型排列形式，由于变质砂岩层段的钻进强度大，在钻进的初期定位不稳定，且钻进后两爪钻头的负荷太大，在穿越完成后常常发现两爪上面的大部分合金已经被磨平了，根据之前的工作经验，可以从钻头的形式上做出改变，将两爪改成三爪，加大钻头的切削能力提高稳定性减小单个爪子上合金刀块的工作负荷。

4.5减小合金刀块磨损量

在岩层较多的穿越段施工时，钻头不应伸出过长的距离，最佳距离为伸出管套端部200—300mm，增加铰龙旋转时间，减慢顶进速度，如听到套管内钻头与岩石层的摩擦声音较大时，应适时地停止钻机，让合金刀块冷却一会儿，避免合金刀块过热加大磨损量。

总的来说，纠正顶进作业的偏移原则上就是降低套管与土壤之间的摩擦阻力。在具体实践的过程中，可将6米左右的光杆作为钻杆，采用小于30°的尖形钻头，然后借鉴了钻床上下打孔的工作原理，在钻床上进行钻削打孔，采用小型孔法打出一个定位孔，然后慢慢拓宽，使其到达规定尺寸。

另外，在第一节钻头超出土面200毫米左右时，要对第一节钻头做好定心，采用多个旋转铰龙以减少套管中心线的偏差；将前两者之间的缝距限制在 10mm ，从而提高旋转铰龙强度。每次装入钻机2米后都应该仔细地检查装入时钻机有无偏差，如果有偏差便及时调整。在第二次工作时，循环式钻入，每次钻机两米后检查钻机是否存在偏差，如果存在便及时调整。在之后的每次进入时，都进行循环工作，直到达到标准长度。

最后，一定要把握好第一根关键的立柱入土地点与安装位置的角度，检查好之间有没有存在倾斜口，缝隙。控制良好的钻孔工序速度，始终维护其工作状态，顶力适中，及时彻底清理土地上的作业垃圾和废屑。根据管子的出土地面混凝土质以及其含水率可以对底部的强度作出精确的判断，遇到坚硬地层时就需放缓加快钻头的速度，遇到柔软地层则是便可以加速钻头的速度。同时还要注意保证钻头施工过程的连续性，避免塌孔压管现象的发生，钻头伸出长度应根据实际地质状态来确定，提高施工过程的安全性。

4.6其他措施

通过这段时间，施工团队也总结了一些有效地减少钻头偏差的方法，使得它们运用起来也很有效：(1）在后期工作中，钻头的定心不应该向前伸出太远，其最优距离应该是控制在200~ 300mm 之间，同时还要控制好第一节钻头的定心，这样才能有效地保持后期工作顺利。(2）采用多个旋转铰龙能够大大降低套管轴线的偏差。(3）把铰龙与套管的间隙限制在10~ 15mm 为宜，在铰龙制作时就需要严格地规定具体尺寸，从而不断地增强铰龙的稳定性和强度。(4）施工时应当注意作业坑内地面是否发生土壤松软或有漏水情况，并在其他作业坑地面上均匀铺设预制板，分散其压力，提高整体的运作稳定性。⁵

4.7实际运用效果

从1999年的下半年起，我国就先后在永－大等工程中推广运用了上述定位技术，成功穿越了复杂而又长距离的道路，取得了良好的实施效果。此项研究成果还先后被评为了质量管理成果评比的一等奖和优秀科技质量管理成果大师。但其实，横钻孔机在大型高速铁路的建设以及施工中的应用仍然具有很大的潜力，它是否可以被挖掘出来？目前我们面临的挑战还需要很多社会各界学者以及建筑工程师继续探索与挖掘。

五、总结

总之，穿越工程是铁路工程建设的关键因素，在目前运用的工程穿越施工办法中，横孔钻进法是目前最为高效以及对路面破坏最小的施工方法。其可以有效提高铁路工程的整体质量。不过，目前此方法在具体施工过程中还会出现许多偏差，导致这种情况的原因有很多，地质情况、钻孔结构以及计算方式等都有可能对钻孔结果造成偏差，所以，在具体的工作中，施工人员要做好前期的测量计划工作，在正式穿越时也要反复确认图纸与实际场地是否符合，这样才能有效避免钻孔偏差，为后期工作做好铺垫。

参考文献：

[1]齐峰.铁道工程施工技术工作管理的要点[J].居舍，2021(21):154-155.

[2]周信.铁路隧道施工技术及质量控制要点研究[J].砖瓦，2021(07):199-200.

[3]魏晓亚.高速铁路桥梁连续梁工程施工技术[J].中国住宅设施，2021(01):111-112.