在岩石中回扩 — 使用 AXIS 导向钻孔系统

九月-2011

对于 Midwest Mole 经验丰富的非开挖安装专家来说,接受挑战是再寻常不过的事了。自从 1982 年成立时,这家位于印第安纳波利斯的承包商就以创新施工、克服困难和不轻言放弃而著称。因此,这些非开挖专家毫不犹豫地接受了另一个挑战,尽管他们意识到这次他们将遇到一些未知的曲折障碍。

Midwest Mole 受雇于总承包商 Dudley Construction,后者代表项目所有者北肯塔基 1 号卫生区 (SD1)。SD1 负责收集和处理北肯塔基地区的污水,并在当地进行雨洪管理,它是该州第二大的公共下水道事业公司。该卫生区的服务范围涵盖三个北肯塔基县的 220 平方英里的区域,为超过 30 个自治市和几个未合并地区提供服务。SD1 维护着超过 2575 公里的污水下水道管线,超过 140 个污水泵站,多个污水处理厂和将近 17,800 个雨水下水道设施。

该项目位于肯塔基州佛罗伦萨市郊,旨在安装一段长 154.2 米的 45.7 厘米 DR11 HDPE 材料管线,以取消泵站并将原有的下水道从压力干管变为重力流管线。项目原计划采用螺旋钻孔安装方法以 1.3% 的坡度安装管线。但最大的挑战既不是安装坡度,也不是管线材料,甚至不是场地准入限制(这将导致需要穿越多山且植被茂盛的地区),而是地形条件,这也是通常给施工造成最大问题的因素。在审阅原始计划后,Midwest Mole 的项目经理大卫·豪厄尔 (David Howell) 想要采取其他安装方法。

“这是一个位于小山上的居民区,树木很多,非常不易进入,”豪厄尔 (Howell) 说,“并且地下的岩石也很坚硬。SD1 原本打算采用螺旋钻孔方法从山坡钻孔。我们曾经在一个项目中使用过威猛 (Vermeer) AXIS 导向钻孔系统,并认为这次的项目也可以使用该系统。我们唯一的真正担忧是在岩石中回扩。”

工作方法
AXIS 系统包含一个真空动力装置、真空罐和钻架动力装置,以及钻头套管和钻头。高性能液环真空动力装置位于发射坑外侧,能够将挖掘物从钻孔中清除。钻头套管中的挖掘物在到达发射坑后,通过铺设在发射坑上的 15.2 厘米直径软管进入真空罐。

一体化钻架动力装置位于坑道外侧,它采用 104.4 千瓦柴油发动机和连接到坑道内钻架的液压泵,为钻头和套管的旋转、推进和回拖功能提供动力。

操作员控制台将多个组件的控制装置集中在一个易于使用的界面中,并包括目标显示监视器、参数显示屏、钻头转向控制装置、推进/回拖控制装置、旋转控制装置和真空控制装置。钻头套管每段长 2 米,位于钻架推进箱内,配有激光瞄准通道和用于从钻孔中抽出挖掘物的真空通道。

导向系统包含激光,用于确定钻孔的线路和坡度,可确保整个钻孔过程的坡度准确性。钻头使用平面刀具,配合激光导向系统的使用能够完成精准坡度的钻孔作业。在坚实土层中,它还可以在安装过程中缩回,以便承包商根据地面条件的变化更换刀片。

省去一个步骤,有助于提高效率
地下岩石由层状页岩和 2.5 至 12.7 厘米厚的石灰石矿脉组成,密度在 827.4 巴以上。位于计划的发生坑附近的架空电线和现有泵站同样是令人担忧的因素。但是,在验证了下水道管线当前进出泵站的位置并估算了部署 AXIS 系统各组件的最终尺寸后,豪厄尔 (Howell) 坚信激光导向钻孔方法为最佳方法,对此,SD1 的人员也表示同意。

“尽管我们同意使用螺旋钻孔方法也能完成作业,我们还是找出了使用 AXIS 系统的几点优势,并将我们的发现告诉了我们的长期客户 SD1 的工作人员。他们对这种方法并不很熟悉,但是鉴于之前我们曾与他们合作过多个项目,他们还是认同了我们的建议并批准我们这样做,对此,我们很高兴。”

豪厄尔 (Howell) 举出了倾向于使用 AXIS 系统的三个重要因素,首先是岩石。岩石构造的不一致性以及石灰石和页岩的不均匀性导致使用螺旋钻孔方法很难保持准确的线路和坡度。据豪厄尔 (Howell) 说,保持准确的坡度(通常小于 1%)是 AXIS 系统的主要优势,因为激光导向系统使操作员可以持续监控钻孔过程,并在岩石密度和硬度的变化使钻头路径发生微小改变时做出调整。

鉴于北肯塔基的岩石条件和佛罗伦萨项目中要安装的小直径材料,选用 AXIS 系统的另一项重要优势是:只需一趟作业。

“螺旋钻孔将需要两趟作业,”豪厄尔 (Howell) 说,“先安装外管,再将新的输送管穿入其中。这种方法还需要我们用泥浆将材料粘固到位。而使用 AXIS 系统,无需安装外管就可以直接将输送管安装到钻孔中。因此,我们实际上省去了一个步骤,这等于节省了时间和成本。”

Midwest Mole 使用 34.3 厘米的三牙轮钻头用于钻出导向钻孔并在复杂的岩石结构中实现了平均每小时 4.3 米的钻进速度。当 HDPE 管融合并在接收端准备好后,项目进入回扩阶段,应对未知挑战的时刻到了。

AXIS 系统仅在先前安装项目中从钻孔回拖管线,但不知是否能有效地在此次不利的石灰石、页岩和高密度岩石混合地质条件下成功完成回扩。豪厄尔 (Howell) 的团队选择了 48.9 厘米的三牙轮刀头用于钻出 154.2 米钻孔,这一钻头构造被认为是能在回拖过程中有效清除岩石和最好地定位扩孔器的构造。

“这是 AXIS 系统第一次用来在岩石中扩孔,因此难免有一些尝试和错误,”豪厄尔 (Howell) 说,“我们在回扩过程中进行了一些调整,将刀具间距设置为正确的过切,以使扩孔器最有效地工作。我们通过旋转接头将拖管头连接到扩孔器的背面,这有助于清理钻孔,以便在扩孔的同时回拖管线。我们使用的是配有定制牙轮刀头的标准威猛 (Vermeer) 扩孔器。”

紧绷的神经放松了,我们创造了历史
豪厄尔 (Howell) 承认在进行回拖操作之前大家都很紧张。“我们知道我们已经对项目进行了精心计划,但在进行到回扩阶段时,我们还是有些紧张,豪厄尔 (Howell) 说,威猛 (Vermeer) 为我们提供了很好的支持,尽管第一次做某些事情时确实会感到紧张,但总的来说,所有事情进展都很顺利。我们进行了一些调整,但在工作日结束时,岩石扩孔进行的非常出色,我们对此十分满意。我们在回扩操作中实现了平均每小时 2.4 米的速度。”

豪厄尔 (Howell) 和他的团队一直期待着下次在非开挖安装项目中大显身手的机会。但直到那时,Midwest Mole 的专家们才对又一次完成了历史性的钻孔作业感到满意,但更重要的是,对进一步巩固了客户关系而感到欣喜。

“我们对我们成功完成的众多安装项目感到骄傲,”豪厄尔 (Howell) 说,“但更骄傲的是我们赢得了像 SD1 这样的客户的信任。这次我们冒了一点险,但幸运的是一切顺利,并且他们 (SD1) 对结果非常满意。事实上,项目所有者还编写了一份关于这个项目和使用 AXIS 系统的摘要。其中一个亮点是,他们承认这个项目可以使用螺旋钻孔技术完成,但是无法达到同样的效率和速度。这就是 AXIS 系统真正与众不同的地方。”