水平定向钻穿越回拖力计算公式.xls
定向钻穿越过程回拖力计算方法选择
定向钻穿越过程回拖力计算方法选择袁亮;刘沛【摘要】文中通过对几种常用定向钻穿越时回拖力的计算方法适用范围进行分析比较,列举工程实例,通过计算结果的对比,优选出回拖力计算最准确的方法.计算结果表明:采用ASTM方法计算的回拖力大小与实际测量值误差最小;对ASTM计算方法进行修正,修正后的计算方法其结果更符合工程实际值.【期刊名称】《管道技术与设备》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】4页(P43-46)【关键词】回拖力;修正;适用条件;定向钻;穿越【作者】袁亮;刘沛【作者单位】陕西首创天成工程技术有限公司,陕西西安 710016;陕西首创天成工程技术有限公司,陕西西安 710016【正文语种】中文【中图分类】TE80 引言在管道穿越施工过程中，影响回拖力的因素有管道在泥浆中的浮力、管道的重力、管道与孔壁之间的摩擦系数以及泥浆的粘滞系数等。
在定向钻穿越施工的过程中，回拖力对于施工工艺确定、设备选取、管道连接、安装设计、管道长度、卡管现象的预防等起着决定性的作用[1]。
回拖力的确定在整个定向钻穿越施工中起着至关重要的作用[2]，目前许多文献基于不同的理论，推导出了各种计算公式，但并未详细解释不同公式计算结果中的差异，并对其适用条件范围做出解释。
本文对常用的几种回拖力计算方法进行分析对比，并说明其适用条件。
1 回拖力计算方法1.1 卸荷拱土压力计算方法受孔道上方塌落土的压力以及孔底支承力的影响，孔底承受管道自身的重力，其计算方法为[3]F=[2p(1+ka)+P0]μL(1)式中：F为回拖力，kN；p为土壤对单位长度管道施加的压力，kN/m；ka为土的压力系数，一般取0.3；P0为单位长度管道所受重力，kN/m；μ为摩擦系数；L为穿越管段的长度，m。
图1为土壤卸荷拱示意图。
φ为穿越地层土的内摩擦角。
一般地，砂层为30°～40°，黏土层为15°～25°。
热力工程水平定向钻施工重点问题分析
热力工程水平定向钻施工重点问题分析摘要：随着城市集中供热的不断发展，城市供热管网敷设不断延伸，供热辐射范围也不断扩大。
发展过程中难免会出现供热管道穿越河流、铁路及重要景观等设施的情况，传统的开挖施工工艺不但施工成本大，而且很难确保开挖过程中不对周边设施造成影响。
本文以水平定向钻工艺在供热管道施工为例，探讨水平定向钻技术在供热管道施工中的运用。
关键词：水平定向钻；热力工程；供热管道；施工；运用引言在城市集中供热发展中，供热管道敷设难免会出现穿越城市重要设施情况。
此时，传统的大开挖施工不但费时费力，而且很难满足人们对文明施工和环境保护的要求。
如今，人们对各类管线施工所造成的影响和污染也愈发重视，对在市政道路上的拉链式大开挖深恶痛绝。
在此背景下，我们有时不得不在供热管道穿越城市重要设施的施工中，采取水平定向钻这一非开挖技术。
目前技术成熟且较为适合供热管道施工的非开挖技术主要有水平定向钻、顶管、浅埋暗挖和盾构等。
这些技术各有优劣，例如，水平定向钻造价较高，但施工工期短，且更适合较长距离施工；顶管施工造价较低，但受操作井（坑）养护影响，施工工期较长，管道需分段在操作井拼接，在狭小空间内施工优势明显，等等。
水平定向钻技术是将定向钻技术和传统的管线施工方法结合在一起的一项施工新技术，在不开挖地表面的前提下，可敷设多种地下公共设施。
目前该技术在供热管道施工中也在尝试运用，但受供热管道本身结构特点限制，施工起来难度较大，而且具有一定的风险性，目前难以推广。
1技术特点与适用条件当热力管道在穿越市政主干道路、公路、河流、沟渠等无法进行开挖施工的场所，且采取顶管施工存在塌方、透水等安全隐患时，宜采用水平定向钻施工技术。
采用水平定向钻施工时，只需在管道起点划定操作场地，安装定向钻机、配套设施，开挖起始工作坑(包括入钻工作坑、钻进液储存坑、钻进液废浆回收坑等)，确保定向钻机顺利进行钻孔、扩孔与管道回拖等工序。
在管道终点划定操作场地，在该场地上进行保温管焊接、管道与钻杆连接、管道入孔等工序，并开挖接收工作坑(包括顺管工作坑、钻进液废浆回收坑等)。
水平定向钻管道穿越回拖力计算公式的比较分析
水平定向钻管道穿越回拖力计算公式的比较分析杨先亢;遆仲森;马保松;韦立勇;兰海涛【摘要】回拖力计算是采用水平定向钻进技术(HDD)进行管道铺设工程设计的一项重要内容,也是选择钻机和管材的主要依据.在实际施工中,水平定向钻穿越回拖力计算方法很多,且计算结果相差也比较大,常常使工程设计人员无从选择.针对这一问题,文章选取了<油气输送管道穿越工程施工规范>、<给水排水管道工程施工及验收规范>、美国燃气管道研究会的计算方法和美国材料试验学会ASTM法这4个目前国内外常用的回拖力计算公式,并结合3个具有代表性的工程实例,对4个公式的计算结果及应用环境进行比较分析,得出的结论可供HDD工程设计人员借鉴参考.【期刊名称】《石油工程建设》【年(卷),期】2011(037)001【总页数】5页(P1-5)【关键词】水平定向钻;回拖力;管道穿越【作者】杨先亢;遆仲森;马保松;韦立勇;兰海涛【作者单位】中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉,430074;中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉,430074;中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉,430074;中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉,430074;中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉,430074【正文语种】中文【中图分类】TE973.4水平定向钻进技术的施工过程一般可以分为三个阶段，即钻先导孔、扩孔和管道回拖[1-2]。
其中管道的回拖阶段需要选择适当的管材和壁厚来承受安装时的荷载，设计人员要预先确定安装荷载并确保管道尺寸能够承受这些载荷，施工单位也要根据他们提出的计算方法来预测回拖力并施工安装管道。
另外，回拖力还是水平定向钻钻机选择的主要参数，回拖力的计算是管道穿越工程首要解决的问题之一。
穿越管段在回拖过程中的受力非常复杂。
目前普遍认为管道在回拖过程中主要受到以下5种阻力：一是穿越管道与孔壁间的摩擦阻力；二是管道和地表之间的摩擦阻力；三是绞盘效应力，源于沿弯曲钻孔轨迹拖拉管道产生的递增承载压力；四是流体阻力；五是弯曲时由管道刚度产生的阻力[1]。
PE实壁管水平定向钻回拖力计算公式的比选
A — 摩擦系数,一般取〇. l ~〇. 3 。 〇0— 管 道 外 径 ，m;
软土地质的计算方法。
D— 管 道 内 径 ，m;
1 回拖力计算公式 管道牵引过程中受力复杂，且 土 的 性 质 较 难 模 拟 ，因此也很
难 有 一 个 跟 工 程 现 状 吻 合 的 、具 有 普 遍 适 用 性 的 力 学 公 式 。 现行规范中，采 用 不 同 的 受 力 模 型 ，回拖力的计算公式也有
A — 管节外壁单位面积的平均摩阻力，黏性土 0.3 kN/m2 ~ 0.4 kN/m2,沙 性 土 0.5 kN/m2 ~0.7 kN/m2。
1 . 2 净浮力计算法 GB 50423—2 0 0 7 油气输送管道穿越工程设计规范[2]和 CECS
382—2 0 1 4 水 平 定 向 钻 法 管 道 穿 越 工 程 技 术 规 程 [3]采 用 净 浮 力 计 算 法 ，认为进人钻孔内的管道主要受到浮力与管道自重差值引起
不同。 1 . 1 摩擦力计算法
GB 50268—2008给水排水管道工程施工及验收条文规范[1]
t— 管道壁厚,m; r „— 钻孔泥浆的重度，kN/m3; J„— 管材的重度,kN/m3; & — 进行浮力控制时单位长度管道的配重量，kN/m; K— 泥浆的粘滞系数，取 0.15 kN/m2 ~0.35 kN/m2。 1.3 土 压 力 计 算 法 曹 苏 军 [4]对 土 压 力 法 进 行 了 分 析 和 简 化 ，具 体 详 见 《多管组 合
R - 一 迎 面 土 挤 压 力 ，一 般 情 况 下 黏 性 土 50 kN/m2 ~ 管回拖力计算公式参考美国ASTM标 准 F1962— 1 1 大型水平定向
60 kN/m2，沙性土 80 kN/m2 ~ 100 kN/m2 ;
定向钻回拖力计算公式01_-中文版
F2-3
=
（W-F浮）
×
L2
×
f2
=
9.23
(T)
未拖入管线段产生的摩擦阻力计算如下：
F未
=
W
×
L3
×
f1
=
3.35
(T)
在3#点时,产生的总回托力计算如下:
F3
=
F2－1
+
F2-3
+
F静浮
+
F未
=
18.82
(T)
4)在4#点时，管线头部到达第4点时，即回拖已经成功，该点手里计算如下 ：
F3-4
=
（W-F浮）
×
L3
×
(f2cosα-sinα)
=
则在4#点时，产生的总回托力计算如下：
1.54
(T)
F4
=
F2－1
+
F2-3
+
F3-4
=
16.07
(T)
结论：以上的计算过程中得出四个点中第
3
点处的回托力最大为 18.82 T，根据理论计算，钻机的回拖力大于 18.82
T,可以满足工程需要.
注：黄色部分内容按工程实际情况填写，紫色部分 为自动计算。翻译：小于 计算结果
计算结果
定向钻钻机规格选用，配合定向钻钻机管线图使用
=
5.29
(T)
当管线会拖到第2点时，管线深度为
8.00 管线产生的净浮力计算如下
F静浮
=
（W-F浮）
×
H
×
ρ
=
0.95
(T)
未拖入管线段产生的摩擦阻力计算如下：
F未
水平定向钻施工作业中的有关计算
水平定向钻施工作业中的有关计算2007年02月12日来源：中国水协设备网[摘要]：本文结合实际施工实例，详细，全面，列举了水平定向钻施工作业中的有关计算，为施工的顺利完成提供了数据保障。
对于工程施工有重要的指导意义。
[关键词]：水平定向钻钻径轨迹计算随着全国市政建设的高速发展，市政公用设施——城市地下管线的修复更换，安装完善工作也得以高速发展。
随着人们环境意识的增强，无开挖，无污染，高速高效施工方法——水平定向钻顶管敷管法已在全国范围高速发展，水平定向钻施工企业也在全国迅速膨胀，水平定向钻施工技术，实际操作经验也逐渐提高。
为适应这样趋势，本文汇总了水平定向钻施工作业中的相关计算，与施工作业者讨论。
1 管重及回拖力计算（1）．管子重量计算：计算管子重量时，查找各种材料手册比较方便。
也可用以下公式进行计算；Q= π ( DW- S ) S γ / 1000对于钢管则用下式计算重量：Q= 0.02466 S ( DW - S )式中Q——管子重量, ㎏/mDW——管子外径，mmS ——管子壁厚，mmγ——管子材质密度，t/m3 ，如钢取7.85，铸铁取7.2（2）．所需回拖力计算：回拖产品管线所需回拖力也就是管壁和孔壁之间摩擦力w，其由下式计算；w = [ 2 p (1 + ka) + p0 ] f L式中：w——管壁和孔壁之间摩擦力，KNp——土对每米管道压力, KN/mka——主动土压力系数，一般取0.3p0——每米管道重量, KN/mf——管壁和孔壁之间摩擦系数, 02~0.6L——管道长度，m由上式可知，摩擦力主要取决于土对管道压力p和摩擦系数f的大小。
土对管道压力主要与土层的性质和导向孔的曲率有关。
沙土的粘聚力小，对管道的压力大，p一般按所敷管线直径1~2倍高度土质量计算；粘性土的粘聚力大，对管道压力小，p一般按所敷管线直径0.5~1倍高度土质量计算。
导向孔的曲率半径R对p影响也较大，但当R﹥1200D（D为管线直径）时，可以不考虑其影响。
定向钻轨迹计算
项次
数值
钢管内径（mm）
1000
钢管壁厚（mm）
12
钢管外径（mm）
1024
管内压力（MPa）
1.0
管外压力（MPa）
1.0
转弯半径（mm）
1500000
管材弹模（MPa）
200000
管材极限屈服应力σ（MPa）
345
备注
内压环向应力（MPa） 内压轴向应力（MPa） 弯曲轴向应力（MPa） 回拖轴向拉应力（MPa）
0.287 满足
41.7 20.8 68.3 1.7
最大轴向应力（MPa）回拖时
59.0 满足
最大轴向应力（MPa）运用时 最小轴向应力（MPa）
89.1 满足 -47.4
管材允许应力[σ]（MPa）
207
直管内压壁厚t＝pd/(2[σ])
2.4
回拖力计算 F(kN) 穿越管段长度 L(m) 钢管外径(m) 钢管内径(m) 摩擦系数 f(0.1~0.3) 泥浆密度 1.15~1.20 钢材密度 78kkN/m3 粘滞系数K=0.01~0.03
13.424 0.241632 Mpa
0.287 满足
谷河定向钻拖管强度、稳定计算
项次
数值
备注
钢管内径（mm）
1000
钢管壁厚（mm）
12
钢管外径（mm）
1024
管内压力（MPa）
1.0
管外压力（MPa）
1.0
转弯半径（mm）
1500000
管材弹模（MPa）
200000
管材极限屈服应力σ（MPa）
78 0.02
径向屈曲失稳核算 临界压力Pcr(MPa) 钢管椭圆度f0(%) n= m=
水平定向钻施工作业中的有关计算
作者简介：杭超军（1973—）男，助工，1997年毕业于北京建筑工程学院城建系燃气专业，长期从事水平定向钻施工工作。
现任西安市天然气工程有限责任公司经营管理部副部长。
随着全国市政建设的高速发展，市政公用设施——城市地下管线的修复更换，安装完善工作也得以高速发展。
随着人们环境意识的增强，无开挖，无污染，高速高效施工方法——水平定向钻顶管敷管法已在全国范围高速发展，水平定向钻施工企业也在全国迅速膨胀，水平定向钻施工技术，实际操作经验也逐渐提高。
为适应这样趋势，本文汇总了水平定向钻施工作业中的相关计算，与施工作业者讨论。
1管重及回拖力计算1．1管子重量计算计算管子重量时，查找各种材料手册比较方便。
也可用以下公式进行计算：Q=π(DW-S )S γ/1000对于钢管则用下式计算重量：Q=0.02466S (DW -S )式中Q ：管子重量,㎏/m ；DW ：管子外径，mm ；S ：管子壁厚，mm ；γ：管子材质密度，t/m 3，如钢取7.85，铸铁取7.2。
1．2所需回拖力计算回拖产品管线所需回拖力也就是管壁和孔壁之间摩擦力w ，其由下式计算：w =[2p (1+k a )+p 0]f L式中：w ：管壁和孔壁之间摩擦力，KN ；p ：土对每米管道压力,KN/m ；k a ：主动土压力系数，一般取0.3；p 0：每米管道重量,KN/m ；f ：管壁和孔壁之间摩擦系数,02～0.6；L ：管道长度，m 。
由上式可知，摩擦力主要取决于土对管道压力p 和摩擦系数f 的大小。
土对管道压力主要与土层的性质和导向孔的曲率有关。
沙土的粘聚力小，对管道的压力大，p 一般按所敷管线直径1～2倍高度土质量计算；粘性土的粘聚力大，对管道压力小，p 一般按所敷管线直径0.5～1倍高度土质量计算。
导向孔的曲率半径R 对p 影响也较大，但当R ﹥1200D （D 为管线直径）时，可以不考虑其影响。
2钻径轨迹的设计计算钻径轨迹的计算是施工作业成败的关键环节。
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注：黄色部分内容按工程实际情况填写，蓝色部分为自动计算。
(T) (T) (T) (T) T,可以满足工程需要。
距离 L2 （m）
1025.68 距离 L2 L3 （m）
220.12
f1（孔外） （0.1～0.3）
0.3
f2（孔内） （0.1～0.3）
0.40
定向钻穿越回拖力的计算，对于正确选用钻机至关重要。以下计算的条件是孔内充满泥浆，孔壁保持完好。（管材为钢管）
根据美国奥格公司提供的计算方法如下：计算时在设计曲线上取有代表性的4个点，计算在各点的使管线向前运动所需的拉力.
=
28.89
(T)
当管线回拖到第2点时，管线的深度为
20.00 管线产生的净浮力计算如下：
F静浮
=
（W-F浮）
×
H
×
ρ
=
4.75
(T)
未拖入管线段产生的摩擦阻力计算如下:
F未
=
W
× （L2+L3） ×
f1
=
119.07
(T)
则有在第2点产生的总回拖力计算如下
F2
=
F2－1
+
F静浮
+
F未
=
152.71
穿越长度 L（m）
1500
管径D （mm）
定向钻回拖力的计算
813
壁厚 （mm）
16.0
入土角 (α)
10
出土角 (β)
6
管道埋深H （m）
20.0
曲率半径R （m）
1219.50
1#点至2#
2#点至3#点
3#点至4#点
摩擦系数
摩擦系数
入土点标高 （m）
0.00
出土点标高 （m）
0.00 点距离 L1 254.20 （m）
(T)
3)在第3点，管线经过水平段后，到达第二个折点，其计算如下：
F2-3
=
（W-F浮）
×
L2
×
f2
=
92.81
(T)
未拖入管线段产生的摩擦阻力计算如下:
F未
=
W
×
L3
×
f1
=
则有在第3点产生的总回拖力计算如下:
F3
=
F2－1
+
F2-3
+
F静浮
+
4)在第4点，管线头部到达第4点时，即回拖已经成功，该点受力计算如下：
F3-4
=
（W-F浮）
×
L3
×
(f2cosα-sinα)
则有在第4点产生的总回拖力计算如下:
F4
=
F2－1
+
F2-3
+
F3-4
=
结论：以上的计算过程中得出，四个 点中第
2
点处的回拖力最大为 152.71
F未
=
=
21.04
147.48
10.97 132.66
T，根据理论计算，钻机的回拖力大于 152.71
出土点
4#点
3#点
埋深
2#点
泥浆密度 ρ 1.05
出土点
1#点
每米管线的重量W(kg)
318.59
每米管线悬浮在泥浆中产生的浮力 F浮(kg)
544.80
1)在第1点时
F1
=
W
×
L
×
f
=
2)在第2点，也就是管线回拖到第一个转折点，其计算如下：
143.37
(T)
F2－1
=
（W-F浮）
×
L1
×
(f2cosβ+sinβ)