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CN110529657A - 普通铸铁管在非开挖施工中的运用方法及管道锁定装置 - Google Patents

普通铸铁管在非开挖施工中的运用方法及管道锁定装置 Download PDF

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CN110529657A
CN110529657A CN201910804535.7A CN201910804535A CN110529657A CN 110529657 A CN110529657 A CN 110529657A CN 201910804535 A CN201910804535 A CN 201910804535A CN 110529657 A CN110529657 A CN 110529657A
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CN
China
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pipeline
pipe
ductile iron
pin
iron pipe
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Application number
CN201910804535.7A
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Inventor
张冬
江思安
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Lu'an Shengyuan pipeline installation engineering Co.,Ltd.
Original Assignee
Lu'an Shengyuan Pipeline Installation Engineering Co Ltd
Luan Dongcheng Water Supply Co Ltd
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Publication date
Application filed by Lu'an Shengyuan Pipeline Installation Engineering Co Ltd, Luan Dongcheng Water Supply Co Ltd filed Critical Lu'an Shengyuan Pipeline Installation Engineering Co Ltd
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Abstract

本发明提供普通球墨铸铁管在非开挖施工中的运用方法，包括：第一步：前期准备步骤，施工前了解施工地地层情况，设计确定管道路径；第二步：导向开孔步骤，采用钻孔机在施工地的地下钻出导向孔，导向孔的路径沿着预先确定的管道路径；第三步：扩孔钻进步骤，利用扩孔器的回拉对导向孔进行扩展；第四步：铺管检测步骤，在扩孔器回拉的过程中完成管道铺设，铺设完毕后进行气密性检测。采用普通的球墨铸铁管替代自锚接口的非开挖专用球墨铸铁管道，充分利用球墨铸铁管良好的性质和物理力学，科学的设计管道拉管轨迹曲线，在普通球墨铸铁管允许的最大弯曲偏转角的条件下，完成了普通球墨铸铁管在水平定向非开挖拉管中的创新运用。

Description

普通铸铁管在非开挖施工中的运用方法及管道锁定装置
技术领域
本发明涉及管道铺设技术领域的施工方法，具体涉及普通球墨铸铁管在非开挖施工中的运用方法及管道锁定装置。
背景技术
水平定向非开挖铺管技术又称HDD技术在给排水管道项目建设中的广泛应用，越显重要。这种施工工艺的优点是：对穿越道路、铁路、河道以及其它建筑物等均不影响正常使用；对地面拆毁很少，有利于环境保护；施工周期短、作业安全迅速、综合成本低，社会效益显著。
自锚接口的非开挖专用球墨铸铁管道在穿越工程中达到很好的运用。球墨铸铁具有较高的抗拉强度和弯曲疲劳极限，也具有相当良好的塑性及韧性，球墨铸铁管材采用T型胶圈(由硬胶和软胶两部分组成)，柔性接口轴向伸缩量，满足接口因外力而发生偏角(θ)，利用其偏转角实现管线长距离的转向，就有了最小的曲率半径，从而实现水平定向非开挖铺管工艺管道轨迹“曲线+缓和曲线+曲线”的走向要求。球墨铸铁材料具有同碳钢接近的力学性能，同时具有铸铁特有的耐腐蚀性能，球墨铸铁管外层防腐采用锌+高氯化聚乙烯终饰层，喷锌具很好的自身修复性能，内层水泥砂浆内衬，成为解决管材内外防腐的成功案例。水平定非开挖专用球墨铸铁管材，自锚接口包括承口、插口、挡环，承口的端部径向向内延伸形成一完整的环形壁部，插口的端部设置插口凸起(焊环)，该接口通过承口的挡环受轴向力实现自锚，支撑体使用的挡环始终与插口外壁及焊环紧紧接触，保证接口拥有可靠的自锚性能。自锚接口球墨铸铁管在非开挖工程施工解决了非开挖管道穿越的实际问题，增加施工可靠性，管道内外防腐完美方案，特别是接口的允许偏转角解决非开挖拉管轨迹所需的曲率半径。
然而这种自锚接口球墨铸铁管是普通球墨铸铁管材的3倍价格，而且在施工安装时，对自锚接口的技术要求高，操作繁琐。因此如何降低水平定向非开挖施工成本，成为摆在人们面前非常棘手的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供普通球墨铸铁管在非开挖施工中的运用方法及管道锁定装置来解决自锚接口球墨铸铁管施工价格过高、技术要求高、操作繁琐的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：普通球墨铸铁管在非开挖施工中的运用方法，包括：
第一步：前期准备步骤，施工前了解施工地地层情况，设计确定管道路径；
第二步：导向开孔步骤，采用钻孔机在施工地的地下钻出导向孔，导向孔的路径沿着预先确定的管道路径；
第三步：扩孔钻进步骤，待钻孔机的钻杆完成导向孔的开孔后，利用扩孔器的回拉对导向孔进行多级扩展，形成孔径大于导向孔的管道路径；
第四步：铺管检测步骤，在清孔满足要求后，及时将安装好的普通球墨铸铁管连接而成的管道连接在扩孔器上，在扩孔器回拉的过程中完成管道铺设，铺设完毕后进行气密性检测。
作为本发明的一种改进，所述导向开孔步骤分为：
(S2.1)根据选定的导向轨迹的起始点和终点在地面起伏现状图的位置，开挖入孔坑和出孔坑；
(S2.2)钻孔机的钻杆从入孔坑开始，沿导向轨迹进行钻孔直至从出孔坑伸出为止，形成导向孔。
作为本发明的一种改进，所述扩孔钻进步骤分为：
(S3.1)钻杆从出孔坑伸出后，在钻杆上连接扩孔器；
(S3.2)待扩孔器连接完毕后，回拉钻杆，在回拉过程中，扩孔器对导向孔进行多级扩孔钻进。
作为本发明的一种改进，所述铺管检测步骤分为：
(S4.1)将普通球墨铸铁管在岸上进行“一字型”安装，形成完整的管道；
(S4.2)在管道上安装管道锁定装置，即在管道内部组装钻杆，钻杆一头连接管道头部的管帽，另一头连接到管道尾部的闷板上的外牙螺丝杆上；
(S4.3)将管道头部的管帽连接到扩孔器上，在扩孔回拉的同时进行管道铺设；
(S4.4)待管道铺设完毕后，拆除管帽和钻杆；
(S4.5)待管道上的多余物拆除完毕后，对管道进行气密性检测，将测试气压设置为工作压力的1.5倍，管道在此气压状态下保持30分钟为合格。
作为本发明的一种改进，在铺管检测步骤之后还有冲水清理管道及撤场步骤，向管道内部进行冲水清理后撤场。
作为本发明的一种改进，所述前期准备步骤分为：
(S1.1)了解工作现场的地面及地下情况，绘制地面起伏现状图；
(S1.2)根据不同管径在曲线安装时允许的偏转角，设计绘制标准轨迹曲线库；
(S1.3)将所绘制的地面起伏现状图与所绘制的标准轨迹曲线库进行叠合比对，获得最佳导向轨迹。
作为本发明的一种改进，最佳导向轨迹的选择方法包括：
选定一个穿越障碍物的深度；
根据开挖顺序将穿越轨迹曲线依次分为穿入曲线段L1、缓和曲线段L2、穿出曲线段L3；
将普通球墨铸铁管的管长设为单位跨度，将每段单位跨度的普通球墨铸铁管以一固定变化角度构成单位曲线单元；
多段单位曲线单元构成穿入曲线段、穿出曲线段，与平滑的缓和曲线段形成一个穿越轨迹曲线并存储记录；
将单位跨度的固定变化角度以一恒定值逐次增加直至普通球墨铸铁管允许最大偏转角，形成新的穿越轨迹曲线并存储记录，从而建立一标准轨迹曲线库；
将绘制的地面起伏现状图与标准轨迹曲线库的穿越轨迹曲线进行叠合比对，获得最佳导向轨迹。
作为本发明的一种改进，在建立一标准轨迹曲线库时，针对每种穿越障碍物构建一个标准轨迹曲线，并智能确定所述曲线的穿入曲线段L1、缓和曲线段L2、穿出曲线段L3，所述构建标准轨迹曲线的具体步骤如下所示：
步骤A1、将穿入曲线段L1的开始位置作为一个坐标原点，以需要穿越障碍物所处的水平方向作为X轴方向，以竖直向下的方向作为Y轴方向，以一个单位跨度为坐标系的单位长度，构建一个坐标系；
步骤A2、获取所需穿越障碍物离原点最近处的坐标点a1,所述需穿越障碍物离原点最远处的坐标点a3，将坐标点a1和坐标点a3的中点作为一个障碍圆心点ao，获取所述圆心点ao在坐标系上的取值ao＝(Xao,Yao),将所述需要穿越障碍物上离障碍圆心点ao最远的一个点标注为障碍区域点a4，获取所述障碍区域点a4在坐标系上的取值a4＝(Xa4,Ya4)，并将所述圆心点ao和障碍区域点a4构建一个障碍函数(1)；
其中，r为得到的障碍距离，f(x)为构建的障碍函数，x为构建的障碍函数的自变量，且x的取值区间为[Xao-r,Xao+r]，f(x)得到的结果为当自变量x取不同值时的障碍函数能得到的障碍的深度；
步骤A3、获取所述穿出曲线段L3结束处的坐标点b1，获取所述坐标点b1在坐标系上面的取值b1＝(Xb1,Yb1)，并将所述值带入公式(2)，构建穿越函数；
其中，g(x)为构建的穿越函数，x的取值区间为[0,Xb1]，且当x取所有值时，对应的g(x)形成的抛物线则为最佳导向轨迹；
步骤A4、将所述最佳导向轨迹带入公式(3)，从而确定穿入曲线段L1、缓和曲线段L2、穿出曲线段L3；
其中，g′(x)为对穿越函数g(x)求导，xL为最终确定穿入曲线段L1、缓和曲线段L2、穿出曲线段L3时的分割点，当g′(x)取值为-0.1时，计算得到相应的xL标记为xL1，当g′(x)取值为0.1时，计算得到相应的标记为xL2；
步骤A5、当x的取值区间为[0,xL1]时，g(x)形成的抛物线则为穿入曲线段L1，当x的取值区间为(xL1,xL2)时，g(x)形成的抛物线则为缓和曲线段L2，当x的取值区间为[xL2,Xb1]时，g(x)形成的抛物线则为穿出曲线段L3。
作为本发明的一种改进，一种管道锁定装置，应用于“一字型”完整管道中，包括：
管帽，为圆锥形中空结构，其直径较小的一端设置有用于连接扩孔器的连接件，所述管帽直径较大的一端与管道的端口密封连接；
密封闷板，为圆盘状结构，其密封连接在管道另一端的端口，所述密封闷板上还贯穿活动连接有外牙螺丝杆，所述外牙螺丝杆上螺纹连接有丝帽，所述丝帽紧贴所述密封闷板上与外部环境接触的一侧；
锁定钻杆，置于管道内部，一端与所述管帽固定连接，另一端固定连接在所述外牙螺丝杆上。
作为本发明的一种改进，所述管道锁定装置还包括报警系统，所述报警系统包括设置在锁定钻杆与管帽连接处及锁定钻杆与外牙螺丝杆连接处的撕裂传感器、贴附在所述锁定钻杆上的应力传感器，所述撕裂传感器、应力传感器电连接在同一个控制电路上的输入端，所述控制电路的输出端还分别电性连接有第一报警器、第二报警器，所述控制电路包括：
撕裂传感器，其引脚1连接有电压输入端，其引脚3接地，且引脚1、3之间还连接有电容C1，其引脚2依次串联有电阻R1、电感M1；
应力传感器，其引脚1连接有电压输入端，其引脚3接地，且引脚1、3之间还连接有电容C2，其引脚2依次串联有电阻R2、电感M2；
电容C3，其上端与电感M1的右端相连，下端与电容M2的右端相连；
增益器T1，其正相输入端与R4串联，R4的另一端分别连接R6、R7，其负相输入端分别连接有电容C3的下端、电阻R3、电容C4，其输出端与R5一端相连；
电容C4，其上端与所述增益器T1的负相输入端相连，其下端接地；
电阻R5，其另一端依次串联有电阻R6、电阻R7，电阻R7的另一端接地；
稳压二级管P1，其正极与R5的右端相连，其负极与稳压二极管P2的负极相连，稳压二极管P2的正极接地；
频率变送器W1，其引脚1分别连接有电阻R8、二极管D2的正极，二极管D2的负极接地，电阻R8的另一端连接电源；其引脚2与稳压二级管P1的正极相连；其引脚3、4接地；其引脚5、9接电源输入端；其引脚8分别连接二极管D3的负极、电容C5一端，二极管D3的正极接地，电容C5的另一端与引脚7、引脚6相连；引脚6还与并联的电阻R9、电容C6连接，引脚6、电阻R9、电容C6接地；
增益器T2、增益器T3，二者的负相输入端连接频率变送器W1的引脚7输出的电压信号，该电压信号与增益器T2、增益器T3的正相输入端连接的电阻R10、R11、R12组成的比较电路进行电压对比，增益器T2的输出端与第一报警器L1相连，增益器T3的输出端与第二报警器L2相连。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明穿越曲线轨迹的示意图；
图2为本发明的管道锁定装置的结构示意图；
图3为本发明报警系统的控制电路图。
图中各构件为：
1-管帽，2-连接件，3-管道，4-密封闷板，5-外牙螺丝杆，6-丝帽，7-锁定钻杆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，普通球墨铸铁管在非开挖施工中的运用方法，包括：
第一步：前期准备步骤，施工前了解施工地地层情况，设计确定管道路径；
第二步：导向开孔步骤，采用钻孔机在施工地的地下钻出导向孔，导向孔的路径沿着预先确定的管道路径；
第三步：扩孔钻进步骤，待钻孔机的钻杆完成导向孔的开孔后，利用扩孔器的回拉对导向孔进行多级扩展，形成孔径大于导向孔的管道路径；
第四步：铺管检测步骤，将安装好的普通球墨铸铁管连接而成的管道连接在扩孔器上，在扩孔器回拉的过程中完成管道铺设，铺设完毕后进行气密性检测。
上述技术方案的工作原理：由于地下暗挖属于危险性较大的分项工程，因此在施工前需要对施工情况进行前期了解，选择合适安全的管道路径，待选定好管道路径后，进行定向钻进拉管。即利用定向钻机、导向钻头和导向仪等施工设备，按照选定的管道路径(近似弧形)，采用定向钻进技术先施工一个导向孔，待导向孔钻头在被穿越障碍物的另一侧露出后，卸下导向钻头换上大直径的扩孔钻头，直径小于扩孔钻头的由普通球墨铸铁管连接而成的管道，拉入钻孔。或者根据钻机的性能和管道的直径大小可先进行多次扩孔后再回拉管线，等全部的钻杆被拉回时，铺管的工作也同时完成。
上述技术方案的有益效果：采用普通的球墨铸铁管替代自锚接口的非开挖专用球墨铸铁管道，充分利用球墨铸铁管良好的性质和物理力学，采用改变非开挖拉管管材轴向受力方向，止脱胶圈固定管道接口的方式，科学的设计管道拉管轨迹曲线，在普通球墨铸铁管允许的最大弯曲偏转角的条件下，完成了普通球墨铸铁管在水平定向非开挖拉管中的创新运用。
在本发明的一个实施例中，所述导向开孔步骤分为：
(S2.1)根据选定的导向轨迹的起始点和终点在地面起伏现状图的位置，开挖入孔坑和出孔坑；
(S2.2)钻孔机的钻杆从入孔坑开始，沿导向轨迹进行钻孔直至从出孔坑伸出为止，形成导向孔。
在选定管道路径后，在施工现场将钻杆的钻入处和钻出处在施工现场标记出，并根据管道路径的曲率选择钻杆规格，钻杆的规格参照下表选择：
表1：钻杆工艺参数
导向孔的钻进必须按照设计测量的钻孔轨迹参数进行。采用随钻测量系统，在钻具内安装测量探头，通过探头测量钻头的位置参数，并将数据传送至地表接收仪器，操作人员根据数据采取适当的技术措施控制钻进方向的机构，使得钻孔在设计测量的轨迹范围内进行钻进。
在本发明的一个实施例中，所述扩孔钻进步骤分为：
(S3.1)钻杆从出孔坑伸出后，在钻杆上连接扩孔器；
(S3.2)待扩孔器连接完毕后，回拉钻杆，在回拉过程中，扩孔器对导向孔进行扩孔钻进。
扩孔主要是将导向孔的孔径扩大至所铺设管线上，减少回拉管的扩孔工作量和回拉管的阻力。具体操作过程是在钻杆从出孔坑钻出后，将扩孔器连接在钻杆上，回拉进行扩孔，直径较大的管线，需要进行多次扩孔钻进，扩孔时要严格执行扩孔钻进技术规程，对钻进过程中的回转力、转速、冲洗液量三个工艺参数进行控制。
在本发明的一个实施例中，所述铺管检测步骤分为：
(S4.1)将普通球墨铸铁管在岸上进行“一字型”安装，形成完整的管道；
(S4.2)在管道上安装管道锁定装置，即在管道内部组装钻杆，钻杆一头连接管道头部的管帽，另一头连接到管道尾部的闷板上的外牙螺丝杆上；
(S4.3)将管道头部的管帽连接到扩孔器上，在扩孔钻井的同时进行管道铺设；
(S4.4)待管道铺设完毕后，拆除管帽和钻杆；
(S4.5)待管道上的多余物拆除完毕后，对管道进行气密性检测，将测试气压设置为工作压力的1.5倍，管道在此气压状态下保持30分钟为合格。
现有的采用自锚接口式球墨铸铁管在回拉铺管的步骤中，利用自锚接口的柔性自锚特质实现曲线轨迹的铺设，在回拉铺管时逐节连接球墨铸铁管，即回拉完一节球墨铸铁管后通过自锚接口连接下一节球墨铸铁管继续回拉铺管，并对接口采用金属皮外包或聚乙烯热熔等材料进行外防护，待铺管完成后由于自锚接口式球墨铸铁管管口的特殊形状，需用专用牵引管帽连接在管口处，因此其拆除也非常困难。
而在本发明的实施例中，通过普通球墨铸铁管自身的弯曲物理特性实现曲线轨迹的铺设。在铺设管道时，先将多节普通球墨铸铁管在岸上顺次连接成“一字型”管道，再将管道通过专用管帽连接到扩孔器上，专用管帽是通过法兰接口连接在管道的管口上的。由于管道是通过自身的物理弯曲特性进行铺设的，因此在铺设过程中需要管道内设置钻杆锁定“一字型”管道的相对位置。管道在拉进过程中管道轴向应力(管道自重+孔壁摩擦力)改变为钻杆受力，反方向作用力给管道为顶推力，管道的顶推力要远大于剪应力。管道拉管到位后，拆卸专用管帽非常容易，因为它与管道连接的是法兰盘接口，拆下螺丝就实现了，管道内的连接钻杆有拉管机配合轻而易举完成拆卸。管道完成障碍物穿越入孔就位后，整个管道还要进行二次气密性检验打压，压力设置为工作压力的1.5倍，恒压30min合格后，完成管道的冲洗消毒工序后，就可以交付使用。
采用改变非开挖拉管管材轴向受力方式，拉管时由于管道的自身重量和孔壁四周土的摩擦力所需要的反向作用力变为对管道的顶推力，同自锚式接口管道在非开挖拉管的作用力为管道轴向的剪应力相比，球墨铸铁管的顶推力性能更强，更安全。不同口径球墨铸铁管的允许顶推力如表2所示。
表2：不同口径球墨铸铁管的允许顶推力参数
上述技术方案的有益效果：解决非开挖选材难、安装技术复杂的问题，有效的降低工程材料成本，提高管道运行稳定。值得给排水行业在生产中广泛推广，特别是在管道穿越工程中运用，能有效降低管道潜漏的风险，对产销差的管控有非常重要的作用。本案欲保护点为非开挖拉管设计的管前管帽及管尾固定丝杆部分，设计在标准偏转角情况下的轨迹曲线结合现场勘查对穿越工程导向精确测控等。
在本发明的一个实施例中，在铺管检测步骤之后还有冲水清理管道及撤场步骤，向管道内部进行冲水清理后撤场。
在管道铺设完毕后，对管道冲洗时流量不应小于1.5m/s的流速，进行连续冲洗。
在本发明的一个实施例中，所述前期准备步骤分为：
(S1.1)了解工作现场的地面及地下情况，绘制地面起伏现状图；
(S1.2)根据不同管径在曲线安装时允许的偏转角，设计绘制标准轨迹曲线库；
(S1.3)将所绘制的地面起伏现状图与所绘制的标准轨迹曲线库进行叠合比对，选择满足施工需求的最佳导向轨迹。
在采用普通球墨铸铁管进行铺管时，由于其是利用球墨铸铁管接口的偏转角来实现管道的曲线式路径。因此球墨铸铁管接口允许偏转角(θ).在非开挖施工工艺中是重要考量因素，所有管道穿越障碍物设计的轨迹曲率半径要求管道接口的偏转角(θ)必须小于最大允许转角。管道沿曲线安装时，管道接口的最大允许转角及安装允许转角应符合设计的规定，可参照表3选择普通球墨铸铁管的管径大小。
表3：不同管径的普通球墨铸铁管的允许转角参数
表4：不同管径球墨铸铁管道的最小曲率半径
DN DE/mm L/m θ/° R<sub>pipe</sub>/m 备注
80 98 5.9 4 84.52
100 118 5.9 4 84.52
150 170 5.9 4 84.52
200 222 5.9 4 84.52
250 274 5.9 4 84.52
300 326 5.9 3 112.65
350 378 5.9 3 112.65
400 429 5.9 3 169.05
因此在设计管道轨迹曲线时，根据不同管径在曲线安装时允许的偏转角，设计绘制出若干不同变化角度的标准轨迹曲线从而形成一个标准轨迹曲线。再对施工现场的环境进行测量描绘，绘制地面起伏现状图，最后将所绘制的地面起伏现状图与所绘制的标准轨迹曲线库进行叠合比对，选择满足施工需求的最佳导向轨迹。
在本发明的一个实施例中，最佳导向轨迹的选择方法包括：
选定一个穿越障碍物的深度；
将穿越轨迹曲线分为穿入曲线段L1、缓和曲线段L2、穿出曲线段L3；
将普通球墨铸铁管的管长设为单位跨度，将每段单位跨度的普通球墨铸铁管以一固定变化角度构成单位曲线单元；
多段单位曲线单元构成穿入曲线段、穿出曲线段，与平滑的缓和曲线段形成一个穿越轨迹曲线并存储记录；
将不同管径普通球墨铸铁管的单位跨度的固定变化角度以一恒定值逐次增加直至普通球墨铸铁管允许最大偏转角，形成新的穿越轨迹曲线并存储记录，从而建立一标准轨迹曲线库；
将绘制的地面起伏现状图与标准轨迹曲线库的穿越轨迹曲线进行叠合比对，获得能够将障碍物包纳其中且最短曲线长度为最佳导向轨迹。
在实际施工中，在选定深度时，有时为了避开地下的既有管线或覆土深度有要求时，往往要考虑其它穿越时的深度，具体可参照表5。
表5：不同项目中管线铺设最小覆土深度
在建立标准轨迹曲线库时，首先确定以普通球墨铸铁管的长度为一个单位跨度，一般的普通球墨铸铁管的长度为6米，公称直径为80mm的普通球墨铸铁管的最大允许偏转角为4°。首先设定固定变化角度为1°，所谓的“固定变化角度”是指普通球墨铸铁管在呈弯曲状态时两端端口的轴线夹角。由多个该弯曲状态的普通球墨铸铁管首尾相连形成对称的穿入曲线段和穿出曲线段，与处于两个曲线段中间的缓和曲线段构成一个完整的穿越轨迹曲线并存储记录。
然后不同直径的普通球墨铸铁管再以固定变化角度每次增加0.1°(1.1°、1.2°、1.3°……)的方式构成若干完整的穿越轨迹曲线并存储记录从而建立一标准轨迹曲线库。将绘制的地面起伏现状图与标准轨迹曲线库的穿越轨迹曲线进行叠合比对，获得最佳导向轨迹。这里所说的“最佳导向轨迹”是指能够将需要穿越的障碍物包纳其中，并且综合考虑轨迹长度、管道直径需求、管道弯曲度要求等。
上述技术方案的有益效果：根据不同管径普通球墨铸铁管的物理弯曲性能，在弯曲角度不大于其允许偏转角的范围内建立标准轨迹曲线库，便于在选择障碍物穿越曲线及普通球墨铸铁管的管材时，将地面起伏现状图直接与标准轨迹曲线库进行比对，可以更加直观的选出最为合适的障碍物穿越曲线及普通球墨铸铁管的管材。
在本发明的一个实施例中，在建立一标准轨迹曲线库时，针对每种穿越障碍物构建一个标准轨迹曲线，并智能确定所述曲线的穿入曲线段L1、缓和曲线段L2、穿出曲线段L3，所述构建标准轨迹曲线的具体步骤如下所示：
步骤A1、将穿入曲线段L1的开始位置作为一个坐标原点，以需要穿越障碍物所处的水平方向作为X轴方向，以竖直向下的方向作为Y轴方向，以一个单位跨度为坐标系的单位长度，构建一个坐标系；
步骤A2、获取所需穿越障碍物离原点最近处的坐标点a1,所述需穿越障碍物离原点最远处的坐标点a3，将坐标点a1和坐标点a3的中点作为一个障碍圆心点ao，获取所述圆心点ao在坐标系上的取值ao＝(Xao,Yao),将所述需要穿越障碍物上离障碍圆心点ao最远的一个点标注为障碍区域点a4，获取所述障碍区域点a4在坐标系上的取值a4＝(Xa4,Ya4)，并将所述圆心点ao和障碍区域点a4构建一个障碍函数(1)；
其中，r为得到的障碍距离，f(x)为构建的障碍函数，x为构建的障碍函数的自变量，且x的取值区间为[Xao-r,Xao+r]，f(x)得到的结果为当自变量x取不同值时的障碍函数能得到的障碍的深度；
通过构建障碍函数(1)，使得所述障碍物能够在坐标系中更好的体现出来，所述需要穿越障碍物的区域均在坐标函数f(x)形成的抛物线，以及坐标点(Xao-r，Yao),(Xao+r，Yao)构成的直线所包含的区域内，从而最后在确定最佳导向轨迹时能避开障碍函数的抛物线则能避开所述要穿越障碍物，且所述障碍函数与实际障碍物的边缘很接近，则构建的障碍函数能更优的刻画出所述需要穿越障碍物的走势。
步骤A3、获取所述穿出曲线段L3结束处的坐标点b1，获取所述坐标点b1在坐标系上面的取值b1＝(Xb1,Yb1)，并将所述值带入公式(2)，构建穿越函数；
其中，g(x)为构建的穿越函数，x的取值区间为[0,Xb1]，且当x取所有值时，对应的g(x)形成的抛物线则为最佳导向轨迹；
步骤A4、将所述最佳导向轨迹带入公式(3)，从而确定穿入曲线段L1、缓和曲线段L2、穿出曲线段L3；
其中，g′(x)为对穿越函数g(x)求导，xL为最终确定穿入曲线段L1、缓和曲线段L2、穿出曲线段L3时的分割点，当g′(x)取值为-0.1时，计算得到相应的xL标记为xL1，当g′(x)取值为0.1时，计算得到相应的标记为xL2；
步骤A5、当x的取值区间为[0,xL1]时，g(x)形成的抛物线则为穿入曲线段L1，当x的取值区间为(xL1,xL2)时，g(x)形成的抛物线则为缓和曲线段L2，当x的取值区间为[xL2,Xb1]时，g(x)形成的抛物线则为穿出曲线段L3。
上述技术方案的有益效果：
(1)利用上述技术，可以智能且自动的得到最佳导向轨迹，并且还能够对所述最佳导向轨迹确定穿入曲线段L1、缓和曲线段L2、穿出曲线段L3。
(2)利用上述技术，在确定最佳导向轨迹时，对于本来没有规则的需要穿越障碍物转变为一个具有规则的障碍函数，使智能判断时能更好的避开所述需要穿越障碍物。
(3)在确定障碍函数后，可以根据障碍函数得到的障碍物的最深的点，即在Y轴的最大值对应的点，原点，以及穿出曲线段L3结束处的坐标点b1构建出穿越函数，使得所述最佳导向轨迹的求解变成一个自动求解的过程。
一种管道锁定装置，应用于权利要求4中的“一字型”完整管道中，包括：
管帽1，为圆锥形中空结构，其直径较小的一端设置有用于连接扩孔器的连接件2，所述管帽1直径较大的一端与管道3的端口螺栓密封连接；管帽1与管道3之间可以采用法兰接口密封连接，便于在铺管完毕后将管帽1拆卸下来，
密封闷板4，为圆盘状结构，其密封连接在管道3另一端的端口，所述密封闷板4上还贯穿活动连接有外牙螺丝杆5，所述外牙螺丝杆5上螺纹连接有丝帽6，所述丝帽6紧贴所述密封闷板4上与外部环境接触的一侧；密封闷板4与管道3之间可以采用法兰接口密封连接，便于在铺管完毕后将密封闷板4拆卸下来，
锁定钻杆7，置于管道3内部，一端与所述管帽1固定连接，另一端固定连接在所述外牙螺丝杆5上。
上述技术方案的工作原理：管道中球墨铸铁管道接口为承插滑入柔性接口，胶圈采用T型防脱密封胶圈。防脱密封胶圈安装同普通密封胶圈工序一样，管道安装也一模一样。按照勘察设计管道长度，在满足安装要求的拉管入口方向，“一字”型在岸上完成管道安装，管道承口对着拉管机的方向。管道岸上打压合格后(通常采用30min恒压0.2Mpa),完成管道内壁钻杆组装和穿越，管内锁定钻杆7一头连接管头的定做的专用的管帽1，另一头连接到管尾处密封闷板4上的外牙螺丝杆5上(螺丝杆抗拉强度必须大于拉管时的最大牵引力，见图片)，用拧动丝帽6将管内锁定钻杆7拉直，锁定“一字”型管道的相对位置。管头专用的管帽1连接的是连接器和扩孔器等，同正常拉管工艺一样。通过这样创新设计，管道在拉进过程中管道轴向应力(管道自重+孔壁摩擦力)改变为钻杆受力，反方向作用力给管道为顶推力，管道的顶推力要远大于剪应力。管道拉管到位后，拆卸专用管帽非常容易，因为它与管道连接的是法兰盘接口，拆下螺丝就实现了，管道内的连接钻杆有拉管机配合轻而易举完成拆卸。
上述技术方案的有益效果：
1.充分利用物理力学和球墨管材性能，采用改变非开挖拉管管材轴向受力方向，止脱胶圈固定管道接口的方式，完成了普通球墨铸铁管在水平定向非开挖拉管中(障碍物)的创新运用，有效的降低工程成本。
2.安装简便：普通球管安装简单快捷，技术要求含量低，直观检查管口的标线就可以了。
3.管头的管帽以及管尾丝杆固定专件，加工成本低，价格便宜，拆装方便。
4.本案在穿越工程中运用，能有效降低管道潜漏的风险，对产销差的管控有非常重要的作用。
在一种管道锁定装置的实施例中，所述管道锁定装置还包括报警系统，所述报警系统包括设置在锁定钻杆7与管帽1连接处及锁定钻杆7与外牙螺丝杆5连接处的撕裂传感器、贴附在所述锁定钻杆7上的应力传感器，所述撕裂传感器、应力传感器电连接在同一个控制电路上的输入端，所述控制电路的输出端还分别电性连接有第一报警器、第二报警器，所述控制电路包括：
撕裂传感器，其引脚1连接有电压输入端，其引脚3接地，且引脚1、3之间还连接有电容C1，其引脚2依次串联有电阻R1、电感M1；
应力传感器，其引脚1连接有电压输入端，其引脚3接地，且引脚1、3之间还连接有电容C2，其引脚2依次串联有电阻R2、电感M2；
电容C3，其上端与电感M1的右端相连，下端与电容M2的右端相连；
增益器T1，其正相输入端与R4串联，R4的另一端分别连接R6、R7，其负相输入端分别连接有电容C3的下端、电阻R3、电容C4，其输出端与R5一端相连；
电容C4，其上端与所述增益器T1的负相输入端相连，其下端接地；
电阻R5，其另一端依次串联有电阻R6、电阻R7，电阻R7的另一端接地；
稳压二级管P1，其正极与R5的右端相连，其负极与稳压二极管P2的负极相连，稳压二极管P2的正极接地；
频率变送器W1，其引脚1分别连接有电阻R8、二极管D2的正极，二极管D2的负极接地，电阻R8的另一端连接电源；其引脚2与稳压二级管P1的正极相连；其引脚3、4接地；其引脚5、9接电源输入端；其引脚8分别连接二极管D3的负极、电容C5一端，二极管D3的正极接地，电容C5的另一端与引脚7、引脚6相连；引脚6还与并联的电阻R9、电容C6连接，引脚6、电阻R9、电容C6接地；
增益器T2、增益器T3，二者的负相输入端连接频率变送器W1的引脚7输出的电压信号，该电压信号与增益器T2、增益器T3的正相输入端连接的电阻R10、R11、R12组成的比较电路进行电压对比，增益器T2的输出端与第一报警器L1相连，增益器T3的输出端与第二报警器L2相连。
上述技术方案的工作原理：由于“一字型”完整管道在扩孔管道铺设拖进过程中所受到的综合回拖阻力会作用到串通的钻杆上，变为反向作用力，钻杆受到拉力作用，即管道在拉进过程中管道轴向应力(管道自重+孔壁摩擦力)改变为钻杆受力，因此在整个管道铺设过程中，锁定钻杆受到极大的综合应力，锁定钻杆与管帽连接处、锁定钻杆与外牙螺丝杆连接处极易会因为过大的受力而连接不牢固发生分离，因此在这两个连接处均设置撕裂传感器，当锁定钻杆与管帽连接处、锁定钻杆与外牙螺丝杆连接处发生分离时，撕裂传感器就会将撕裂信号传输至控制电路中，另外锁定钻杆7本身也会受到轴向应力，因此在锁定钻杆7上设置应力传感器，当锁定钻杆7所受到的应力超过其最大承受应力时，应力传感器就会将信号传输至控制电路中。控制电路根据所收到的信号启动第一报警器或第二报警器，两个报警器的报警方式不同，比如第一报警器为闪灯报警、第二报警器为声音报警，据此报警信号可推断属于哪个传感器在输出信号。由于管道铺设环境为地底，传感器的信号传输不稳定，在本控制电路中，撕裂传感器、应力传感器的两路检测信号经过滤波处理后，再转换为数字方波信号，经过两个稳压二级管稳压后再经信号输送线路传输，避免了信号在传输过程中衰减及受干扰。
上述技术方案的有益效果：经过控制电路中两级稳压电路的稳压后，其信号测量、采集精度得到明显提高，使得在地底工作环境下传感器的信号也能清晰、准确的传输出去，使操作人员能够准确得知“一字型”完整管道中的具体工况，以便对其进行及时调整，避免不可逆的事故发生。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内中。

Claims (10)

1.普通球墨铸铁管在非开挖施工中的运用方法，包括：
第一步：前期准备步骤，施工前了解施工地地层情况，设计确定管道路径；
第二步：导向开孔步骤，采用钻孔机在施工地的地下钻出导向孔，导向孔的路径沿着预先确定的管道路径；
第三步：扩孔钻进步骤，待钻孔机的钻杆完成导向孔的开孔后，利用扩孔器的回拉对导向孔进行多级扩展，形成孔径大于导向孔的管道路径；
第四步：铺管检测步骤，在清孔满足要求后，及时将安装好的普通球墨铸铁管连接而成的管道连接在扩孔器上，在扩孔器回拉的过程中完成管道铺设，铺设完毕后进行气密性检测。
2.根据权利要求1所述的普通球墨铸铁管在非开挖施工中的运用方法，其特征在于，所述导向开孔步骤分为：
(S2.1)根据选定的导向轨迹的起始点和终点在地面起伏现状图的位置，开挖入孔坑和出孔坑；
(S2.2)钻孔机的钻杆从入孔坑开始，沿导向轨迹进行钻孔直至从出孔坑伸出为止，形成导向孔。
3.根据权利要求2所述的普通球墨铸铁管在非开挖施工中的运用方法，其特征在于，所述扩孔钻进步骤分为：
(S3.1)钻杆从出孔坑伸出后，在钻杆上连接扩孔器；
(S3.2)待扩孔器连接完毕后，回拉钻杆，在回拉过程中，扩孔器对导向孔进行多级扩孔钻进。
4.根据权利要求3所述的普通球墨铸铁管在非开挖施工中的运用方法，其特征在于，所述铺管检测步骤分为：
(S4.1)将普通球墨铸铁管在岸上进行安装，形成“一字型”完整的管道；
(S4.2)在管道上安装管道锁定装置，即在管道内部组装钻杆，钻杆一头连接管道头部的管帽，另一头连接到管道尾部的闷板上的外牙螺丝杆上；
(S4.3)将管道头部的管帽连接到扩孔器上，在扩孔钻井的同时进行管道铺设；
(S4.4)待管道铺设完毕后，拆除管帽和钻杆；
(S4.5)待管道上的多余物拆除完毕后，对管道进行气密性检测，将测试气压设置为工作压力的1.5倍，管道在此气压状态下保持30分钟为合格。
5.根据权利要求1所述的普通球墨铸铁管在非开挖施工中的运用方法，其特征在于：在铺管检测步骤之后还有冲水清理管道及撤场步骤，向管道内部进行冲水清理后撤场。
6.根据权利要求1所述的普通球墨铸铁管在非开挖施工中的运用方法，其特征在于，所述前期准备步骤分为：
(S1.1)了解工作现场的地面及地下情况，绘制地面起伏现状图；
(S1.2)根据不同管径在曲线安装时允许的偏转角，设计绘制标准轨迹曲线库；
(S1.3)将所绘制的地面起伏现状图与所绘制的标准轨迹曲线库进行叠合比对，选择满足施工需求的最佳导向轨迹。
7.根据权利要求2所述的普通球墨铸铁管在非开挖施工中的运用方法，其特征在于，最佳导向轨迹的选择方法包括：
选定一个穿越障碍物的深度；
根据开挖顺序将穿越轨迹曲线依次分为穿入曲线段L1、缓和曲线段L2、穿出曲线段L3；
将普通球墨铸铁管的管长设为单位跨度，将每段单位跨度的普通球墨铸铁管以一固定变化角度构成单位曲线单元；
多段单位曲线单元构成穿入曲线段、穿出曲线段，与平滑的缓和曲线段形成一个穿越轨迹曲线并存储记录；
将单位跨度的固定变化角度以一恒定值逐次增加直至普通球墨铸铁管允许最大偏转角，形成新的穿越轨迹曲线并存储记录，从而建立一标准轨迹曲线库；
将绘制的地面起伏现状图与标准轨迹曲线库的穿越轨迹曲线进行叠合比对，获得最佳导向轨迹。
8.根据权利要求7所述的普通球墨铸铁管在非开挖施工中的运用方法，其特征在于，在建立一标准轨迹曲线库时，针对每种穿越障碍物构建一个标准轨迹曲线，并智能确定所述曲线的穿入曲线段L1、缓和曲线段L2、穿出曲线段L3，所述构建标准轨迹曲线的具体步骤如下所示：
步骤A1、将穿入曲线段L1的开始位置作为一个坐标原点，以需要穿越障碍物所处的水平方向作为X轴方向，以竖直向下的方向作为Y轴方向，以一个单位跨度为坐标系的单位长度，构建一个坐标系；
步骤A2、获取所需穿越障碍物离原点最近处的坐标点a1,所述需穿越障碍物离原点最远处的坐标点a3，将坐标点a1和坐标点a3的中点作为一个障碍圆心点ao，获取所述圆心点ao在坐标系上的取值ao＝(Xao,Yao),将所述需要穿越障碍物上离障碍圆心点ao最远的一个点标注为障碍区域点a4，获取所述障碍区域点a4在坐标系上的取值a4＝(Xa4,Ya4)，并将所述圆心点ao和障碍区域点a4构建一个障碍函数(1)；
其中，r为得到的障碍距离，f(x)为构建的障碍函数，x为构建的障碍函数的自变量，且x的取值区间为[Xao-r,Xao+r]，f(x)得到的结果为当自变量x取不同值时的障碍函数能得到的障碍的深度；
步骤A3、获取所述穿出曲线段L3结束处的坐标点b1，获取所述坐标点b1在坐标系上面的取值b1＝(Xb1,Yb1)，并将所述值带入公式(2)，构建穿越函数；
其中，g(x)为构建的穿越函数，x的取值区间为[0,Xb1]，且当x取所有值时，对应的g(x)形成的抛物线则为最佳导向轨迹；
步骤A4、将所述最佳导向轨迹带入公式(3)，从而确定穿入曲线段L1、缓和曲线段L2、穿出曲线段L3；
其中，g′(x)为对穿越函数g(x)求导，xL为最终确定穿入曲线段L1、缓和曲线段L2、穿出曲线段L3时的分割点，当g′(x)取值为-0.1时，计算得到相应的xL标记为xL1，当g′(x)取值为0.1时，计算得到相应的标记为xL2；
步骤A5、当x的取值区间为[0,xL1]时，g(x)形成的抛物线则为穿入曲线段L1，当x的取值区间为(xL1,xL2)时，g(x)形成的抛物线则为缓和曲线段L2，当x的取值区间为[xL2,Xb1]时，g(x)形成的抛物线则为穿出曲线段L3。
9.一种管道锁定装置，应用于权利要求1中的管道，所述管道为“一字型”完整管道，或应用于权利要求4中的“一字型”完整管道中，其特征在于，包括：
管帽(1)，为圆锥形中空结构，其直径较小的一端设置有用于连接扩孔器的连接件(2)，所述管帽(1)直径较大的一端与管道(3)的端口密封连接；
密封闷板(4)，为圆盘状结构，其密封连接在管道(3)另一端的端口，所述密封闷板(4)上还贯穿活动连接有外牙螺丝杆(5)，所述外牙螺丝杆(5)上螺纹连接有丝帽(6)，所述丝帽(6)紧贴所述密封闷板(4)上与外部环境接触的一侧；
锁定钻杆(7)，置于管道(3)内部，一端与所述管帽(1)固定连接，另一端固定连接在所述外牙螺丝杆(5)上。
10.根据权利要求9所述的一种管道锁定装置，其特征在于：所述管道锁定装置还包括报警系统，所述报警系统包括设置在锁定钻杆(7)与管帽(1)连接处及锁定钻杆(7)与外牙螺丝杆(5)连接处的撕裂传感器、贴附在所述锁定钻杆(7)上的应力传感器，所述撕裂传感器、应力传感器电连接在同一个控制电路上的输入端，所述控制电路的输出端还分别电性连接有第一报警器、第二报警器，所述控制电路包括：
撕裂传感器，其引脚1连接有电压输入端，其引脚3接地，且引脚1、3之间还连接有电容C1，其引脚2依次串联有电阻R1、电感M1；
应力传感器，其引脚1连接有电压输入端，其引脚3接地，且引脚1、3之间还连接有电容C2，其引脚2依次串联有电阻R2、电感M2；
电容C3，其上端与电感M1的右端相连，下端与电容M2的右端相连；
增益器T1，其正相输入端与R4串联，R4的另一端分别连接R6、R7，其负相输入端分别连接有电容C3的下端、电阻R3、电容C4，其输出端与R5一端相连；
电容C4，其上端与所述增益器T1的负相输入端相连，其下端接地；
电阻R5，其另一端依次串联有电阻R6、电阻R7，电阻R7的另一端接地；
稳压二级管P1，其正极与R5的右端相连，其负极与稳压二极管P2的负极相连，稳压二极管P2的正极接地；
频率变送器W1，其引脚1分别连接有电阻R8、二极管D2的正极，二极管D2的负极接地，电阻R8的另一端连接电源；其引脚2与稳压二级管P1的正极相连；其引脚3、4接地；其引脚5、9接电源输入端；其引脚8分别连接二极管D3的负极、电容C5一端，二极管D3的正极接地，电容C5的另一端与引脚7、引脚6相连；引脚6还与并联的电阻R9、电容C6连接，引脚6、电阻R9、电容C6接地；
增益器T2、增益器T3，二者的负相输入端连接频率变送器W1的引脚7输出的电压信号，该电压信号与增益器T2、增益器T3的正相输入端连接的电阻R10、R11、R12组成的比较电路进行电压对比，增益器T2的输出端与第一报警器L1相连，增益器T3的输出端与第二报警器L2相连。
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