水平定向钻进铺管是一种发展迅速、技术先进、应用广泛的非开挖施工技术,可用于铺设或更新市政公用行业的各种管道。目前在水平定向钻进铺管中,大量的钻进时间消耗在扩孔这一关键工序。适当的扩孔器形状、尺寸对其工作过程中所受阻力、阻力矩和消耗功率的大小有重要影响,直接关系到水平定向铺管的工作效率。由于国内水平定向钻进铺管钻具系统的设计缺乏相应的设计理论和方法、产品创新程度低,市面上钻具品种单一、适应性差,这严重影响水平定向钻进铺管的效率和应用。针对上述现象对水平定向钻进铺管中的扩孔钻具进行研究:首先,总结各种扩孔器的形状及地层的适应性,提出扩孔器结构设计理论。其次,对扩孔钻具钻进时的工作原理、结构设计的相关参数进行详细论证,提出扩孔钻具的设计思路及主要参数的取值方法。最后,按照新型扩孔器设计需要结合参数设计方法得出该型扩孔器主要的设计参数进行取值。在收集国内外大量的相关技术资料基础上,运用类比法对现有扩孔器的优缺点进行分析;运用土力学基础对土体的压缩性和切削原理进行研究;分析扩孔钻头在扩孔过程中的工作机理和受力,结合岩土钻掘基本理论、机械设计最优化理论和数学计算对扩孔器结构尺寸进行研究得到以下成果和结论:1、设计出适应软土层的扩孔器—翼片挤压式扩孔钻头,该型扩孔钻头特点是:排粉能力强,具有导向,切削,挤密、压实钻孔壁的功能。2、提出扩孔钻头参数取值方法○1通过对保证钻杆柱安全工作的孔身极限弯强、扩孔钻具顺利通过孔身的极限弯强和保证管道安全工作的孔身极限弯强进行计算论证得出扩孔钻头的长度;○2通过计算得出土层塑性圈的直径,根据土层的压缩曲线得出最优厚度,从而根据地层性质调整滚轮轴线的倾角;○3通过分析切削具的切削速度和功率消耗之间的关系,得出在相同工作面的情况下翼片的最优倾角。3、提出扩孔钻头工作中所需回拖力、扭矩以及钻机功率等参数取值的计算公式,为钻机选型提供了依据。其中,扩孔钻头工作中所需回拖力为切削具压入土体所需力和挤压土体所需力之和;所需扭矩为切削具克服土体抗剪强度所产生的扭矩和土体对滚轮的摩擦阻力产生的扭矩之和;所需功率为切削具破碎土体消耗功率和挤压土体消耗功率之和。4、结合上海地区地层情况得出○1 KJ150/600型扩孔器的结构尺寸参数:扩孔器整体长1.15m,孔径从140mm扩到600mm;导向段长350mm,直径140mm;切削段长550mm,孔径从140mm扩到490mm;挤压段长250mm,挤压厚度110mm,滚轮的长轴为165mm,短轴90mm。○2钻机所需的参数:拉力210KN、扭矩4.5KN.m、功率158KW,因此选用可以满足工作需要的中型钻机。通过上述研究可以为水平定向钻进扩孔钻具设计提出一套相关的设计理论和方法,以利今后设计者参考;为生产企业提供技术含量高的产品,能够提高生产效率,降低生产成本;对我国水平定向钻进铺管技术的发展具有重要的理论价值和实用价值。