孫平賀，劉偉勝，楊涵涵，韋幫第，夏余宏燁

中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083

非開挖工程（Trenchless engineering）是利用微開挖或不開挖技術(shù)對地下生命線工程進(jìn)行敷設(shè)、修復(fù)或更換的一門科學(xué)，亦是地下工程的“微創(chuàng)”科學(xué).水平定向鉆進(jìn)作為非開挖工程學(xué)中的重要技術(shù)之一，自20世紀(jì)70年代初在美國加州帕哈羅河敷設(shè)燃?xì)夤艿溃ㄩL度180 m，直徑100 mm）應(yīng)用以來，廣泛應(yīng)用于給排水、電力、燃?xì)?、通信、油氣等地下生命線工程中[1]，近些年水平定向鉆進(jìn)（Horizontal directional drilling, HDD)技術(shù)在長距離山體水平勘察中也得到應(yīng)用.

中國自20世紀(jì)90年代引入HDD技術(shù)以來，因其對環(huán)境干擾小、社會(huì)成本低、工程效率高等優(yōu)點(diǎn)[2]，在既有地下生命線探測與信息化、HDD裝備、受限條件下關(guān)鍵技術(shù)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等方面取得大量研究成果和工程應(yīng)用.中國過去25 a HDD鉆機(jī)年增長情況[3]，表明這一技術(shù)在中國仍呈現(xiàn)日益擴(kuò)展的趨勢，其在解決地下生命線工程的同時(shí)，面對復(fù)雜地質(zhì)體環(huán)境，亟待解決的科學(xué)問題也不斷凸顯.

1 HDD 裝備技術(shù)

非開挖水平定向鉆進(jìn)裝備主要由鉆機(jī)、鉆具、鉆頭、泥漿循環(huán)設(shè)備和附屬設(shè)備組成.HDD鉆機(jī)的基本功能是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向給進(jìn)、回轉(zhuǎn)和擴(kuò)孔回拉、回轉(zhuǎn)及待敷設(shè)生命線的長距離回拉，同時(shí)為軌跡的角度調(diào)整提供載體.鉆具主要包括鉆桿、螺桿鉆具、分動(dòng)器等，實(shí)現(xiàn)力和扭矩的有效傳遞.鉆頭包括導(dǎo)向鉆頭和擴(kuò)孔鉆頭，根據(jù)地層特征一般采用硬質(zhì)合金、PDC等形式.泥漿循環(huán)設(shè)備包括泥漿泵、固控設(shè)備、管路、泥漿罐等，實(shí)現(xiàn)HDD鉆進(jìn)過程中的排屑、潤滑、護(hù)壁等功能[4].

1.1 HDD 鉆機(jī)

國內(nèi)HDD 自主研發(fā)起步較晚[5?6]，20世紀(jì)90年代中期先后研發(fā)了回拖力在50 t以下的系列鉆機(jī)，這類整機(jī)性能較差，適應(yīng)范圍小，且鉆機(jī)自動(dòng)化程度不高.盡管采用了液壓控制技術(shù)，但主要以電機(jī)作為動(dòng)力源，無法滿足野外作業(yè)需要，且功能較少.2000年之后[7?8]，國內(nèi)先后研發(fā)了大噸位鉆機(jī)，并采用了全負(fù)載敏感控制技術(shù)，橡膠履帶行走底盤，柴油機(jī)作為動(dòng)力源，可根據(jù)實(shí)際工程需要采用集成和分體2種方式進(jìn)行組裝，鉆機(jī)的自動(dòng)化程度有所提高，也改變了200 t級以上的鉆機(jī)依賴進(jìn)口的局面.目前世界上回拖力最大是中國設(shè)計(jì)制造的2000 t分體式電驅(qū)動(dòng)HDD鉆機(jī)[9]，鉆機(jī)由動(dòng)力站、動(dòng)力頭、給進(jìn)機(jī)構(gòu)、夾持器、鉆架、地錨、操縱臺(tái)、機(jī)械手和泥漿泵等部分組成，如圖1.采用與電網(wǎng)連接的電源系統(tǒng)取代柴油機(jī)做動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)運(yùn)行，可有效減少噪音和污染，也可減少化石能源的消耗，簡化了機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高了傳動(dòng)效率，并且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制[10].

圖1 世界上回拖力最大（20000 kN）HDD 鉆機(jī).（a）鉆進(jìn)參數(shù)界面；（b）HDD 鉆機(jī)Fig.1 HDD drilling rig with the world’s largest drag force (20000 kN): (a) drilling parameter interface; (b) HDD rig

HDD鉆機(jī)向大型化發(fā)展的同時(shí)，自動(dòng)化、智能化、信息化也成為研究與應(yīng)用的重點(diǎn).工況參數(shù)檢測平臺(tái)依托LabVIEW虛擬儀器程序，通過USB數(shù)據(jù)采集卡、串口和6個(gè)傳感器, 分別回轉(zhuǎn)壓力、給進(jìn)力、泥漿壓力、轉(zhuǎn)速、鉆速和泥漿流量進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量，達(dá)到實(shí)時(shí)檢測、實(shí)時(shí)顯示、超限報(bào)警和數(shù)據(jù)保存與回放的功能[11].在此基礎(chǔ)上，可編程序控制器（Programmable logic controller，PLC）智能控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)操作者在位保護(hù)、上下車功能互鎖、邏輯功能互鎖、防誤操作保護(hù)等智能判斷，根據(jù)參數(shù)判斷結(jié)果保證HDD鉆機(jī)在極限情況下能夠自動(dòng)停止并報(bào)警.通過在鉆機(jī)安裝無線接收控制器電路，并應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)HDD鉆機(jī)遠(yuǎn)程控制[12].無線操控器通過按鈕開關(guān)輸入開關(guān)量控制信號，通過球形旋鈕模擬輸入控制信號，由無線模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量信號.無線接收控制器收到開關(guān)量信號和數(shù)字量信號后，將數(shù)字信號還原成模擬信號，用開關(guān)量信號和模擬信號控制車載設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能.基于Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)亦可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，該系統(tǒng)由信息采集終端和服務(wù)器端軟件組成，以8位單片機(jī)為主控芯片的信息采集終端對鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集，并實(shí)時(shí)發(fā)送、控制鉆機(jī).服務(wù)器端通過Java串口通信技術(shù)將接收到的鉆機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)至MySQL數(shù)據(jù)庫，動(dòng)態(tài)發(fā)布鉆機(jī)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對HDD鉆機(jī)的有效監(jiān)控和系統(tǒng)性管理[13].

1.2 HDD 鉆具

HDD鉆具實(shí)際受力復(fù)雜，通過軌跡形式、鉆具組合、力學(xué)參數(shù)和工藝參數(shù)，可分別建立導(dǎo)向、擴(kuò)孔和回拖3種工況下鉆具的力學(xué)分析模型，并可據(jù)此分析鉆具的屈曲行為、彎曲失穩(wěn)臨界載荷等.針對極限情況下鉆桿的失效情況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，可建立鉆具的靜力學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型.依據(jù)疲勞壽命的理論與試驗(yàn)研究結(jié)果，可獲取鉆桿在拉伸、扭轉(zhuǎn)和拉扭復(fù)合載荷下的疲勞壽命公式和斷口微觀形貌特征，揭示鉆桿失效機(jī)理.擴(kuò)孔鉆具的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對軌跡影響較為明顯，將擴(kuò)孔鉆具組合等效為質(zhì)量均勻分布的剛體，且不考慮擴(kuò)孔鉆具組合的偏心及內(nèi)外阻尼的影響，可采用轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論推導(dǎo)擴(kuò)孔鉆具組合三維小撓度運(yùn)動(dòng)微分方程，模型可有效模擬擴(kuò)孔鉆具的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[14].

在理論和實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，將多個(gè)電動(dòng)機(jī)分為兩組進(jìn)行動(dòng)力集成，兩組電機(jī)同時(shí)旋轉(zhuǎn)反向驅(qū)動(dòng)一級傳動(dòng)模塊和二級傳動(dòng)模塊，帶動(dòng)兩級鉆頭同時(shí)反向旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，并通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和鉆壓實(shí)現(xiàn)扭矩平衡擴(kuò)孔，可有效避免堵卡鉆、鉆桿斷脫等工程問題.針對長距離HDD中螺桿鉆具扭矩不足的問題，設(shè)計(jì)研發(fā)了大扭矩組合螺桿鉆具[15].該鉆具由公共分流接頭、獨(dú)立螺桿鉆具、潤滑系統(tǒng)、捆綁式扶正器、組合傳動(dòng)系統(tǒng)和油密封傳動(dòng)軸系統(tǒng)組成.各個(gè)螺桿鉆具并聯(lián)布設(shè)，通過四邊形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)扭矩合成和運(yùn)動(dòng)傳遞.

鉆具在地下空間位置信息獲取通常采用以地球磁場方向?yàn)榛鶞?zhǔn)的磁通門磁強(qiáng)計(jì)和以地球重力方向?yàn)榛鶞?zhǔn)的擺式傾角傳感器來進(jìn)行，在外界電磁影響下，這種方法精度不高.采用3軸微加速度計(jì)和3軸磁阻傳感器作為姿態(tài)敏感器件，實(shí)時(shí)獲取定向鉆進(jìn)中鉆具的方位角、傾角和面向角信息，可有效克服傳統(tǒng)鉆具探測的不足.該系統(tǒng)具有體積小、成本低、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，非常適合淺層地下定向鉆進(jìn)測量[16].

1.3 HDD 推管機(jī)

推管機(jī)主要應(yīng)用在長距離HDD工程中，是一種生命線助力設(shè)備，如圖2.工程中一般采用夾持裝置固定管線，借助推進(jìn)油缸或機(jī)械力使被固定的管線沿著回拖方向軸線運(yùn)動(dòng).推管機(jī)一般安裝在入土點(diǎn)，具有助力穩(wěn)定、速度可控、推力大等優(yōu)點(diǎn)，保障生命線回拉順利完成.

圖2 推管機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the pipe pusher

推管機(jī)的推力一般由推拉油缸提供，通過抱緊管道的4個(gè)夾片進(jìn)行力的傳遞，夾片夾緊與釋放通過夾片底部的夾持油缸實(shí)現(xiàn)[17].為避免夾片和鋼管涂層之間的接觸面被夾持損壞，在其與管道接觸面硫化10～12 mm橡膠涂層，該厚度可補(bǔ)償鋼管的焊道及管道補(bǔ)口導(dǎo)致的受力不均衡.同時(shí)該橡膠涂層開槽用于排水及排渣，保障提供足夠的摩擦力.當(dāng)油缸承受縮缸負(fù)載時(shí)，推管機(jī)處于推模式；當(dāng)油缸承受伸缸負(fù)載時(shí)，推管機(jī)則處于拉模式工作狀態(tài)[18].

2 HDD 技術(shù)

2.1 電磁感應(yīng)法探測技術(shù)

電磁感應(yīng)法利用探測目標(biāo)生命線同周圍地層介質(zhì)之間的電性差異和磁性差異，采用交流電進(jìn)行激發(fā)，通過分析感應(yīng)電流產(chǎn)生的二次磁場及其分布規(guī)律，進(jìn)而確定生命線空間位置.這種方法一般只能探測金屬類生命線工程[19].

針對非開挖管線埋深較深引起電磁信號弱的特點(diǎn)[20]，通過對感應(yīng)電磁場進(jìn)行數(shù)理研究和技術(shù)模擬，總結(jié)出從1～21 m不等深度、電流狀況下，磁場強(qiáng)度分量Hx、垂直分量Hz及強(qiáng)度分量變量?Hx磁場的歸一化電磁異常的曲線分布特征規(guī)律.針對特深生命線電磁信號衰減問題[21]，可采用頻域電磁法與聲波法相結(jié)合的方式，根據(jù)交流磁場信號、聲波振幅、頻率、連續(xù)性、波形和反射形態(tài)的相對變化情況，有效識(shí)別深埋空間位置.

同時(shí)，外界環(huán)境對電磁信號影響也較為明顯，主要涉及生命線工程中的電流強(qiáng)度和管道電流引起的電磁異常，它的信噪比與信號和噪聲有關(guān).有效提高待測生命線中的電流強(qiáng)度，使觀測到的異常具有足夠置信度，是提高檢測精度的途徑之一[22].在各種干擾源中，地下并聯(lián)載流生命線間的干擾最為常見，干擾程度也最為強(qiáng)烈.特別是平行生命線間距小于1倍埋深時(shí)，采用傳統(tǒng)的單根管線特征點(diǎn)難以有效獲取管線深度，可利用正演擬合曲線精準(zhǔn)確定埋深.對于近距離多條生命線并行探測[23]，可依據(jù)完整磁場特征參數(shù)，通過單線圈接收的磁場水平分量數(shù)據(jù)反演分析，構(gòu)建生命線地下空間分布模型.瞬變電磁法（TEM）具有低阻敏感特性，是淺部生命線探測常用方法之一，為了充分利用該方法水平分量信息，近些年又提出了動(dòng)態(tài)瞬變電磁法（DNT），將TEM發(fā)射接收線圈縮小到幾平方米甚至更小，形成集成探頭體，能夠有效利用三分量信息，實(shí)現(xiàn)淺部生命線工程的動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)探查[24].

2.2 地下生命線工程的信息化

由于地下管線多頭管理現(xiàn)象嚴(yán)重，造成了地下管線檔案分散式管理的狀況；部分地區(qū)尚未實(shí)現(xiàn)地下管線檔案向城建檔案部門的完整移交，已歸檔檔案也無法進(jìn)行共享.美國“811”一呼通體系是2005年由聯(lián)邦通信委員會(huì)授權(quán)設(shè)立的N-11系列編號之一，其目的是為開挖施工提供作業(yè)區(qū)域內(nèi)地下管線信息，以保證施工過程安全.近些年國內(nèi)借鑒美國811“一呼通”系統(tǒng)，初步完成了地下生命線工程的信息化構(gòu)架.

構(gòu)建了地下生命線信息管理及共享平臺(tái)，包括數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)輸出、三維管線場景管理、城市數(shù)據(jù)安全管理等功能組成[25].按照軟件運(yùn)行功能等不同將其分為系統(tǒng)層、基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層和中間層4類[26].系統(tǒng)層主要包含了數(shù)據(jù)管理、維護(hù)、更新等功能，是平臺(tái)主要工作界面與工具；基礎(chǔ)層主要用于滿足軟件平臺(tái)實(shí)際運(yùn)行的必要環(huán)境，如軟硬件配置、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、安全監(jiān)控系統(tǒng)等；數(shù)據(jù)層存儲(chǔ)了城市地下管線信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、綜合處理數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)、各類生命線數(shù)據(jù)庫等；中間層在架構(gòu)中有承上啟下的作用，主要功能為場景瀏覽、信息查詢、空間分析及數(shù)據(jù)共享等[27?28].

針對傳統(tǒng)AutoCAD設(shè)計(jì)時(shí)，多種生命線在同一位置高程變化后的角度及空間無法二維模擬的問題，采用建筑信息模型（Building information modeling，BIM）技術(shù)的信息模型集成數(shù)字化信息，仿真模擬地下生命線工程所具有的真實(shí)信息，實(shí)現(xiàn)全生命周期管理[29].針對地下生命線工程的三維建模[30]，研究表明，高精度自動(dòng)三維建模具有重要意義，其思路是利用二維普查數(shù)據(jù)，依據(jù)各類生命線點(diǎn)和線段的特點(diǎn)，采用不同方式，通過空間、屬性和材質(zhì)信息映射，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)生成三維模型，如圖3.其建模方法是針對形態(tài)規(guī)則且結(jié)構(gòu)單一的管線段，通過二維管線段的定位、管徑和材質(zhì)信息映射，利用OpenGL實(shí)時(shí)繪制三維管線段.在此基礎(chǔ)上，通過二維數(shù)據(jù)庫更新信息的提取，主動(dòng)在三維系統(tǒng)中進(jìn)行單體生命線模型及其附屬設(shè)施的重建，自動(dòng)建模工具也會(huì)同步更新其拓?fù)潢P(guān)系，精細(xì)化地建立管段和拓?fù)溥B接關(guān)系驅(qū)動(dòng)的管點(diǎn)三維實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)三維模型的局部高效更新.同時(shí)，融合GIS、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，可極大提高地下生命線管理效率.

圖3 基于建筑信息模型技術(shù)的三維模型.（a）城市地下管線三維模型；（b）武漢市城市地下管線綜合信息平臺(tái)[30]Fig.3 Three-dimensional model based on the building information modeling technology: (a) three-dimensional model of underground pipeline;(b) Wuhan city underground pipeline comprehensive information platform[30]

2.3 雙向?qū)Υ?HDD 技術(shù)

為了解決長距離HDD導(dǎo)向鉆壓不足、鉆進(jìn)效率低的問題，國內(nèi)于2006年首次應(yīng)用雙向?qū)Υ〩DD技術(shù)完成2454.15 m的錢塘江底部地下生命線工程敷設(shè).對穿技術(shù)采用主鉆機(jī)+輔助鉆機(jī)同步導(dǎo)向鉆進(jìn)，當(dāng)輔助導(dǎo)向鉆頭進(jìn)入對接區(qū)時(shí)，通過近鉆頭短節(jié)內(nèi)的軸向磁鐵，引導(dǎo)主鉆導(dǎo)向鉆頭頂進(jìn).當(dāng)主鉆頭接近軸向磁鐵時(shí)，利用軸向磁鐵產(chǎn)生的磁場測量兩個(gè)導(dǎo)向孔圓周偏差，并動(dòng)態(tài)調(diào)整鉆頭姿態(tài)使偏差縮小直至平緩進(jìn)入輔助鉆機(jī)導(dǎo)向孔，并在軸向磁鐵引導(dǎo)下，沿著輔助導(dǎo)向孔推進(jìn)直至到達(dá)輔助鉆機(jī)的入土點(diǎn)，完成整個(gè)導(dǎo)向孔的對接[31].

雙向?qū)Υ〩DD技術(shù)的關(guān)鍵是近鉆頭人工磁場信號的傳輸與控制.依托泥漿螺桿馬達(dá)帶動(dòng)磁鋼旋轉(zhuǎn)發(fā)出磁場信號，形成旋轉(zhuǎn)磁場對導(dǎo)向曲線、探棒姿態(tài)、相對空間位置進(jìn)行識(shí)別，其精確度可達(dá)厘米級[32].信號接收端的探棒可根據(jù)磁場信號對圓周偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)雙向?qū)Υ溆行Ц袘?yīng)距離可達(dá)100 m.此外，綜合運(yùn)用雙向?qū)Υ?推管技術(shù)，如圖4，可有效解決在鉆遇高硬塑性粉質(zhì)黏土?xí)r的卡、抱鉆及生命線回拖遇卡管等難題[33?34].

圖4 雙向?qū)Υ┘夹g(shù)示意圖.（a）電磁導(dǎo)向；（b）對接成功[34]Fig.4 Schematic of the two-way through technology: (a)electromagnetic guidance; (b) successful docking[34]

為了提高對接信號的精度，可采用地面磁信標(biāo)、3σ準(zhǔn)則（σ為標(biāo)準(zhǔn)差）和差分處理的組合方式.依靠地面放置的永磁體或直流螺線管作為磁信標(biāo)，通過建立基于地面磁信標(biāo)的參考坐標(biāo)系和基于鉆具的載體坐標(biāo)系，利用捷聯(lián)在鉆具中的測量陣列測量地面磁信標(biāo)的磁場分量和磁場梯度張量計(jì)算鉆頭的位置坐標(biāo)，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力[35].針對磁強(qiáng)計(jì)內(nèi)在測量誤差和外在環(huán)境誤差，提出在鉆進(jìn)現(xiàn)場采用基于擬牛頓法（BFGS算法）總誤差參數(shù)估計(jì)的磁強(qiáng)計(jì)誤差補(bǔ)償方法.為了減少外界磁場的干擾，采用加速度計(jì)和3軸磁阻傳感器的測量值，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)向鉆頭傾角、方位角和工具面向角的測量.結(jié)合軸向磁鐵和人工磁場，利用隨鉆測量單元獲取其相對于軸向磁鐵的磁場強(qiáng)度分量，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)導(dǎo)向鉆具的準(zhǔn)確對接[36].

2.4 大口徑 HDD 技術(shù)

大口徑HDD工程施工難度大，存在回拖力不足，孔壁失穩(wěn)和鉆具失效等風(fēng)險(xiǎn)，對鉆機(jī)能力、泥漿工藝和鉆具強(qiáng)度提出了更高的要求.

針對回拖力不足，架空發(fā)送法與管溝發(fā)送法通過減小管道與地表面之間的摩擦系數(shù)，可有效減小回拖載荷.為進(jìn)一步減少回拖阻力，根據(jù)泥漿黏度與泥漿配方、泥漿密度之間的對應(yīng)關(guān)系推導(dǎo)管道回拖階段泥漿泵量與回拖速率之間的函數(shù)關(guān)系式，并從潤滑減阻的角度進(jìn)行分析，合理設(shè)置泥漿工藝參數(shù)和管道回拖參數(shù)[37].

大口徑管道受場地范圍和預(yù)制長度的限制，往往也需要“二接一”和“多接一”拖管法，但其更易引起孔壁失穩(wěn)問題，采用有限元差分算法和顆粒離散元法分析HDD鉆進(jìn)過程中孔壁應(yīng)力分布規(guī)律，確定施工過程中不同時(shí)段的泥漿工藝參數(shù)，保證接管過程的孔壁穩(wěn)定[38].

針對鉆具失效問題，提出了公稱外徑1.2～2.5 m的大口徑HDPE管道，在0.4～1.6 MPa不同公稱壓力下對應(yīng)的公稱壁厚，并建立了適用于超大口徑HDPE輸水管道水力坡降數(shù)據(jù)庫[39].大口徑管道回拖起吊過程中更易發(fā)生卡管與管道變形等問題，采用有限元仿真模型和起吊力學(xué)分析，提出了不同長度管道適用的入土角度和吊點(diǎn)間距建議值[40].

2.5 HDD 回拖力計(jì)算模型

HDD回拖力是指在生命線回拉階段管線在鉆孔內(nèi)承受的各種阻力之和，一般是隨著回拖進(jìn)程不斷增加.回拖力大小直接影響鉆進(jìn)設(shè)備的選取和生命線力學(xué)參數(shù)的校核，是HDD工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一，國內(nèi)常用的計(jì)算模型有卸荷拱土壓力估算法、凈浮力計(jì)算法、油氣鋼管道穿越計(jì)算法、給排水管線計(jì)算法等[41].卸荷拱土壓力估算法是假定生命線在回拖過程中同時(shí)受到鉆孔上方塌落土的壓力和孔底支承力的雙重作用,管段本身的重量全部由孔底承擔(dān)，忽略泥漿對管線的浮力作用.在鉆遇到復(fù)雜地層中，如沙卵石層，由于地層內(nèi)聚力較小，地層對管道的壓力是無法忽略的[42].該模型的計(jì)算值一般小于實(shí)測值，在黏土、亞黏土、黃土、巖石層中較為適用.鉆孔上方塌落土的壓力可根據(jù)鉆遇地層天然卸荷拱的高度進(jìn)行計(jì)算.凈浮力計(jì)算法忽略了生命線周向土體的作用，僅考慮了泥漿對管線的浮力作用和管線自重因素.油氣鋼管道穿越計(jì)算法在計(jì)算時(shí)僅考慮了管壁摩擦阻力和泥漿阻力，忽略了絞盤效應(yīng)、彎曲效應(yīng)和管線與地面的靜摩擦力，在實(shí)際使用中可利用安全系數(shù)使計(jì)算值擴(kuò)大1.5～3倍，該模型一般應(yīng)用在以摩擦力為主的地層中.給排水管線計(jì)算法獲取的計(jì)算值比實(shí)測值偏大，計(jì)算參數(shù)中考慮了HDD擴(kuò)孔鉆頭的端面阻力，一般適用砂土層和黏土層.

隨著生命線功用和類型的不斷增加，其物理力學(xué)屬性也發(fā)生較大變化，這對回拖力計(jì)算產(chǎn)生較大影響.基于管線彎曲對回拖力的影響，提出了適用于多管組合穿越的回拖力計(jì)算模型[43].該模型認(rèn)為在管線曲率較大的情況下，可采用凈浮力法對回拖力進(jìn)行計(jì)算；在管線曲率半徑較小、管線比重較大情況下，采用絞盤計(jì)算法計(jì)算回拖阻力.泥漿在生命線回拖過程中會(huì)形成一定的阻力，基于泥漿阻力的計(jì)算模型進(jìn)一步細(xì)化了回拖力的大小[44].

2.6 地表變形與冒漿

HDD鉆遇地層主要以黏土、粉土、砂層和淤泥質(zhì)土等軟弱層為主，土體壓力小、體積質(zhì)量低、孔隙大.在泥漿循環(huán)作用下形成多相多場條件，多相介質(zhì)包含了土顆粒、泥漿中的高分子聚合物、自由移動(dòng)水和鹽離子等，具有復(fù)雜的多尺度結(jié)構(gòu).多場作用包括了應(yīng)力場、滲流場和化學(xué)場等，宏觀上表現(xiàn)出泥餅厚而疏松，即使在低泥漿壓力工況下，孔內(nèi)泥漿仍然易侵入周圍軟弱地層，導(dǎo)致地表變形或冒漿.采用ABAQUS有限元軟件，結(jié)合工程實(shí)例，對不同孔徑，不同鋪設(shè)深度鉆孔周圍土體變形進(jìn)行數(shù)值模擬，研究水平定向鉆孔施工后孔洞附近的土體變形規(guī)律[45?46].針對鉆遇松散地層、水敏地層、溶蝕地層、漏失地層等復(fù)雜地質(zhì)體，可通過泥漿配方體系的調(diào)整實(shí)現(xiàn)防冒漿.通過對泥漿壓力和鉆遇地層相關(guān)力學(xué)、滲流的計(jì)算研究，設(shè)計(jì)開發(fā)了冒漿自動(dòng)判別預(yù)警系統(tǒng)，如圖5所示.系統(tǒng)依據(jù)輸入的入土點(diǎn)、出土點(diǎn)的坐標(biāo)及角度、深度、終孔直徑等工藝參數(shù)、鉆遇地層類型、重度、孔隙比、黏聚力、內(nèi)摩擦角、塑性指數(shù)等地質(zhì)體信息、勘察鉆孔編號、直徑、深度、各層編號及厚度、壓力測試點(diǎn)編號、三維坐標(biāo)值及泥漿流變參數(shù)，可自動(dòng)生成鉆孔內(nèi)各測點(diǎn)的泥漿壓力值，形成對比曲線.

圖5 地表變形監(jiān)測系統(tǒng)Fig.5 Surface deformation monitoring system

針對地表變形的監(jiān)測技術(shù)，非接觸遠(yuǎn)程測量被認(rèn)為是比較可靠的方法.研究表明，曲面掃描建模技術(shù)可利用多幅變形區(qū)域的圖片信息，自動(dòng)識(shí)別標(biāo)識(shí)點(diǎn)并自行匹配，實(shí)現(xiàn)相對定向的自動(dòng)化，提取變形點(diǎn)的幾何信息，確定其空間位置.同時(shí)對圖片表面紋理進(jìn)行搜索，生成高密度三維點(diǎn)云.點(diǎn)云再經(jīng)過進(jìn)一步的去噪、平滑處理后，結(jié)合平面投影法對密集點(diǎn)云進(jìn)行三角網(wǎng)格化計(jì)算處理，并將三角網(wǎng)格轉(zhuǎn)換成面，從而獲取變形區(qū)域的三維坐標(biāo).根據(jù)等效地層損失理論，采用源匯法則研究單位體積空隙引起的任意一點(diǎn)的總位移場與應(yīng)力分布，并據(jù)此建立HDD施工中的地層位移模型，獲取了上覆地層各方向位移積分公式，采用MATLAB軟件求解積分的數(shù)值解，獲得了鉆桿長度L、鉆孔軸線深度h、鉆頭半徑R和地層損失GPA對HDD上覆地層變形的影響規(guī)律[47].

3 結(jié)論

本文結(jié)合中國HDD研究應(yīng)用現(xiàn)狀，對HDD裝備技術(shù)、地下生命線工程的探測與信息化、雙向?qū)Υ〩DD技術(shù)、大口徑HDD技術(shù)、HDD回拖力計(jì)算模型、地表變形與冒漿6個(gè)方面的進(jìn)展做了分析研究.

（1）根據(jù)地下生命線的導(dǎo)電特性，電磁感應(yīng)法被廣泛用于既有生命線的三維空間探測.多種探測技術(shù)的融合、復(fù)雜干擾下的數(shù)據(jù)解析、精度提高的數(shù)學(xué)挖掘?qū)⑹俏磥硌芯恐攸c(diǎn).

（2）參考美國811“一呼通”系統(tǒng)，大區(qū)域范圍內(nèi)完成地下生命線工程的信息化構(gòu)架，是保障地下生命線安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)透明地下空間的關(guān)鍵途徑.

（3）在已有20000 kN世界上最大回拖力鉆機(jī)的基礎(chǔ)上，應(yīng)針對我國區(qū)域地質(zhì)條件和城市布局，研發(fā)模塊化、智能型、環(huán)保性的系列裝備，并實(shí)現(xiàn)自主風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判與應(yīng)急處置的功能集成.

（4）結(jié)合實(shí)際工程特點(diǎn)，建立室內(nèi)大比例模型，能夠?qū)崿F(xiàn)HDD導(dǎo)向、擴(kuò)孔、回拖的全過程模擬，并針對各種風(fēng)險(xiǎn)工況，動(dòng)態(tài)獲取地層物性、設(shè)備參數(shù)、工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)，建立室內(nèi)分析方法和數(shù)據(jù)解析模式.

（5）大跨度山體HDD勘察和羽狀分支取心技術(shù)研究將進(jìn)一步拓展HDD的應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)地下工程的“靶向”精準(zhǔn)識(shí)別.