工程科学学报.第44卷.第1期：122-130.2022年1月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.1:122-130,January 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.24.001;http://cje.ustb.edu.cn 中国非开挖水平定向钻进装备与技术研究应用进展 孙平贺区，刘伟胜，杨涵涵，韦帮第，夏余宏烨 中南大学地球科学与信息物理学院，长沙410083 ☒通信作者，E-mail:pinghesun@csu.edu.cn 摘要从非开挖水平定向钻进(Horizontal directional drilling,.HDD)装备技术、地下生命线工程的探测与信息化、双向对穿 HDD技术、大口径HDD技术、HDD回拖力计算模型、地表变形与冒浆6个方面开展了文献调研工作，分析了HDD装备与 技术研究应用进展：世界上最大回拖力(20000kN)的电驱动钻机被设计并研发：电磁感应法被广泛用于既有生命线的空间探 测，复杂干扰下的数据解析与精度提高仍是研究重点：基于三维数据，融合建筑信息模型、人工智能、大数据等技术，借鉴美 国“811”体系，局部完成了地下生命线的信息化：采用对穿技术完成了长距离的地下生命线敷设：基于过程化的HDD工艺参 数、设备参数和控制监测技术被大量应用，有效提升了应用中的风险识别能力：针对不同地层条件下的回拖力计算为设备选 型提供了依据，并为HDD多学科融合研究提供了途径：复杂地质条件下的冒浆、卡钻等热点和难点也得到初步探索研究，构 建了理论、实验和数值分析模式，为提高HDD的应用效率和质量提供了依据.综合国内外研究进展，进一步分析了HDD的 发展趋势 关键词非开挖：生命线工程：地下工程：钻探技术：风险控制 分类号U175,T-1 Progress in research and applications of trenchless horizontal directional drilling equipment and technology in China SUN Ping-he,LIU Wei-sheng,YANG Han-han,WEI Bang-di,XIA Yu-hong-ye School of Geosciences and Info-physics,Central South University,Changsha 410083,China Corresponding author,E-mail:pinghesun@csu.edu.cn ABSTRACT Horizontal directional drilling (HDD)technology is widely used in the construction and maintenance of municipal lifeline projects,the laying of long-distance oil and gas pipelines,and directional survey of mountains.It is one of the important technologies in the trenchless engineering field.Nearly 30 a of development of China's HDD technology has made significant progress in the research and application of equipment and technology,creating a world record.The present work presents literature research considering 6 aspects:HDD equipment technology,detection and informationization technology of underground lifeline engineering,bi- directional crossing technology,large caliber HDD technology,HDD drag force calculation model,surface deformation and mud spillover.Moreover,this work analyzed the HDD research and applications progress of equipment and technology.In terms of the HDD equipment,the world's largest drag force (20000 kN)electric drive drilling rig has been designed and developed.Based on the material properties of underground lifeline systems,electromagnetic induction methods are widely used for geospatial detection of existing lifelines.However,data analysis and accuracy improvement under complex interference still need to be investigated.Based on three- dimensional data,integrating building information modeling with artificial intelligence,big data and other technologies,and learning from the US "811"system the informatization of underground lifelines has been partially completed.Long distance underground lifeline 收稿日期：2021-02-24 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2020YFC1807203):湖南省研究生科研创新资助项目(CX20190217)
中国非开挖水平定向钻进装备与技术研究应用进展 孙平贺苣，刘伟胜，杨涵涵，韦帮第，夏余宏烨 中南大学地球科学与信息物理学院，长沙 410083 苣通信作者， E-mail: pinghesun@csu.edu.cn 摘 要 从非开挖水平定向钻进（Horizontal directional drilling，HDD）装备技术、地下生命线工程的探测与信息化、双向对穿 HDD 技术、大口径 HDD 技术、HDD 回拖力计算模型、地表变形与冒浆 6 个方面开展了文献调研工作，分析了 HDD 装备与 技术研究应用进展：世界上最大回拖力（20000 kN）的电驱动钻机被设计并研发；电磁感应法被广泛用于既有生命线的空间探 测，复杂干扰下的数据解析与精度提高仍是研究重点；基于三维数据，融合建筑信息模型、人工智能、大数据等技术，借鉴美 国“811”体系，局部完成了地下生命线的信息化；采用对穿技术完成了长距离的地下生命线敷设；基于过程化的 HDD 工艺参 数、设备参数和控制监测技术被大量应用，有效提升了应用中的风险识别能力；针对不同地层条件下的回拖力计算为设备选 型提供了依据，并为 HDD 多学科融合研究提供了途径；复杂地质条件下的冒浆、卡钻等热点和难点也得到初步探索研究，构 建了理论、实验和数值分析模式，为提高 HDD 的应用效率和质量提供了依据. 综合国内外研究进展，进一步分析了 HDD 的 发展趋势. 关键词 非开挖；生命线工程；地下工程；钻探技术；风险控制 分类号 U175;T-1 Progress in research and applications of trenchless horizontal directional drilling equipment and technology in China SUN Ping-he苣 ，LIU Wei-sheng，YANG Han-han，WEI Bang-di，XIA Yu-hong-ye School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China 苣 Corresponding author, E-mail: pinghesun@csu.edu.cn ABSTRACT Horizontal directional drilling (HDD) technology is widely used in the construction and maintenance of municipal lifeline projects, the laying of long-distance oil and gas pipelines, and directional survey of mountains. It is one of the important technologies in the trenchless engineering field. Nearly 30 a of development of China’s HDD technology has made significant progress in the research and application of equipment and technology, creating a world record. The present work presents literature research considering 6 aspects: HDD equipment technology, detection and informationization technology of underground lifeline engineering, bidirectional crossing technology, large caliber HDD technology, HDD drag force calculation model, surface deformation and mud spillover. Moreover, this work analyzed the HDD research and applications progress of equipment and technology. In terms of the HDD equipment, the world’s largest drag force (20000 kN) electric drive drilling rig has been designed and developed. Based on the material properties of underground lifeline systems, electromagnetic induction methods are widely used for geospatial detection of existing lifelines. However, data analysis and accuracy improvement under complex interference still need to be investigated. Based on threedimensional data, integrating building information modeling with artificial intelligence, big data and other technologies, and learning from the US “811” system the informatization of underground lifelines has been partially completed. Long distance underground lifeline 收稿日期: 2021−02−24 基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2020YFC1807203）；湖南省研究生科研创新资助项目（CX20190217） 工程科学学报，第 44 卷，第 1 期：122−130，2022 年 1 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. 1: 122−130, January 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.24.001; http://cje.ustb.edu.cn
孙平贺等：中国非开挖水平定向钻进装备与技术研究应用进展 123· engineering has been laid using bi-directional crossing technology.Process-based HDD process parameters,equipment parameters,and the control and monitoring technology have been widely used to effectively improve the HDD applications'risk identification capabili- ties.The drag force calculation under different stratum conditions provides a basis for the equipment selection and facilitates HDD multidisciplinary research.In addition,preliminary explorations on hotspots with difficulties,such as slurry eruption under complex geological conditions,have been conducted.Theoretical,experimental,and numerical analysis models have also been constructed to provide a basis for improving the application efficiency and quality of HDD.Based on the abovementioned progress,this paper further analyzes the development trends of HDD technology. KEY WORDS trenchless engineering;lifeline engineering:underground engineering:drilling technology;risk control 非开挖工程(Trenchless engineering)是利用微 的角度调整提供载体.钻具主要包括钻杆、螺杆 开挖或不开挖技术对地下生命线工程进行敷设、 钻具、分动器等，实现力和扭矩的有效传递.钻头 修复或更换的一门科学，亦是地下工程的“微创” 包括导向钻头和扩孔钻头，根据地层特征一般采 科学.水平定向钻进作为非开挖工程学中的重要 用硬质合金、PDC等形式.泥浆循环设备包括泥 技术之一，自20世纪70年代初在美国加州帕哈罗 浆泵、固控设备、管路、泥浆罐等，实现HDD钻进 河敷设燃气管道（长度180m,直径100mm)应用 过程中的排屑、润滑、护壁等功能 以来，广泛应用于给排水、电力、燃气、通信、油 1.1HDD钻机 气等地下生命线工程中川，近些年水平定向钻进 国内HDD自主研发起步较晚6)，20世纪 (Horizontal directional drilling,HDD)技术在长距离 90年代中期先后研发了回拖力在50t以下的系列 山体水平勘察中也得到应用 钻机，这类整机性能较差，适应范围小，且钻机自 中国自20世纪90年代引入HDD技术以来， 动化程度不高.尽管采用了液压控制技术，但主要 因其对环境干扰小、社会成本低、工程效率高等 以电机作为动力源，无法满足野外作业需要，且功 优点，在既有地下生命线探测与信息化、HDD装 能较少.2000年之后-8，国内先后研发了大吨位 备、受限条件下关键技术、行业标准规范等方面 钻机，并采用了全负载敏感控制技术，橡胶履带行 取得大量研究成果和工程应用.中国过去25a 走底盘，柴油机作为动力源，可根据实际工程需要 HDD钻机年增长情况)，表明这一技术在中国仍 采用集成和分体2种方式进行组装，钻机的自动 呈现日益扩展的趋势，其在解决地下生命线工程 化程度有所提高，也改变了200t级以上的钻机依 的同时，面对复杂地质体环境，亟待解决的科学问 赖进口的局面.目前世界上回拖力最大是中国设 题也不断凸显 计制造的2000t分体式电驱动HDD钻机9，钻机 由动力站、动力头、给进机构、夹持器、钻架、地 1HDD装备技术 锚、操纵台、机械手和泥浆泵等部分组成，如图1 非开挖水平定向钻进装备主要由钻机、钻具、 采用与电网连接的电源系统取代柴油机做动力 钻头、泥浆循环设备和附属设备组成.HDD钻机 源，驱动钻机运行，可有效减少噪音和污染，也可 的基本功能是实现导向给进、回转和扩孔回拉、 减少化石能源的消耗，简化了机械传动结构，提高 回转及待敷设生命线的长距离回拉，同时为轨迹 了传动效率，并且易于实现自动控制0 00.000 006 2.5 因1世界上回拖力最大(200O0kN)HDD钻机.(a)钻进参数界面：(b)HDD钻机 Fig.1 HDD drilling rig with the world's largest drag force(20000 kN):(a)drilling parameter interface;(b)HDD rig HDD钻机向大型化发展的同时，自动化、智 数检测平台依托LabVIEW虚拟仪器程序，通过 能化、信息化也成为研究与应用的重点.工况参 USB数据采集卡、串口和6个传感器，分别回转压
engineering has been laid using bi-directional crossing technology. Process-based HDD process parameters, equipment parameters, and the control and monitoring technology have been widely used to effectively improve the HDD applications’ risk identification capabilities. The drag force calculation under different stratum conditions provides a basis for the equipment selection and facilitates HDD multidisciplinary research. In addition, preliminary explorations on hotspots with difficulties, such as slurry eruption under complex geological conditions, have been conducted. Theoretical, experimental, and numerical analysis models have also been constructed to provide a basis for improving the application efficiency and quality of HDD. Based on the abovementioned progress, this paper further analyzes the development trends of HDD technology. KEY WORDS trenchless engineering；lifeline engineering；underground engineering；drilling technology；risk control 非开挖工程（Trenchless engineering）是利用微 开挖或不开挖技术对地下生命线工程进行敷设、 修复或更换的一门科学，亦是地下工程的“微创” 科学. 水平定向钻进作为非开挖工程学中的重要 技术之一，自 20 世纪 70 年代初在美国加州帕哈罗 河敷设燃气管道（长度 180 m，直径 100 mm）应用 以来，广泛应用于给排水、电力、燃气、通信、油 气等地下生命线工程中[1] ，近些年水平定向钻进 （Horizontal directional drilling, HDD) 技术在长距离 山体水平勘察中也得到应用. 中国自 20 世纪 90 年代引入 HDD 技术以来， 因其对环境干扰小、社会成本低、工程效率高等 优点[2] ，在既有地下生命线探测与信息化、HDD 装 备、受限条件下关键技术、行业标准规范等方面 取得大量研究成果和工程应用. 中国过去 25 a HDD 钻机年增长情况[3] ，表明这一技术在中国仍 呈现日益扩展的趋势，其在解决地下生命线工程 的同时，面对复杂地质体环境，亟待解决的科学问 题也不断凸显. 1 HDD 装备技术 非开挖水平定向钻进装备主要由钻机、钻具、 钻头、泥浆循环设备和附属设备组成. HDD 钻机 的基本功能是实现导向给进、回转和扩孔回拉、 回转及待敷设生命线的长距离回拉，同时为轨迹 的角度调整提供载体. 钻具主要包括钻杆、螺杆 钻具、分动器等，实现力和扭矩的有效传递. 钻头 包括导向钻头和扩孔钻头，根据地层特征一般采 用硬质合金、PDC 等形式. 泥浆循环设备包括泥 浆泵、固控设备、管路、泥浆罐等，实现 HDD 钻进 过程中的排屑、润滑、护壁等功能[4] . 1.1 HDD 钻机 国 内 HDD 自 主 研 发 起 步 较 晚 [5−6] ， 20 世 纪 90 年代中期先后研发了回拖力在 50 t 以下的系列 钻机，这类整机性能较差，适应范围小，且钻机自 动化程度不高. 尽管采用了液压控制技术，但主要 以电机作为动力源，无法满足野外作业需要，且功 能较少. 2000 年之后[7−8] ，国内先后研发了大吨位 钻机，并采用了全负载敏感控制技术，橡胶履带行 走底盘，柴油机作为动力源，可根据实际工程需要 采用集成和分体 2 种方式进行组装，钻机的自动 化程度有所提高，也改变了 200 t 级以上的钻机依 赖进口的局面. 目前世界上回拖力最大是中国设 计制造的 2000 t 分体式电驱动 HDD 钻机[9] ，钻机 由动力站、动力头、给进机构、夹持器、钻架、地 锚、操纵台、机械手和泥浆泵等部分组成，如图 1. 采用与电网连接的电源系统取代柴油机做动力 源，驱动钻机运行，可有效减少噪音和污染，也可 减少化石能源的消耗，简化了机械传动结构，提高 了传动效率，并且易于实现自动控制[10] . (a) (b) 图 1 世界上回拖力最大（20000 kN）HDD 钻机. （a）钻进参数界面；（b）HDD 钻机 Fig.1 HDD drilling rig with the world’s largest drag force (20000 kN): (a) drilling parameter interface; (b) HDD rig HDD 钻机向大型化发展的同时，自动化、智 能化、信息化也成为研究与应用的重点. 工况参 数检测平台依托 LabVIEW 虚拟仪器程序 ，通过 USB 数据采集卡、串口和 6 个传感器, 分别回转压 孙平贺等： 中国非开挖水平定向钻进装备与技术研究应用进展 · 123 ·
.124 工程科学学报，第44卷，第1期 力、给进力、泥浆压力、转速、钻速和泥浆流量进 具由公共分流接头、独立螺杆钻具、润滑系统、捆 行动态测量，达到实时检测、实时显示、超限报警 绑式扶正器、组合传动系统和油密封传动轴系统 和数据保存与回放的功能.在此基础上，可编程 组成.各个螺杆钻具并联布设，通过四边形机构实 序控制器(Programmable logic controller,,PLC)智能 现扭矩合成和运动传递. 控制技术可实现操作者在位保护、上下车功能互 钻具在地下空间位置信息获取通常采用以地 锁、逻辑功能互锁、防误操作保护等智能判断，根 球磁场方向为基准的磁通门磁强计和以地球重力 据参数判断结果保证HDD钻机在极限情况下能 方向为基准的摆式倾角传感器来进行，在外界电 够自动停止并报警.通过在钻机安装无线接收控 磁影响下，这种方法精度不高.采用3轴微加速度 制器电路，并应用物联网技术可实现HDD钻机远 计和3轴磁阻传感器作为姿态敏感器件，实时获 程控制)，无线操控器通过按钮开关输入开关量 取定向钻进中钻具的方位角、倾角和面向角信息， 控制信号，通过球形旋钮模拟输入控制信号，由无 可有效克服传统钻具探测的不足.该系统具有体 线模块将模拟信号转换成对应的数字量信号.无 积小、成本低、可靠性高等一系列优点，非常适合 线接收控制器收到开关量信号和数字量信号后， 浅层地下定向钻进测量6 将数字信号还原成模拟信号，用开关量信号和模 1.3HDD推管机 拟信号控制车载设备实现自动控制功能，基于 推管机主要应用在长距离HDD工程中，是一 Web的远程监控系统亦可实现远程控制，该系统 种生命线助力设备，如图2.工程中一般采用夹持 由信息采集终端和服务器端软件组成，以8位单 装置固定管线，借助推进油缸或机械力使被固定 片机为主控芯片的信息采集终端对钻机运行参数 的管线沿着回拖方向轴线运动.推管机一般安装 进行采集，并实时发送、控制钻机.服务器端通过 在入土点，具有助力稳定、速度可控、推力大等优 Java串口通信技术将接收到的钻机数据进行处理 点，保障生命线回拉顺利完成 并存储至MySQL数据库，动态发布钻机参数，实 现对HDD钻机的有效监控和系统性管理) 1.2HDD钻具 Middle chassis HDD钻具实际受力复杂，通过轨迹形式、钻 Ground anchor plate 具组合、力学参数和工艺参数，可分别建立导向、 Anti-torsion beam 扩孔和回拖3种工况下钻具的力学分析模型，并 Pipe clamp 可据此分析钻具的屈曲行为、弯曲失稳临界载荷 等.针对极限情况下钻杆的失效情况数据统计分 Main thrust cylinder 析结果，可建立钻具的静力学模型和动力学模型 依据疲劳寿命的理论与试验研究结果，可获取钻 图2推管机结构 杆在拉伸、扭转和拉扭复合载荷下的疲劳寿命公 Fig.2 Structure of the pipe pusher 式和断口微观形貌特征，揭示钻杆失效机理.扩孔 推管机的推力一般由推拉油缸提供，通过抱 钻具的运动姿态对轨迹影响较为明显，将扩孔钻 紧管道的4个夹片进行力的传递，夹片夹紧与释 具组合等效为质量均匀分布的刚体，且不考虑扩 放通过夹片底部的夹持油缸实现叼为避免夹片 孔钻具组合的偏心及内外阻尼的影响，可采用转 和钢管涂层之间的接触面被夹持损坏，在其与管 子一轴承系统动力学理论推导扩孔钻具组合三维 道接触面硫化10~12mm橡胶涂层，该厚度可补 小挠度运动微分方程，模型可有效模拟扩孔钻具 偿钢管的焊道及管道补口导致的受力不均衡.同 的运动状态 时该橡胶涂层开槽用于排水及排渣，保障提供足 在理论和实验分析的基础上，将多个电动机 够的摩擦力.当油缸承受缩缸负载时，推管机处于 分为两组进行动力集成，两组电机同时旋转反向 推模式；当油缸承受伸缸负载时，推管机则处于拉 驱动一级传动模块和二级传动模块，带动两级钻 模式工作状态 头同时反向旋转钻进，并通过调节转速和钻压实 2HDD技术 现扭矩平衡扩孔，可有效避免堵卡钻、钻杆断脱等 工程问题.针对长距离HDD中螺杆钻具扭矩不足 2.1电磁感应法探测技术 的问题，设计研发了大扭矩组合螺杆钻具吲该钻 电磁感应法利用探测目标生命线同周围地层
力、给进力、泥浆压力、转速、钻速和泥浆流量进 行动态测量，达到实时检测、实时显示、超限报警 和数据保存与回放的功能[11] . 在此基础上，可编程 序控制器（Programmable logic controller，PLC）智能 控制技术可实现操作者在位保护、上下车功能互 锁、逻辑功能互锁、防误操作保护等智能判断，根 据参数判断结果保证 HDD 钻机在极限情况下能 够自动停止并报警. 通过在钻机安装无线接收控 制器电路，并应用物联网技术可实现 HDD 钻机远 程控制[12] . 无线操控器通过按钮开关输入开关量 控制信号，通过球形旋钮模拟输入控制信号，由无 线模块将模拟信号转换成对应的数字量信号. 无 线接收控制器收到开关量信号和数字量信号后， 将数字信号还原成模拟信号，用开关量信号和模 拟信号控制车载设备实现自动控制功能. 基于 Web 的远程监控系统亦可实现远程控制，该系统 由信息采集终端和服务器端软件组成，以 8 位单 片机为主控芯片的信息采集终端对钻机运行参数 进行采集，并实时发送、控制钻机. 服务器端通过 Java 串口通信技术将接收到的钻机数据进行处理 并存储至 MySQL 数据库，动态发布钻机参数，实 现对 HDD 钻机的有效监控和系统性管理[13] . 1.2 HDD 钻具 HDD 钻具实际受力复杂，通过轨迹形式、钻 具组合、力学参数和工艺参数，可分别建立导向、 扩孔和回拖 3 种工况下钻具的力学分析模型，并 可据此分析钻具的屈曲行为、弯曲失稳临界载荷 等. 针对极限情况下钻杆的失效情况数据统计分 析结果，可建立钻具的静力学模型和动力学模型. 依据疲劳寿命的理论与试验研究结果，可获取钻 杆在拉伸、扭转和拉扭复合载荷下的疲劳寿命公 式和断口微观形貌特征，揭示钻杆失效机理. 扩孔 钻具的运动姿态对轨迹影响较为明显，将扩孔钻 具组合等效为质量均匀分布的刚体，且不考虑扩 孔钻具组合的偏心及内外阻尼的影响，可采用转 子—轴承系统动力学理论推导扩孔钻具组合三维 小挠度运动微分方程，模型可有效模拟扩孔钻具 的运动状态[14] . 在理论和实验分析的基础上，将多个电动机 分为两组进行动力集成，两组电机同时旋转反向 驱动一级传动模块和二级传动模块，带动两级钻 头同时反向旋转钻进，并通过调节转速和钻压实 现扭矩平衡扩孔，可有效避免堵卡钻、钻杆断脱等 工程问题. 针对长距离 HDD 中螺杆钻具扭矩不足 的问题，设计研发了大扭矩组合螺杆钻具[15] . 该钻 具由公共分流接头、独立螺杆钻具、润滑系统、捆 绑式扶正器、组合传动系统和油密封传动轴系统 组成. 各个螺杆钻具并联布设，通过四边形机构实 现扭矩合成和运动传递. 钻具在地下空间位置信息获取通常采用以地 球磁场方向为基准的磁通门磁强计和以地球重力 方向为基准的摆式倾角传感器来进行，在外界电 磁影响下，这种方法精度不高. 采用 3 轴微加速度 计和 3 轴磁阻传感器作为姿态敏感器件，实时获 取定向钻进中钻具的方位角、倾角和面向角信息， 可有效克服传统钻具探测的不足. 该系统具有体 积小、成本低、可靠性高等一系列优点，非常适合 浅层地下定向钻进测量[16] . 1.3 HDD 推管机 推管机主要应用在长距离 HDD 工程中，是一 种生命线助力设备，如图 2. 工程中一般采用夹持 装置固定管线，借助推进油缸或机械力使被固定 的管线沿着回拖方向轴线运动. 推管机一般安装 在入土点，具有助力稳定、速度可控、推力大等优 点，保障生命线回拉顺利完成. Middle chassis Base Pipe clamp Main thrust cylinder Anti-torsion beam Ground anchor plate 图 2 推管机结构 Fig.2 Structure of the pipe pusher 推管机的推力一般由推拉油缸提供，通过抱 紧管道的 4 个夹片进行力的传递，夹片夹紧与释 放通过夹片底部的夹持油缸实现[17] . 为避免夹片 和钢管涂层之间的接触面被夹持损坏，在其与管 道接触面硫化 10～12 mm 橡胶涂层，该厚度可补 偿钢管的焊道及管道补口导致的受力不均衡. 同 时该橡胶涂层开槽用于排水及排渣，保障提供足 够的摩擦力. 当油缸承受缩缸负载时，推管机处于 推模式；当油缸承受伸缸负载时，推管机则处于拉 模式工作状态[18] . 2 HDD 技术 2.1 电磁感应法探测技术 电磁感应法利用探测目标生命线同周围地层 · 124 · 工程科学学报，第 44 卷，第 1 期
孙平贺等：中国非开挖水平定向钻进装备与技术研究应用进展 125· 介质之间的电性差异和磁性差异，采用交流电进 管线档案分散式管理的状况：部分地区尚未实现 行激发，通过分析感应电流产生的二次磁场及其 地下管线档案向城建档案部门的完整移交，已归 分布规律，进而确定生命线空间位置.这种方法一 档档案也无法进行共享.美国“811”一呼通体系 般只能探测金属类生命线工程 是2005年由联邦通信委员会授权设立的N-11系 针对非开挖管线埋深较深引起电磁信号弱的 列编号之一，其目的是为开挖施工提供作业区域 特点0，通过对感应电磁场进行数理研究和技术 内地下管线信息，以保证施工过程安全.近些年国 模拟，总结出从1~21m不等深度、电流状况下， 内借鉴美国811“一呼通”系统，初步完成了地下生 磁场强度分量H、垂直分量H及强度分量变量 命线工程的信息化构架 △H磁场的归一化电磁异常的曲线分布特征规律 构建了地下生命线信息管理及共享平台，包 针对特深生命线电磁信号衰减问题四，可采用频 括数据加载、数据编辑、数据输出、三维管线场景 域电磁法与声波法相结合的方式，根据交流磁场 管理、城市数据安全管理等功能组成)按照软件 信号、声波振幅、频率、连续性、波形和反射形态 运行功能等不同将其分为系统层、基础层、数据 的相对变化情况，有效识别深埋空间位置 层和中间层4类P系统层主要包含了数据管理、 同时，外界环境对电磁信号影响也较为明显， 维护、更新等功能，是平台主要工作界面与工具： 主要涉及生命线工程中的电流强度和管道电流引 基础层主要用于满足软件平台实际运行的必要环 起的电磁异常，它的信噪比与信号和噪声有关.有 境，如软硬件配置、网络环境、安全监控系统等； 效提高待测生命线中的电流强度，使观测到的异 数据层存储了城市地下管线信息基础数据、综合 常具有足够置信度，是提高检测精度的途径之一四 处理数据、更新数据、各类生命线数据库等：中间 在各种干扰源中，地下并联载流生命线间的干扰 层在架构中有承上启下的作用，主要功能为场景 最为常见，干扰程度也最为强烈.特别是平行生命 浏览、信息查询、空间分析及数据共享等2-28测 线间距小于1倍埋深时，采用传统的单根管线特 针对传统AutoCAD设计时，多种生命线在同 征点难以有效获取管线深度，可利用正演拟合曲 一位置高程变化后的角度及空间无法二维模拟的 线精准确定埋深.对于近距离多条生命线并行探 问题，采用建筑信息模型(Building information 测)，可依据完整磁场特征参数，通过单线圈接收 modeling,BIM)技术的信息模型集成数字化信息， 的磁场水平分量数据反演分析，构建生命线地下 仿真模拟地下生命线工程所具有的真实信息，实 空间分布模型.瞬变电磁法(TEM)具有低阻敏感 现全生命周期管理针对地下生命线工程的三 特性，是浅部生命线探测常用方法之一，为了充分 维建模0研究表明，高精度自动三维建模具有重 利用该方法水平分量信息，近些年又提出了动态 要意义，其思路是利用二维普查数据，依据各类生 瞬变电磁法(DNT),将TEM发射接收线圈缩小到 命线点和线段的特点，采用不同方式，通过空间、 几平方米甚至更小，形成集成探头体，能够有效利 属性和材质信息映射，实时驱动生成三维模型，如 用三分量信息，实现浅部生命线工程的动态精准 图3.其建模方法是针对形态规则且结构单一的管 探查24 线段，通过二维管线段的定位、管径和材质信息映 2.2地下生命线工程的信息化 射，利用OpenGL实时绘制三维管线段.在此基础 由于地下管线多头管理现象严重，造成了地下 上，通过二维数据库更新信息的提取，主动在三维 a) 图3基于建筑信息模型技术的三维模型.（ā）城市地下管线三维模型：(b)武汉市城市地下管线综合信息平台网 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
介质之间的电性差异和磁性差异，采用交流电进 行激发，通过分析感应电流产生的二次磁场及其 分布规律，进而确定生命线空间位置. 这种方法一 般只能探测金属类生命线工程[19] . 针对非开挖管线埋深较深引起电磁信号弱的 特点[20] ，通过对感应电磁场进行数理研究和技术 模拟，总结出从 1～21 m 不等深度、电流状况下， 磁场强度分量 Hx、垂直分量 Hz 及强度分量变量 ∆Hx 磁场的归一化电磁异常的曲线分布特征规律. 针对特深生命线电磁信号衰减问题[21] ，可采用频 域电磁法与声波法相结合的方式，根据交流磁场 信号、声波振幅、频率、连续性、波形和反射形态 的相对变化情况，有效识别深埋空间位置. 同时，外界环境对电磁信号影响也较为明显， 主要涉及生命线工程中的电流强度和管道电流引 起的电磁异常，它的信噪比与信号和噪声有关. 有 效提高待测生命线中的电流强度，使观测到的异 常具有足够置信度，是提高检测精度的途径之一[22] . 在各种干扰源中，地下并联载流生命线间的干扰 最为常见，干扰程度也最为强烈. 特别是平行生命 线间距小于 1 倍埋深时，采用传统的单根管线特 征点难以有效获取管线深度，可利用正演拟合曲 线精准确定埋深. 对于近距离多条生命线并行探 测[23] ，可依据完整磁场特征参数，通过单线圈接收 的磁场水平分量数据反演分析，构建生命线地下 空间分布模型. 瞬变电磁法（TEM）具有低阻敏感 特性，是浅部生命线探测常用方法之一，为了充分 利用该方法水平分量信息，近些年又提出了动态 瞬变电磁法（DNT），将 TEM 发射接收线圈缩小到 几平方米甚至更小，形成集成探头体，能够有效利 用三分量信息，实现浅部生命线工程的动态精准 探查[24] . 2.2 地下生命线工程的信息化 由于地下管线多头管理现象严重，造成了地下 管线档案分散式管理的状况；部分地区尚未实现 地下管线档案向城建档案部门的完整移交，已归 档档案也无法进行共享. 美国“811”一呼通体系 是 2005 年由联邦通信委员会授权设立的 N-11 系 列编号之一，其目的是为开挖施工提供作业区域 内地下管线信息，以保证施工过程安全. 近些年国 内借鉴美国 811“一呼通”系统，初步完成了地下生 命线工程的信息化构架. 构建了地下生命线信息管理及共享平台，包 括数据加载、数据编辑、数据输出、三维管线场景 管理、城市数据安全管理等功能组成[25] . 按照软件 运行功能等不同将其分为系统层、基础层、数据 层和中间层 4 类[26] . 系统层主要包含了数据管理、 维护、更新等功能，是平台主要工作界面与工具； 基础层主要用于满足软件平台实际运行的必要环 境，如软硬件配置、网络环境、安全监控系统等； 数据层存储了城市地下管线信息基础数据、综合 处理数据、更新数据、各类生命线数据库等；中间 层在架构中有承上启下的作用，主要功能为场景 浏览、信息查询、空间分析及数据共享等[27−28] . 针对传统 AutoCAD 设计时，多种生命线在同 一位置高程变化后的角度及空间无法二维模拟的 问 题 ， 采 用 建 筑 信 息 模 型 （ Building information modeling，BIM）技术的信息模型集成数字化信息， 仿真模拟地下生命线工程所具有的真实信息，实 现全生命周期管理[29] . 针对地下生命线工程的三 维建模[30] ，研究表明，高精度自动三维建模具有重 要意义，其思路是利用二维普查数据，依据各类生 命线点和线段的特点，采用不同方式，通过空间、 属性和材质信息映射，实时驱动生成三维模型，如 图 3. 其建模方法是针对形态规则且结构单一的管 线段，通过二维管线段的定位、管径和材质信息映 射，利用 OpenGL 实时绘制三维管线段. 在此基础 上，通过二维数据库更新信息的提取，主动在三维 (a) (b) 图 3 基于建筑信息模型技术的三维模型. （a）城市地下管线三维模型；（b）武汉市城市地下管线综合信息平台[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] 孙平贺等： 中国非开挖水平定向钻进装备与技术研究应用进展 · 125 ·
.126 工程科学学报，第44卷，第1期 系统中进行单体生命线模型及其附属设施的重 阵列测量地面磁信标的磁场分量和磁场梯度张量 建，自动建模工具也会同步更新其拓扑关系，精细 计算钻头的位置坐标，且具有较强的抗干扰能力B阿 化地建立管段和拓扑连接关系驱动的管点三维实 针对磁强计内在测量误差和外在环境误差，提出 体模型，实现三维模型的局部高效更新.同时，融 在钻进现场采用基于拟牛顿法(BFGS算法)总误 合GIS、物联网、大数据挖掘等技术，可极大提高 差参数估计的磁强计误差补偿方法.为了减少外 地下生命线管理效率. 界磁场的干扰，采用加速度计和3轴磁阻传感器 2.3双向对穿HDD技术 的测量值，实现对导向钻头倾角、方位角和工具面 为了解决长距离HDD导向钻压不足、钻进效 向角的测量.结合轴向磁铁和人工磁场，利用随钻 率低的问题，国内于2006年首次应用双向对穿 测量单元获取其相对于轴向磁铁的磁场强度分 HDD技术完成2454.15m的钱塘江底部地下生命 量，实现两侧导向钻具的准确对接 线工程敷设.对穿技术采用主钻机+辅助钻机同步 2.4大口径HDD技术 导向钻进，当辅助导向钻头进入对接区时，通过近 大口径HDD工程施工难度大，存在回拖力不 钻头短节内的轴向磁铁，引导主钻导向钻头顶进 足，孔壁失稳和钻具失效等风险，对钻机能力、泥 当主钻头接近轴向磁铁时，利用轴向磁铁产生的 浆工艺和钻具强度提出了更高的要求， 磁场测量两个导向孔圆周偏差，并动态调整钻头 针对回拖力不足，架空发送法与管沟发送法 姿态使偏差缩小直至平缓进入辅助钻机导向孔， 通过减小管道与地表面之间的摩擦系数，可有效 并在轴向磁铁引导下，沿着辅助导向孔推进直至 减小回拖载荷.为进一步减少回拖阻力，根据泥浆 到达辅助钻机的人土点，完成整个导向孔的对接训 黏度与泥浆配方、泥浆密度之间的对应关系推导 双向对穿HDD技术的关键是近钻头人工磁 管道回拖阶段泥浆泵量与回拖速率之间的函数关 场信号的传输与控制.依托泥浆螺杆马达带动磁 系式，并从润滑减阻的角度进行分析，合理设置泥 钢旋转发出磁场信号，形成旋转磁场对导向曲线、 浆工艺参数和管道回拖参数B7 探棒姿态、相对空间位置进行识别，其精确度可达 大口径管道受场地范围和预制长度的限制， 厘米级2.信号接收端的探棒可根据磁场信号对 往往也需要“二接一”和“多接一”拖管法，但其更 圆周偏差进行实时计算，从而实现双向对穿，其有 易引起孔壁失稳问题，采用有限元差分算法和颗 效感应距离可达100m.此外，综合运用双向对 粒离散元法分析HDD钻进过程中孔壁应力分布 穿+推管技术，如图4，可有效解决在钻遇高硬塑 规律，确定施工过程中不同时段的泥浆工艺参数， 性粉质黏土时的卡、抱钻及生命线回拖遇卡管等 保证接管过程的孔壁稳定B网 难题33- 针对钻具失效问题，提出了公称外径1.2~2.5m 的大口径HDPE管道，在0.4~1.6MPa不同公称压 (a) 力下对应的公称壁厚，并建立了适用于超大口径 Main drilling rig Probe Magnetic signal Auxiliary drilling rig HDPE输水管道水力坡降数据库B,.大口径管道回 拖起吊过程中更易发生卡管与管道变形等问题， 采用有限元仿真模型和起吊力学分析，提出了不同 (b) Main drilling rig Auxiliary drilling rig 长度管道适用的入土角度和吊点间距建议值o 2.5HDD回拖力计算模型 HDD回拖力是指在生命线回拉阶段管线在钻 孔内承受的各种阻力之和，一般是随着回拖进程 图4双向对穿技术示意图.(a)电磁导向：(b)对接成功 不断增加.回拖力大小直接影响钻进设备的选取 Fig.4 Schematic of the two-way through technology:(a) electromagnetic guidance;(b)successful docking 和生命线力学参数的校核，是HDD工程设计的关 键参数之一，国内常用的计算模型有卸荷拱土压 为了提高对接信号的精度，可采用地面磁信 力估算法、净浮力计算法、油气钢管道穿越计算 标、3σ准则（σ为标准差）和差分处理的组合方式. 法、给排水管线计算法等卸荷拱土压力估算法 依靠地面放置的永磁体或直流螺线管作为磁信 是假定生命线在回拖过程中同时受到钻孔上方塌 标，通过建立基于地面磁信标的参考坐标系和基 落土的压力和孔底支承力的双重作用，管段本身的 于钻具的载体坐标系，利用捷联在钻具中的测量 重量全部由孔底承担，忽略泥浆对管线的浮力作
系统中进行单体生命线模型及其附属设施的重 建，自动建模工具也会同步更新其拓扑关系，精细 化地建立管段和拓扑连接关系驱动的管点三维实 体模型，实现三维模型的局部高效更新. 同时，融 合 GIS、物联网、大数据挖掘等技术，可极大提高 地下生命线管理效率. 2.3 双向对穿 HDD 技术 为了解决长距离 HDD 导向钻压不足、钻进效 率低的问题，国内于 2006 年首次应用双向对穿 HDD 技术完成 2454.15 m 的钱塘江底部地下生命 线工程敷设. 对穿技术采用主钻机+辅助钻机同步 导向钻进，当辅助导向钻头进入对接区时，通过近 钻头短节内的轴向磁铁，引导主钻导向钻头顶进. 当主钻头接近轴向磁铁时，利用轴向磁铁产生的 磁场测量两个导向孔圆周偏差，并动态调整钻头 姿态使偏差缩小直至平缓进入辅助钻机导向孔， 并在轴向磁铁引导下，沿着辅助导向孔推进直至 到达辅助钻机的入土点，完成整个导向孔的对接[31] . 双向对穿 HDD 技术的关键是近钻头人工磁 场信号的传输与控制. 依托泥浆螺杆马达带动磁 钢旋转发出磁场信号，形成旋转磁场对导向曲线、 探棒姿态、相对空间位置进行识别，其精确度可达 厘米级[32] . 信号接收端的探棒可根据磁场信号对 圆周偏差进行实时计算，从而实现双向对穿，其有 效感应距离可达 100 m. 此外，综合运用双向对 穿+推管技术，如图 4，可有效解决在钻遇高硬塑 性粉质黏土时的卡、抱钻及生命线回拖遇卡管等 难题[33−34] . Main drilling rig Main drilling rig (a) (b) Probe Magnetic signal Auxiliary drilling rig Auxiliary drilling rig 图 4 双向对穿技术示意图. （a）电磁导向；（b）对接成功[34] Fig.4 Schematic of the two-way through technology: (a) electromagnetic guidance; (b) successful docking[34] 为了提高对接信号的精度，可采用地面磁信 标、3σ 准则（σ 为标准差）和差分处理的组合方式. 依靠地面放置的永磁体或直流螺线管作为磁信 标，通过建立基于地面磁信标的参考坐标系和基 于钻具的载体坐标系，利用捷联在钻具中的测量 阵列测量地面磁信标的磁场分量和磁场梯度张量 计算钻头的位置坐标，且具有较强的抗干扰能力[35] . 针对磁强计内在测量误差和外在环境误差，提出 在钻进现场采用基于拟牛顿法（BFGS 算法）总误 差参数估计的磁强计误差补偿方法. 为了减少外 界磁场的干扰，采用加速度计和 3 轴磁阻传感器 的测量值，实现对导向钻头倾角、方位角和工具面 向角的测量. 结合轴向磁铁和人工磁场，利用随钻 测量单元获取其相对于轴向磁铁的磁场强度分 量，实现两侧导向钻具的准确对接[36] . 2.4 大口径 HDD 技术 大口径 HDD 工程施工难度大，存在回拖力不 足，孔壁失稳和钻具失效等风险，对钻机能力、泥 浆工艺和钻具强度提出了更高的要求. 针对回拖力不足，架空发送法与管沟发送法 通过减小管道与地表面之间的摩擦系数，可有效 减小回拖载荷. 为进一步减少回拖阻力，根据泥浆 黏度与泥浆配方、泥浆密度之间的对应关系推导 管道回拖阶段泥浆泵量与回拖速率之间的函数关 系式，并从润滑减阻的角度进行分析，合理设置泥 浆工艺参数和管道回拖参数[37] . 大口径管道受场地范围和预制长度的限制， 往往也需要“二接一”和“多接一”拖管法，但其更 易引起孔壁失稳问题，采用有限元差分算法和颗 粒离散元法分析 HDD 钻进过程中孔壁应力分布 规律，确定施工过程中不同时段的泥浆工艺参数， 保证接管过程的孔壁稳定[38] . 针对钻具失效问题，提出了公称外径 1.2～2.5 m 的大口径 HDPE 管道，在 0.4～1.6 MPa 不同公称压 力下对应的公称壁厚，并建立了适用于超大口径 HDPE 输水管道水力坡降数据库[39] . 大口径管道回 拖起吊过程中更易发生卡管与管道变形等问题， 采用有限元仿真模型和起吊力学分析，提出了不同 长度管道适用的入土角度和吊点间距建议值[40] . 2.5 HDD 回拖力计算模型 HDD 回拖力是指在生命线回拉阶段管线在钻 孔内承受的各种阻力之和，一般是随着回拖进程 不断增加. 回拖力大小直接影响钻进设备的选取 和生命线力学参数的校核，是 HDD 工程设计的关 键参数之一，国内常用的计算模型有卸荷拱土压 力估算法、净浮力计算法、油气钢管道穿越计算 法、给排水管线计算法等[41] . 卸荷拱土压力估算法 是假定生命线在回拖过程中同时受到钻孔上方塌 落土的压力和孔底支承力的双重作用,管段本身的 重量全部由孔底承担，忽略泥浆对管线的浮力作 · 126 · 工程科学学报，第 44 卷，第 1 期