孙瑞锋[1]2005年在《城市地下管道非开挖技术的岩土力学研究》文中研究指明随着我国经济建设进入可持续发展期,城市化进程随之加快,城市基础设施建设的规模明显加大,城市环境质量要求逐步提高,城市地下管网建设和改造必须与之相适应,为此各城市正实施“城网下地计划”,使得我国地下管线的总量迅速增加。伴随着地下管线工程任务的日益增长和我国公众环境意识的增强,对于高速公路、城市广场干道、铁路、机场跑道等特殊地域的地下管线施工,各级政府正通过立法等形式限制明开挖作业。而城市各类管网的地下化和城市交通、通讯的立体化是未来城市发展方向。因此,作为明挖作业的有效替换方式,现代非开挖技术将面临巨大的发展机遇。非开挖技术是先进的科学技术与社会需求相结合的实用新型技术。推广、普及这项技术,加快相关企业的专业化、规模化,将会促进非开挖技术业的发展、壮大。这一新兴行业将在我国二十一世纪的国民经济建设发展中发挥巨大作用。非开挖技术是指利用现代化地下管线的施工机械,在不开挖或只开挖少量作业坑(井)的条件下,以高效、优质、成本适中且对环境友善的方式,进行铺设、修复和更换管道的技术。本文针对当前非开挖技术基础理论研究滞后于工程实践的现实,对顶管的推力理论、水平定向钻进的管道回拖力及其水平钻进过程中的孔壁失稳机理等问题进行了研究。分析对比了现有的一些顶管公式,分析了顶管顶力的组成及影响因素,对一种常用顶管顶力计算公式进行了改进;介绍了水平定向钻进的管道回拖力的一个预测计算公式,该公式考虑了所有主要的影响拉力和管道弯曲变形的力学系数,包括管道和孔道的尺寸,孔身的形状,管道和泥浆的材料性能。并将该公式用于实际工程进行了验证;对水平钻进过程中的孔壁失稳机理进行了探讨,并以此提出了维持钻孔稳定的方法和对策。
冯兴法[2]2008年在《定/导向钻进施工中的地下管线损伤预防措施及技术研究》文中进行了进一步梳理近十年来,非开挖定/导向钻进技术用于敷设城市地下管线在我国得到了极大的推广应用。但这并不意味着我们的每一次施工都能够顺利完成,主观因素和客观原因共同主宰着施工的成败。目前,对定/导向钻进施工技术的研究主要集中在具体的施工工艺、设备以及泥浆配制等领域,而对定/导向钻进施工过程中地下管线损伤预防措施的研究还存在不足,本文是以城市管线敷设相关规范为依据,以非开挖水平定/导向钻进技术原理为出发点,以作者亲身经历的实践为基础,对非开挖定/导向钻进施工中地下管线损伤进行相关研究。首先,本文对城市中地下管线进行分类,依据管线施工安全距离以及管线敷设的影响因素分析水平定/导向钻进技术的施工环境,并在此基础上指出非开挖项目的勘察、探测要点。其次,从钻孔轨迹设计的一般原理入手,描述钻孔轨迹设计的基本参数,谈及定/导向轨迹设计的主要内容,对导向钻头导向角进行了优化计算,同时也对扩孔工序中扩孔直径进行了优化设计。根据已有管线和在建管线不同特点和施工环境影响程度,谈及地下管线损伤的预防措施以及相关的应用技术。最后,结合成功案例,强调按照施工工序进行科学施工的重要性。
陈中浙[3]2009年在《岩层中定向钻进非开挖铺设地下管线的研究及应用》文中进行了进一步梳理非开挖水平定向钻进技术(Horizontal Directional Drilling),因其高精度的定位能力而成为非开挖四大工法之中最具潜力的技术,特别在城市管网极为复杂的地区,是其它施工方法难以代替的,社会经济效益尤为突出。我国因为在非开挖技术发展上起步较晚,一直较西方发达国家落后,目前,作为非开挖技术研究的热点也是难点的岩层定向钻进非开挖,对我国的经济发展、基础工程建设有着不小的影响。因此,本文着重对岩层定向钻进非开挖铺管施工技术进行了研究,主要包括导向轨迹设计、导向孔钻进施工、扩孔及管道回拉力计算和排渣工艺研究,并将其研究成果应用于实际工程施工当中,获得了很好的效果。1、本次研究按照从理论到实践的原则进行,先从理论上对岩层定向钻进非开挖做了全面系统的研究,后用理论研究成果应用到实际工程当中。在理论研究过程中,除了采用常规的理论分析外,还借鉴了国外目前的最新研究成果,来完善本次研究内容。2、在岩层中进行非开挖研究,非常全面的提出了一条工程施工设计路线,从轨迹设计、导向孔施工到管道回拉等,都做了充分的分析,这对岩层中进行非开挖施工具有指导价值。3、本次研究当中的反循环清渣工艺,在理论研究中,采用了数值模型进行计算,之后通过理论计算研究,最后在实践中得到检验,这种研究结果,清晰明了,且有助于研究进程。水平定向钻进反循环清渣工艺理论的研究,并将该成果成功应用于工程,证明它具有效率高、可靠性强、经济实用等特点,在将来的发展中必然会对岩层非开挖产生一定的影响。
刘军[4]2004年在《非开挖水平定向钻进铺管施工技术及工程应用研究》文中进行了进一步梳理本文从理论到实践对非开挖水平定向钻机地下管线铺设技术及方法进行了系统的分析和研究，特点是针对当前的非开挖水平定向钻进施工过程中在非开挖技术的应用方面存在的问题进行了较深入的分析，从工程实施的角度出发，着重论述了如何提高非开挖水平定向钻机在地下管线铺设中的安全性和施工质量，即采用非开挖定向钻机铺设地下管线应以前期的资料收集、地层分析及地下管网探测为前提和基础，以定向轨迹的设计和计算为理论依据。定向钻孔的施工是关键，泥浆配备是回拖铺设成功的重要保证。 在前期准备方面，本文强调在闹市区采用非开挖定向钻进铺设地下管线时全面收集原有地下管线资料的重要性，强调物探技术是对原有地下管线探查的重要手段，即保证原有地下管线安全性及操作人员人身安全的重要保证措施。 在具体施工的过程中，本文强调了设计轨迹的重要性和严肃性，在施工定向轨迹时，一定要根据设计轨迹的要求，选择合适的定向钻机和导向设备，严格遵循设计轨迹进行施工，同时强调在回拖铺管过程中泥浆配备的重要性。 就当前水平定向钻进铺设地下管线工程市场不规范和行业标准不统一的问题，本文从非开挖水平定向钻进铺管技术特殊性和安全性及地下资源空间的合理利用方面提出了自己的看法和见解，特别强调了对非开挖定向钻进铺管工程技术资料的管理和非开挖施工工程的统一规划管理的问题，并对非开挖水平定向钻进施工进行了技术经济分析，并就非开挖施工工程的管线定位的仪器研发进行了分析探讨，为非开挖施工的管线规范管理提出了新思路和研究方向。 本文还通过大量详实的非开挖工程实例来论述在不同非开挖定向钻进施工中各个环节和因素的作用。
朱晓赟[5]2007年在《典型河相地层条件下非开挖定（导）向钻进施工技术研究》文中研究表明非开挖导向钻进作为一项绿色、环保、高效、节能的新型铺管技术，已逐渐被人们所接受，且已被国际建筑行业公认为一个很有发展前景的分支。本文在分析典型河相地层地质条件的基础上，采用理论与实践相结合的方式，对典型河相地层条件下非开挖导向钻进施工关键技术进行研究，具体内容如下：1．通过对砂卵石地层条件下导向钻进时孔壁稳定性差成孔难度高等的原因进行深入分析，提出了采用注浆预处理技术，达到提高砂砾层钻孔孔壁稳定性的目的；2．通过对非开挖施工中泥浆的稳定孔壁、携带钻屑、润滑减阻等功用分析，提出了针对注浆预处理后砂砾层的非开挖专用泥浆配方；提出在岩层、砂砾层中润滑减阻的泥浆配置方案；3．通过分析，提出气动潜孔锤冲击回转钻进+牙轮扩孔器反向扩孔施工工艺为硬岩地层施工的首选工艺。并对该工艺进行了优化设计，提出了不同地层条件下的最优施工参数选取方法；4．分析了河相地层施工中，根据不同的已知条件进行导向轨迹设计的方法。对影响导向轨迹的因素进行了相应分析，并提出相应改进措施；5．通过借鉴土压力的计算模式，提出河相地层条件下管道回拖力的计算分析方法，为非开挖导向钻进铺管的技术参数的选取提供依据；6．通过对典型河相地层条件下非开挖导向钻进案例的分析，对该类河流穿越施工工艺进行详细的论述，对施工中出现的诸如：导向轨迹与设计轨迹偏离、钻杆钻具折断脱落、导向钻进或扩孔时卡夹钻、气动锤钻头堵塞等常见事故的产生机理进行了深入的分析研究，并据此提出相应的事故预防与处理措施。
刘远亮[6]2010年在《水平定向钻进铺管防冒浆技术研究》文中指出非开挖技术是指在不开挖地表的情况下,利用岩土钻掘等技术手段,铺设、修复或更换各种地下管道管线的一种高科技实用新技术。非开挖技术按施工工艺主要分为：水平定向钻进铺管技术、遁地穿梭矛铺管技术、微型隧道法、夯管法、水平螺旋钻进法、顶管铺管技术。它广泛用于不允许开挖或不具备开挖条件下的各类管线铺设,穿越高速公路、铁路、建筑物、河流、湖泊,以及在市区、古迹保护区、农作物或植被保护区等进行污水、自来水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等地下管道管线的施工。此外,非开挖技术还可用于降水工程、隧道工程、基础工程以及环境治理工程等。具有不污染环境,不影响交通,对底层结构破坏小,施工安全可靠、周期短、成本低、社会效益与经济效益显着等优点,具体表现在以下几个方面。1.避免了传统开挖施工对人们日常生活和工作的干扰,减少了对交通,周边建筑物基础的破坏和不良影响。2.使用非开挖技术可以准确地控制管道管线铺设方向、深埋,同时可让要铺设的管线绕过或避开地下障碍物(如巨石和地下建筑物等)及原有地下管线。3.在传统的开挖路面的施工方法无法施工或不允许施工的区域,(如穿越河流、铁路、高速公路、广场、机场跑道、古迹保护区等)可用非开挖技术从其下方穿越铺设,并可将管道管线设计在工程量最少的、位置最佳的路线穿越。4.具有良好的经济效益,在相同的客观条件下,采用非开挖技术进行管道铺设的综合成本要明显低于传统开挖施工法,从城市发展角度来看,现代城市的地下管线和管道已经很密集和拥挤,城市要再铺设新管道管线就只能加大埋深,而开挖施工的成本随着深埋的加大而激增,这时采用非开挖技术进行施工将更为经济和省时。通过很多实际工程实践可以得知,在大多数情况下,尤其是在管线密集的闹市区或管线埋设较深地段,非开挖施工是传统开挖施工的极好代替方法。在特殊情况下,非开挖施工更是一种唯一可行又经济的施工方法。而水平定向钻进技术是目前国内外非开挖技术所采用的主要技术方法之一,水平定向钻施工对施工现场的周边环境没有影响、容易调整和改变铺设管线的方向和埋深、管线弧形段铺设距离长、并且可使管线绕过地下的障碍物、施工场地可以灵活调整、占地少、施工速度快、周期短、工程造价低。国内外很多非开挖钻进铺管工程都是用此方法进行施工其基本原理是：钻机事先安装在入土点的一侧,从入土点开始沿着设计好的线路,按照预先设定的地下穿越铺管轨迹钻导向孔,并形成一条从入土点到出土点的穿越曲线,作为预扩孔和回拖管道管线的引导曲线,然后在导向孔出口端的钻杆前端安装不同直径的扩孔器再进行回拉扩孔,当扩孔达到预先设计的尺寸要求后,在扩孔器的后端连接旋转接头、拉管头和管线,回拉铺设地下管线。但在水平定向钻进施工过程中却会遇到一些比较难解决的问题,其中冒浆就是主要的常见难题之一。尤其是在大口径、长距离的非开挖水平定向钻进铺管工程中,地面冒浆一直是一个很突出又很难解决的问题。地面冒浆大多发生在导向孔钻进过程中,地面发生冒浆、孔口不返浆会导致孔内钻渣无法排出、钻进进尺困难,影响施工进度,严重的还会导致整个非开挖水平定向钻进工程无法进行,同时还会严重污染环境,给施工方造成很大的经济损失,所以防冒浆成为非开挖水平定向钻进施工的一个十分重要问题,由于导致地层冒浆的因素有很多(包括钻遇地层条件、现场施工参数、钻井液配方等),情况也十分复杂,目前在国内外还没有形成一个系统的、有效的防冒浆技术体系,因此,研究出一套有效的防冒浆技术体系具有十分重要的意义。本文利用高等土力学、弹塑性力学、流体力学等理论知识,对水平定向钻防冒浆技术开展了较为深入的研究,并通过室内实验和实际工程对所得的该技术进行了验证。本文一共分为七章：第一章介绍国内外对防冒浆技术的研究现状,深入认识前人已做的研究工作和所得成果,从前人研究成果基础上对防冒浆技术开展新的研究。第二章首先介绍了不同钻遇地层的冒浆破坏机理,根据土力学,断裂力学和流体力学理论重点分析了粘性密闭地层、渗漏地层和裂隙地层的冒浆破坏机理。接着自行设计和加工了地层冒浆模拟实验仪,并进行冒浆模拟实验,得出不同土体、不同厚度对应的冒浆压力,通过冒浆模拟实验,可以更直观地观察各种不同的土层的冒浆过程。通过以上的地层冒浆破坏机理分析和冒浆模拟实验,为建立地层冒浆临界压力计算模型打下基础。第叁章首先介绍了钻井液在水平定向钻进铺管工程中的重要性,并对钻井液的流变性、流体和流型进行了简单阐述。接着在前人研究成果的基础上,建立钻井液压力计算模型,推导出几种不同流型钻井液压力的计算公式,然后对建立的钻井液压力计算模型进行了部分修正,提出了扩孔分流新模型,并初步研究了钻屑对钻井液压力的影响。通过室内试验和实际工程对以上模型进行了初步验证,提出了模型的不足之处以及需要改进的地方。运用高等土力学,弹塑性力学等理论知识,通过数学解析方法建立地层冒浆临界压力计算模型,并用工程实测数据对模型进行验证。最后,结合钻井液压力计算模型和地层冒浆临界压力计算模型,形成地层冒浆预判技术,并通过现场工程对该技术进行验证。第四章首先对防冒浆钻井液的作用机理进行了分析,接着通过室内试验对多种钻井液配方进行了高剪稀释实验,得到加入不同处理剂的钻井液对应的流变曲线和性能参数。接着又进行了堵漏钻井液配方的优选,通过室内实验,优选出堵漏钻井液配方。最后,以高剪稀释为主要性能指标,同时兼有强降滤失、强抑制性、强润滑、有效排渣等性能,优选出一套针对不同钻遇地层防冒浆钻井液配方体系。第五章是防冒浆技术的优化设计,包括穿越曲线优化设计、钻进孔径级配优化设计和施工参数优化设计,从这叁方面进行优化,为防止施工时地面冒浆提供有利条件。第一对穿越曲线优化设计,主要从地层的选择、导向孔轨迹参数优化(包括入土角、出土角、钻孔深度和穿越曲线长度的优化)。第二,根据对各种施工经验的总结,提出了合理扩孔级数和终孔直径的确定方法。并通过建立数学模型,提出了全新的扩孔直径级配设计的优化方法,即利用等扭矩原理的扩孔级配优化设计方法,通过工程实例的验证,也初步验证了本文提出的扩孔级配优化模型的合理性。第叁,在考虑不同钻屑含量影响下,建立了泵量与钻速相匹配的计算模型,计算出施工时的最优泵量与钻速,优化施工参数,减少环空泥浆压力,防止地层冒浆,最后通过现场工程对该计算模型进行了验证。第六章是防冒浆钻井液技术的现场应用,通过把防冒浆钻井液配方应用到两个穿越工程现场中,都取得了很好的效果。通过施工现场的验证,该防冒浆钻井液技术能有效减少钻孔环空泥浆压力,并有效防止地层发生冒浆,保证了工程的顺利进行和完成。第七章是对全文的结论与创新点进行了概括,并提出论文的不足之处和进一步研究思路。本文所得到的一些成果如下：1.分析得到不同钻遇地层的冒浆破坏机理。2.建立钻杆内和钻孔环空钻井液压力计算模型。3.建立地层冒浆临界压力计算模型。4.结合钻孔环空钻井液压力计算模型和地层冒浆临界压力计算模型,得出穿越铺管地层冒浆预判技术。5.通过大量的室内实验,优选出适合不同钻遇地层特点的水平定向钻进防冒浆钻井液配方若干套。6.通过室内试验优选出堵漏钻井液配方。7.推导出扩孔孔径级配设计计算模型。8.推导出泥浆泵泵量与钻速相匹配的计算模型。9.以Visual C++为软件平台,结合以上结论和研究成果,开发出一套水平定向钻进防冒浆设计计算软件。本文的创新之处体现在以下几个方面：1.结合钻孔环空钻井液压力计算模型和地层冒浆临界压力计算模型,得出地层冒浆预判技术。2.考虑钻屑含量的影响,推导出水平定向钻进施工时泥浆泵泵量与钻速相匹配的计算公式。3.通过针对性的室内实验,优选出适合不同钻遇地层特点的水平定向钻进钻井液配方若干套。
王建钧[7]2008年在《水平定向钻孔应力—应变及失稳机理研究》文中研究表明本论文从分析深埋水平定向钻孔围岩的应力-应变规律入手,将钻孔围岩分别看做理想弹性体、伯格斯线性粘弹性体及理想弹塑性体来推导其应力-应变及位移的解析解,根据解析解分析钻孔应力-应变及位移的规律,并取水平定向钻进铺管工程常见土层的物理力学参数对钻孔应力-应变及位移进行了计算和分析；系统地研究了影响钻孔稳定性的地质方面和工程方面的各种主要因素,分析了钻孔孔壁稳定条件及钻孔的失稳机理,得出钻孔钻进液最优压力计算公式,给出了比较实用的几种钻孔稳定措施；通过有限差分软件FLAC-2D的数值模拟,对浅埋钻孔与深埋钻孔在孔内钻进液压力为水压力时和钻进液压力为泥浆压力时的钻孔的孔壁孔壁位移、钻孔地表的沉降位移、钻孔围岩的主应力差、钻孔围岩的最大剪应变及钻孔围岩的弹塑性区域的分布等做了分析,将数值模拟解与解析解进行了对比,分析了岩土的抗剪强度指标粘聚力与内摩擦角对钻孔稳定性的影响规律。通过研究分析,本论文主要有以下结论：(1)影响水平定向钻孔的稳定性因素主要有地层压力、钻孔围岩性质、地面动荷载、土中水的活动情况、钻孔的直径、钻孔的埋置深度、钻孔的长度、钻具在孔中的进退、孔内的冲蚀与振动、钻进液的密度、钻进液的粘性、钻进液的滤失性和配伍性及成孔时间等；钻孔围岩变形和破坏主要有塑性挤出、膨胀内鼓、塑流涌出和重力坍塌等不同类型。(2)不管将钻孔围岩看做理想粘性体、线性粘弹性体还是理想弹塑性体,不管钻孔处于浅埋状态还是深埋状态,钻孔的直径越大,钻孔的径向位移越大,缩径率越大,钻孔内的钻进液压力越大,钻孔的径向位移越小,缩径率越小；水平定向钻进铺管工程必须考虑钻孔围岩的蠕变性质,钻孔裸孔的时间越长,钻孔的径向位移就越大,缩径率就越大；合理的配置钻进液密度,可使钻孔孔壁的径向位移达到最小值,钻孔不会出现缩径现象。(3)钻孔周围土体的主应力差值及最大剪应变值在土体距离孔壁越近时,主应力差值与最大剪应变值越大。当钻孔围岩为理想弹塑性体时,钻孔的塑性半径侧向大于竖向,钻孔剪切破坏先从侧壁开始。(4)钻孔的径向位移、主应力差值、最大剪应变等随围岩的抗剪强度指标粘聚力C及内摩擦角φ的提高而减小,并且同等条件下,岩土的内摩擦角φ对其的影响较粘聚力C的影响更大。
刘强[8]2009年在《岩层水平定向钻进铺管施工工艺的试验研究》文中指出岩层水平定向钻进铺管技术是目前水平定向钻进铺管施工技术的热点和难题,是衡量一个国家水平定向钻进铺管领域技术水准的最重要的因素之一,国内对岩层水平定向钻进铺管的施工工艺研究较少。我国地域辽阔,不少区域的地层是由岩石构成的,因此,对岩层水平定向钻进铺管施工工艺进行研究显得尤为迫切和必要。本文针对岩层导向孔施工效率低和大口径扩孔中排渣难的问题,进行了系统的研究,取得了以下几方面的研究成果:1、首次在国内对岩层水平钻进铺管施工工艺进行了全面、系统的研究。对岩层水平定向钻进铺管施工中各个阶段的关键技术进行了较为深入的理论研究,并成功有效地指导了实际施工,形成了一整套基本成熟的岩层水平定向钻进铺管施工工艺。2、首次在国内对岩层水平定向钻进空气潜孔锤导向孔施工工艺进行了研究,并成功实施完成了全国首例空气潜孔锤导向孔施工。在实际导向孔施工中,取得了12米/小时的钻进时效,高出孔底螺杆马达和双层钻具系统的钻进时效5～10倍,对提高岩层水平定向钻进铺管的施工效率、降低施工成本有着非常重要的意义。3、采用多重减震措施和实时注水降温技术确保了孔底导向仪器的正常工作。针对空气潜孔锤导向孔施工时孔底恶劣的工作环境,采用多重减震措施使仪器在孔底强烈的震动中仍能正常工作;同时采用不停钻、实时注水降温技术在钻进过程中向钻具内部注入冷却水,使孔底仪器的环境温度保持在许可的范围内。4、首次在世界定向钻进铺管施工领域提出“反循环清渣工艺”,并进行了深入的理论研究。在实际工程中,定向铺管钻进系统和反循环清渣系统的结合,取得了非常理想的效果。反循环清渣工艺的排渣效率较常规的正循环清渣工艺高出数倍,大幅度地提高了施工效率,降低了施工成本,它的应用在定向钻进铺管施工领域具有划时代的意义。
周从明[9]2004年在《非开挖水平定向钻进轨迹最优化研究及软件设计》文中研究表明在非开挖工程中，水平定向钻进技术广泛应用于城市地下管线铺设工程。轨迹设计是水平定向钻进施工的关键，最优的钻孔轨迹不仅能降低施工难度，加快进度，并且使工程造价最低。 本论文应用现代计算机技术和最优化理论对水平定向钻进轨迹最优化设计进行了深入系统的研究。借鉴国内外已有的研究成果，提出了以钻进台时为优化指标，把轨迹设计全过程按每绕过一个障碍物为一个阶段进行划分，合理选取各个阶段的状态点，建立了动态规划轨迹设计最优化模型；对相邻阶段每两个状态点之间的轨迹进行局部优化设计，推导出两状态点之间轨迹的局部最优化函数；通过坐标变换，简化了叁维空间轨迹设计问题；最后给出模型的求解思路，并通过工程实例，对该模型进行了运用。 根据非开挖工程实际需要，对轨迹设计最优化模型进行适当的改动，利用Visual C++作为软件开发工具，设计出一套水平定向钻进软件(HDD Software)。该软件实现了水平定向钻进施工图设计、竣工图处理、施工记录表填写、轨迹查询等功能，集设计、优化、出图于一体，具有模块性好、计算速度快、用户界面友好、操作方便简捷、容错能力强等优点。 实践证明，HDD软件能很好的满足现代非开挖水平定向钻进工程的要求，具有很好的推广前景。
钮洪亮[10]2008年在《非开挖导向钻进轨迹叁维优化设计研究》文中提出非开挖技术是指利用各种岩土钻掘、导向测控等技术手段,在地表不开挖或少开挖的条件下行铺设、更换或修复各种地下管线的施工新技术,国外称TT(Trenchless Technology)或No-Dig,是近年来发展起来的一项高新技术,是钻探工程的一项重要的技术延伸。随着城市地下管线日趋复杂及对环保的提倡,非开挖导向钻进铺管技术在城市地下管线铺设工程中也显得越来越重要,同时对导向钻孔轨迹的设计和施工要求也越来越高。精确地控制钻孔轨迹,确保避开原有地下管线及障碍物,按设计路线准确、顺利地铺管是导向钻进铺管技术的关键。因此,导向孔轨迹设计既是导向孔钻进施工的依据,又是施工质量检验的标准。导向孔轨迹设计方案是否可行、合理、优化不仅直接关系到导向钻进施工的难易程度、工程成本、乃至工程的成败,而且是合理有效配置地下土地资源的有力保障。目前,导向孔轨迹设计多数采用垂直平面内“斜直线—曲线—水平直线—曲线—斜直线”或从其简化演变的钻孔轨迹形式,没有提供在地下原有障碍物分布较复杂情况下钻孔轨迹为空间曲线形式的合理设计方法。而且,对弯曲段曲率半径的确定不够合理和准确,基本上是以钻杆、管线极限弯曲强度等限制条件来确定的,没有考虑施工区域岩土性质对造斜弯曲的影响,致使设计轨迹的合理性和可操作性差。针对存在的问题,本文主要从以下方面对非开挖导向钻进轨迹的叁维优化设计进行了研究和探讨:(1)导向强度解析计算与室内模拟试验分析在不考虑水射流冲刷软化效应和钻具自重影响的前提下,对顶进过程中的导向钻头进行了详细的受力分析,得出了钻孔发生变向弯曲的本质机理:在钻孔弯曲曲率较小时,斜掌面以下的土体由于承受较大的压力而发生局部剪切破坏,土体被强迫快速挤压到钻头体底侧,冲剪出大部分的钻孔空间。由于斜掌面作用力垂直分力的存在,钻头体顶侧的土体将发生压缩变形,形成钻孔空间的剩余部分。因此,导向强度的大小主要由钻头体顶侧土体与斜掌面下方土体变形量的权重决定。在此分析结论的前提下,建立了与岩土性质相关的求解导向强度基本方程:F_z·L_b=M_r(G_s)+F_t(G_s)·l_t(G_s)由于岩土材料的特殊性,且现存的本构关系也不能放映真实土的特性,所以准确地确定斜掌面作用力和钻头体顶侧的等效合力并非容易。文中根据材料力学及土力学中较成熟的极限承载力理论和圆孔扩张理论,经过合理地简化,建立了一般情况下的导向强度解析计算公式,考虑的影响因素包括:钻杆的外径D_r、内径d_r和弹性模量E_r;导向钻头体直径D_b、长度L_b、斜掌面倾斜角度α和斜掌面尺寸(宽度和长度);土的重度)γ、黏聚力c、内摩擦角φ、弹性模量E_s、泊松比μ、导向钻头上方所有土层的加权平均重度γ_0和导向钻头的当前埋深D。大量的试算结果表明,利用此模型计算出的导向强度值与实际经验值很接近,各因素对导向强度的影响与实际较吻合。同时,为了进一步研究和校验所建立的导向强度计算模型,自行设计了一套与理论分析条件吻合的导向强度室内模拟试验装置。通过多次模拟试验,定量分析了钻具特性和岩土性质对导向强度的影响关系。试验结果证实了本文所提出的导向强度分析方法和求解思路是正确的。(2)导向孔轨迹叁维优化设计理论研究导向强度是进行导向孔轨迹设计的关键参数,它决定了钻孔弯曲的剧烈程度,其不仅取决于造斜工具的造斜能力,而且与土层的造斜能力密切相关。此外,导向强度的确定还必须结合钻杆安全工作的极限弯曲程度、拟铺设管线的工作要求等限制条件。结合工程实际情况,提出了导向强度设计值G_(sd)的确定方法:G_(sd)=G_s≤min([i_(rs)],[i_(ps)],[i_(cp)],…)并对钻杆安全工作的钻孔极限弯曲强度i_(rs)、管道安全工作的钻孔极限弯曲强度i_(ps)和检验仪器等刚性柱体顺利通过管道的钻孔极限弯曲强度i_(cp)的计算方法进行简要介绍。在确定合理的导向强度设计值G_(sd)的基础上,提出导向孔轨迹叁维模拟设计理论和控制点法智能设计理论。研究并建立了保直钻进段轨迹计算模型、顶进造斜段轨迹计算模型和复杂条件下复杂轨迹形式的控制点法智能优化设计理论与计算模型。(3)导向孔轨迹叁维可视化设计软件的开发以导向强度理论和轨迹优化设计理论为基础,采用Visual C++软件开发平台,运用OpenGL叁维图形库开发了具有国际先进水平的“水平钻进导向孔轨迹叁维模拟及辅助设计系统”软件。软件实现了地形、地貌、地表建筑物、地层分布、原有地下管线及障碍物、工作坑、钻孔轨迹的叁维可视化,按照具体的工程条件建立全叁维量化施工模型;能够结合岩土性质、原有地下管线分布、机械设备特性等施工条件进行导向孔轨迹模拟控制仿真设计和智能优化设计,并且在设计轨迹过程中程序能够自动进行导向强度的计算与更正,同时提供设计轨迹相应的施工指导方案。该系统具有形象逼真的叁维可视化视图和二维量化视图模式,能够多角度、全方位进行观测、设计和控制;具有功能强大的EXCEL、AutoCAD文件自动识别与数据导入,详细设计数据、设计轨迹图、竣工轨迹图打印输出等功能。计算机及可视化技术在导向钻进轨迹设计上的合理运用,不仅让轨迹设计更直观、快捷、合理,为非开挖导向孔轨迹的优化设计提供了全新的设计理念和操作平台,而且对非开挖铺管工程的规划、施工、管理、验收、资料存储等环节都具有一定的科学意义。
参考文献：
[1]. 城市地下管道非开挖技术的岩土力学研究[D]. 孙瑞锋. 重庆大学. 2005
[2]. 定/导向钻进施工中的地下管线损伤预防措施及技术研究[D]. 冯兴法. 中南大学. 2008
[3]. 岩层中定向钻进非开挖铺设地下管线的研究及应用[D]. 陈中浙. 中国地质大学（北京）. 2009
[4]. 非开挖水平定向钻进铺管施工技术及工程应用研究[D]. 刘军. 西安建筑科技大学. 2004
[5]. 典型河相地层条件下非开挖定（导）向钻进施工技术研究[D]. 朱晓赟. 中南大学. 2007
[6]. 水平定向钻进铺管防冒浆技术研究[D]. 刘远亮. 中国地质大学. 2010
[7]. 水平定向钻孔应力—应变及失稳机理研究[D]. 王建钧. 昆明理工大学. 2008
[8]. 岩层水平定向钻进铺管施工工艺的试验研究[D]. 刘强. 中国地质大学（北京）. 2009
[9]. 非开挖水平定向钻进轨迹最优化研究及软件设计[D]. 周从明. 成都理工大学. 2004
[10]. 非开挖导向钻进轨迹叁维优化设计研究[D]. 钮洪亮. 中国地质大学. 2008