中國非開挖水平定向鉆進裝備與技術研究應用進展

孫平賀，劉偉勝，楊涵涵，韋幫第，夏余宏燁

中南大學地球科學與信息物理學院，長沙 410083

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

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

1 HDD 裝備技術

非開挖水平定向鉆進裝備主要由鉆機、鉆具、鉆頭、泥漿循環(huán)設備和附屬設備組成.HDD鉆機的基本功能是實現(xiàn)導向給進、回轉和擴孔回拉、回轉及待敷設生命線的長距離回拉，同時為軌跡的角度調整提供載體.鉆具主要包括鉆桿、螺桿鉆具、分動器等，實現(xiàn)力和扭矩的有效傳遞.鉆頭包括導向鉆頭和擴孔鉆頭，根據地層特征一般采用硬質合金、PDC等形式.泥漿循環(huán)設備包括泥漿泵、固控設備、管路、泥漿罐等，實現(xiàn)HDD鉆進過程中的排屑、潤滑、護壁等功能[4].

1.1 HDD 鉆機

國內HDD 自主研發(fā)起步較晚[5?6]，20世紀90年代中期先后研發(fā)了回拖力在50 t以下的系列鉆機，這類整機性能較差，適應范圍小，且鉆機自動化程度不高.盡管采用了液壓控制技術，但主要以電機作為動力源，無法滿足野外作業(yè)需要，且功能較少.2000年之后[7?8]，國內先后研發(fā)了大噸位鉆機，并采用了全負載敏感控制技術，橡膠履帶行走底盤，柴油機作為動力源，可根據實際工程需要采用集成和分體2種方式進行組裝，鉆機的自動化程度有所提高，也改變了200 t級以上的鉆機依賴進口的局面.目前世界上回拖力最大是中國設計制造的2000 t分體式電驅動HDD鉆機[9]，鉆機由動力站、動力頭、給進機構、夾持器、鉆架、地錨、操縱臺、機械手和泥漿泵等部分組成，如圖1.采用與電網連接的電源系統(tǒng)取代柴油機做動力源，驅動鉆機運行，可有效減少噪音和污染，也可減少化石能源的消耗，簡化了機械傳動結構，提高了傳動效率，并且易于實現(xiàn)自動控制[10].

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

HDD鉆機向大型化發(fā)展的同時，自動化、智能化、信息化也成為研究與應用的重點.工況參數檢測平臺依托LabVIEW虛擬儀器程序，通過USB數據采集卡、串口和6個傳感器, 分別回轉壓力、給進力、泥漿壓力、轉速、鉆速和泥漿流量進行動態(tài)測量，達到實時檢測、實時顯示、超限報警和數據保存與回放的功能[11].在此基礎上，可編程序控制器（Programmable logic controller，PLC）智能控制技術可實現(xiàn)操作者在位保護、上下車功能互鎖、邏輯功能互鎖、防誤操作保護等智能判斷，根據參數判斷結果保證HDD鉆機在極限情況下能夠自動停止并報警.通過在鉆機安裝無線接收控制器電路，并應用物聯(lián)網技術可實現(xiàn)HDD鉆機遠程控制[12].無線操控器通過按鈕開關輸入開關量控制信號，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換成對應的數字量信號.無線接收控制器收到開關量信號和數字量信號后，將數字信號還原成模擬信號，用開關量信號和模擬信號控制車載設備實現(xiàn)自動控制功能.基于Web的遠程監(jiān)控系統(tǒng)亦可實現(xiàn)遠程控制，該系統(tǒng)由信息采集終端和服務器端軟件組成，以8位單片機為主控芯片的信息采集終端對鉆機運行參數進行采集，并實時發(fā)送、控制鉆機.服務器端通過Java串口通信技術將接收到的鉆機數據進行處理并存儲至MySQL數據庫，動態(tài)發(fā)布鉆機參數，實現(xiàn)對HDD鉆機的有效監(jiān)控和系統(tǒng)性管理[13].

1.2 HDD 鉆具

HDD鉆具實際受力復雜，通過軌跡形式、鉆具組合、力學參數和工藝參數，可分別建立導向、擴孔和回拖3種工況下鉆具的力學分析模型，并可據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據統(tǒng)計分析結果，可建立鉆具的靜力學模型和動力學模型.依據疲勞壽命的理論與試驗研究結果，可獲取鉆桿在拉伸、扭轉和拉扭復合載荷下的疲勞壽命公式和斷口微觀形貌特征，揭示鉆桿失效機理.擴孔鉆具的運動姿態(tài)對軌跡影響較為明顯，將擴孔鉆具組合等效為質量均勻分布的剛體，且不考慮擴孔鉆具組合的偏心及內外阻尼的影響，可采用轉子—軸承系統(tǒng)動力學理論推導擴孔鉆具組合三維小撓度運動微分方程，模型可有效模擬擴孔鉆具的運動狀態(tài)[14].

在理論和實驗分析的基礎上，將多個電動機分為兩組進行動力集成，兩組電機同時旋轉反向驅動一級傳動模塊和二級傳動模塊，帶動兩級鉆頭同時反向旋轉鉆進，并通過調節(jié)轉速和鉆壓實現(xiàn)扭矩平衡擴孔，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，設計研發(fā)了大扭矩組合螺桿鉆具[15].該鉆具由公共分流接頭、獨立螺桿鉆具、潤滑系統(tǒng)、捆綁式扶正器、組合傳動系統(tǒng)和油密封傳動軸系統(tǒng)組成.各個螺桿鉆具并聯(lián)布設，通過四邊形機構實現(xiàn)扭矩合成和運動傳遞.

鉆具在地下空間位置信息獲取通常采用以地球磁場方向為基準的磁通門磁強計和以地球重力方向為基準的擺式傾角傳感器來進行，在外界電磁影響下，這種方法精度不高.采用3軸微加速度計和3軸磁阻傳感器作為姿態(tài)敏感器件，實時獲取定向鉆進中鉆具的方位角、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，非常適合淺層地下定向鉆進測量[16].

1.3 HDD 推管機

推管機主要應用在長距離HDD工程中，是一種生命線助力設備，如圖2.工程中一般采用夾持裝置固定管線，借助推進油缸或機械力使被固定的管線沿著回拖方向軸線運動.推管機一般安裝在入土點，具有助力穩(wěn)定、速度可控、推力大等優(yōu)點，保障生命線回拉順利完成.

圖2 推管機結構Fig.2 Structure of the pipe pusher

推管機的推力一般由推拉油缸提供，通過抱緊管道的4個夾片進行力的傳遞，夾片夾緊與釋放通過夾片底部的夾持油缸實現(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，該厚度可補償鋼管的焊道及管道補口導致的受力不均衡.同時該橡膠涂層開槽用于排水及排渣，保障提供足夠的摩擦力.當油缸承受縮缸負載時，推管機處于推模式；當油缸承受伸缸負載時，推管機則處于拉模式工作狀態(tài)[18].

2 HDD 技術

2.1 電磁感應法探測技術

電磁感應法利用探測目標生命線同周圍地層介質之間的電性差異和磁性差異，采用交流電進行激發(fā)，通過分析感應電流產生的二次磁場及其分布規(guī)律，進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[20]，通過對感應電磁場進行數理研究和技術模擬，總結出從1～21 m不等深度、電流狀況下，磁場強度分量Hx、垂直分量Hz及強度分量變量?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合的方式，根據交流磁場信號、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，有效識別深埋空間位置.

同時，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.有效提高待測生命線中的電流強度，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，干擾程度也最為強烈.特別是平行生命線間距小于1倍埋深時，采用傳統(tǒng)的單根管線特征點難以有效獲取管線深度，可利用正演擬合曲線精準確定埋深.對于近距離多條生命線并行探測[23]，可依據完整磁場特征參數，通過單線圈接收的磁場水平分量數據反演分析，構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，實現(xiàn)淺部生命線工程的動態(tài)精準探查[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行共享.美國“811”一呼通體系是2005年由聯(lián)邦通信委員會授權設立的N-11系列編號之一，其目的是為開挖施工提供作業(yè)區(qū)域內地下管線信息，以保證施工過程安全.近些年國內借鑒美國811“一呼通”系統(tǒng)，初步完成了地下生命線工程的信息化構架.

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

針對傳統(tǒng)AutoCAD設計時，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）技術的信息模型集成數字化信息，仿真模擬地下生命線工程所具有的真實信息，實現(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，高精度自動三維建模具有重要意義，其思路是利用二維普查數據，依據各類生命線點和線段的特點，采用不同方式，通過空間、屬性和材質信息映射，實時驅動生成三維模型，如圖3.其建模方法是針對形態(tài)規(guī)則且結構單一的管線段，通過二維管線段的定位、管徑和材質信息映射，利用OpenGL實時繪制三維管線段.在此基礎上，通過二維數據庫更新信息的提取，主動在三維系統(tǒng)中進行單體生命線模型及其附屬設施的重建，自動建模工具也會同步更新其拓撲關系，精細化地建立管段和拓撲連接關系驅動的管點三維實體模型，實現(xiàn)三維模型的局部高效更新.同時，融合GIS、物聯(lián)網、大數據挖掘等技術，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[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 雙向對穿 HDD 技術

為了解決長距離HDD導向鉆壓不足、鉆進效率低的問題，國內于2006年首次應用雙向對穿HDD技術完成2454.15 m的錢塘江底部地下生命線工程敷設.對穿技術采用主鉆機+輔助鉆機同步導向鉆進，當輔助導向鉆頭進入對接區(qū)時，通過近鉆頭短節(jié)內的軸向磁鐵，引導主鉆導向鉆頭頂進.當主鉆頭接近軸向磁鐵時，利用軸向磁鐵產生的磁場測量兩個導向孔圓周偏差，并動態(tài)調整鉆頭姿態(tài)使偏差縮小直至平緩進入輔助鉆機導向孔，并在軸向磁鐵引導下，沿著輔助導向孔推進直至到達輔助鉆機的入土點，完成整個導向孔的對接[31].

雙向對穿HDD技術的關鍵是近鉆頭人工磁場信號的傳輸與控制.依托泥漿螺桿馬達帶動磁鋼旋轉發(fā)出磁場信號，形成旋轉磁場對導向曲線、探棒姿態(tài)、相對空間位置進行識別，其精確度可達厘米級[32].信號接收端的探棒可根據磁場信號對圓周偏差進行實時計算，從而實現(xiàn)雙向對穿，其有效感應距離可達100 m.此外，綜合運用雙向對穿+推管技術，如圖4，可有效解決在鉆遇高硬塑性粉質黏土時的卡、抱鉆及生命線回拖遇卡管等難題[33?34].

圖4 雙向對穿技術示意圖.（a）電磁導向；（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、3σ準則（σ為標準差）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，通過建立基于地面磁信標的參考坐標系和基于鉆具的載體坐標系，利用捷聯(lián)在鉆具中的測量陣列測量地面磁信標的磁場分量和磁場梯度張量計算鉆頭的位置坐標，且具有較強的抗干擾能力[35].針對磁強計內在測量誤差和外在環(huán)境誤差，提出在鉆進現(xiàn)場采用基于擬牛頓法（BFGS算法）總誤差參數估計的磁強計誤差補償方法.為了減少外界磁場的干擾，采用加速度計和3軸磁阻傳感器的測量值，實現(xiàn)對導向鉆頭傾角、方位角和工具面向角的測量.結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度分量，實現(xiàn)兩側導向鉆具的準確對接[36].

2.4 大口徑 HDD 技術

大口徑HDD工程施工難度大，存在回拖力不足，孔壁失穩(wěn)和鉆具失效等風險，對鉆機能力、泥漿工藝和鉆具強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，可有效減小回拖載荷.為進一步減少回拖阻力，根據泥漿黏度與泥漿配方、泥漿密度之間的對應關系推導管道回拖階段泥漿泵量與回拖速率之間的函數關系式，并從潤滑減阻的角度進行分析，合理設置泥漿工藝參數和管道回拖參數[37].

大口徑管道受場地范圍和預制長度的限制，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鉆進過程中孔壁應力分布規(guī)律，確定施工過程中不同時段的泥漿工藝參數，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據庫[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分析，提出了不同長度管道適用的入土角度和吊點間距建議值[40].

2.5 HDD 回拖力計算模型

HDD回拖力是指在生命線回拉階段管線在鉆孔內承受的各種阻力之和，一般是隨著回拖進程不斷增加.回拖力大小直接影響鉆進設備的選取和生命線力學參數的校核，是HDD工程設計的關鍵參數之一，國內常用的計算模型有卸荷拱土壓力估算法、凈浮力計算法、油氣鋼管道穿越計算法、給排水管線計算法等[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，忽略泥漿對管線的浮力作用.在鉆遇到復雜地層中，如沙卵石層，由于地層內聚力較小，地層對管道的壓力是無法忽略的[42].該模型的計算值一般小于實測值，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鉆遇地層天然卸荷拱的高度進行計算.凈浮力計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.油氣鋼管道穿越計算法在計算時僅考慮了管壁摩擦阻力和泥漿阻力，忽略了絞盤效應、彎曲效應和管線與地面的靜摩擦力，在實際使用中可利用安全系數使計算值擴大1.5～3倍，該模型一般應用在以摩擦力為主的地層中.給排水管線計算法獲取的計算值比實測值偏大，計算參數中考慮了HDD擴孔鉆頭的端面阻力，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，其物理力學屬性也發(fā)生較大變化，這對回拖力計算產生較大影響.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算模型[43].該模型認為在管線曲率較大的情況下，可采用凈浮力法對回拖力進行計算；在管線曲率半徑較小、管線比重較大情況下，采用絞盤計算法計算回拖阻力.泥漿在生命線回拖過程中會形成一定的阻力，基于泥漿阻力的計算模型進一步細化了回拖力的大小[44].

2.6 地表變形與冒漿

HDD鉆遇地層主要以黏土、粉土、砂層和淤泥質土等軟弱層為主，土體壓力小、體積質量低、孔隙大.在泥漿循環(huán)作用下形成多相多場條件，多相介質包含了土顆粒、泥漿中的高分子聚合物、自由移動水和鹽離子等，具有復雜的多尺度結構.多場作用包括了應力場、滲流場和化學場等，宏觀上表現(xiàn)出泥餅厚而疏松，即使在低泥漿壓力工況下，孔內泥漿仍然易侵入周圍軟弱地層，導致地表變形或冒漿.采用ABAQUS有限元軟件，結合工程實例，對不同孔徑，不同鋪設深度鉆孔周圍土體變形進行數值模擬，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、漏失地層等復雜地質體，可通過泥漿配方體系的調整實現(xiàn)防冒漿.通過對泥漿壓力和鉆遇地層相關力學、滲流的計算研究，設計開發(fā)了冒漿自動判別預警系統(tǒng)，如圖5所示.系統(tǒng)依據輸入的入土點、出土點的坐標及角度、深度、終孔直徑等工藝參數、鉆遇地層類型、重度、孔隙比、黏聚力、內摩擦角、塑性指數等地質體信息、勘察鉆孔編號、直徑、深度、各層編號及厚度、壓力測試點編號、三維坐標值及泥漿流變參數，可自動生成鉆孔內各測點的泥漿壓力值，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，非接觸遠程測量被認為是比較可靠的方法.研究表明，曲面掃描建模技術可利用多幅變形區(qū)域的圖片信息，自動識別標識點并自行匹配，實現(xiàn)相對定向的自動化，提取變形點的幾何信息，確定其空間位置.同時對圖片表面紋理進行搜索，生成高密度三維點云.點云再經過進一步的去噪、平滑處理后，結合平面投影法對密集點云進行三角網格化計算處理，并將三角網格轉換成面，從而獲取變形區(qū)域的三維坐標.根據等效地層損失理論，采用源匯法則研究單位體積空隙引起的任意一點的總位移場與應力分布，并據此建立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 結論

本文結合中國HDD研究應用現(xiàn)狀，對HDD裝備技術、地下生命線工程的探測與信息化、雙向對穿HDD技術、大口徑HDD技術、HDD回拖力計算模型、地表變形與冒漿6個方面的進展做了分析研究.

（1）根據地下生命線的導電特性，電磁感應法被廣泛用于既有生命線的三維空間探測.多種探測技術的融合、復雜干擾下的數據解析、精度提高的數學挖掘將是未來研究重點.

（2）參考美國811“一呼通”系統(tǒng)，大區(qū)域范圍內完成地下生命線工程的信息化構架，是保障地下生命線安全運行，實現(xiàn)透明地下空間的關鍵途徑.

（3）在已有20000 kN世界上最大回拖力鉆機的基礎上，應針對我國區(qū)域地質條件和城市布局，研發(fā)模塊化、智能型、環(huán)保性的系列裝備，并實現(xiàn)自主風險預判與應急處置的功能集成.

（4）結合實際工程特點，建立室內大比例模型，能夠實現(xiàn)HDD導向、擴孔、回拖的全過程模擬，并針對各種風險工況，動態(tài)獲取地層物性、設備參數、工藝參數等數據，建立室內分析方法和數據解析模式.

（5）大跨度山體HDD勘察和羽狀分支取心技術研究將進一步拓展HDD的應用領域，實現(xiàn)地下工程的“靶向”精準識別.