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
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 127 用.在钻遇到复杂地层中，如沙卵石层，由于地层 息、勘察钻孔编号、直径、深度、各层编号及厚 内聚力较小，地层对管道的压力是无法忽略的四 度、压力测试点编号、三维坐标值及泥浆流变参 该模型的计算值一般小于实测值，在黏土、亚黏 数，可自动生成钻孔内各测点的泥浆压力值，形成 土、黄土、岩石层中较为适用.钻孔上方塌落土的 对比曲线 压力可根据钻遇地层天然卸荷拱的高度进行计 Menu toolba 算.净浮力计算法忽略了生命线周向土体的作用， 仅考虑了泥浆对管线的浮力作用和管线自重因 素.油气钢管道穿越计算法在计算时仅考虑了管 壁摩擦阻力和泥浆阻力，忽略了绞盘效应、弯曲效 应和管线与地面的静摩擦力，在实际使用中可利 用安全系数使计算值扩矿大1.5~3倍，该模型一般 击出出由出击品品品 是出共品品品 应用在以摩擦力为主的地层中.给排水管线计算 法获取的计算值比实测值偏大，计算参数中考虑 了HDD扩孔钻头的瑞面阻力，一般适用砂土层和 Cros Stratum Groundwater level 黏土层 随着生命线功用和类型的不断增加，其物理 图5地表变形监测系统 Fig.5 Surface deformation monitoring system 力学属性也发生较大变化，这对回拖力计算产生 较大影响.基于管线弯曲对回拖力的影响，提出了 针对地表变形的监测技术，非接触远程测量 适用于多管组合穿越的回拖力计算模型)该模 被认为是比较可靠的方法.研究表明，曲面扫描建 型认为在管线曲率较大的情况下，可采用净浮力 模技术可利用多幅变形区域的图片信息，自动识 法对回拖力进行计算；在管线曲率半径较小、管线 别标识点并自行匹配，实现相对定向的自动化，提 比重较大情况下，采用绞盘计算法计算回拖阻力 取变形点的几何信息，确定其空间位置.同时对图 泥浆在生命线回拖过程中会形成一定的阻力，基 片表面纹理进行搜索，生成高密度三维点云.点云 于泥浆阻力的计算模型进一步细化了回拖力的 再经过进一步的去噪、平滑处理后，结合平面投影 大小网 法对密集点云进行三角网格化计算处理，并将三 2.6地表变形与冒浆 角网格转换成面，从而获取变形区域的三维坐标. HDD钻遇地层主要以黏土、粉土、砂层和淤 根据等效地层损失理论，采用源汇法则研究单位 泥质土等软弱层为主，土体压力小、体积质量低、 体积空隙引起的任意一点的总位移场与应力分 孔隙大.在泥浆循环作用下形成多相多场条件，多 布，并据此建立HDD施工中的地层位移模型，获 相介质包含了土颗粒、泥浆中的高分子聚合物、 取了上覆地层各方向位移积分公式，采用MATLAB 自由移动水和盐离子等，具有复杂的多尺度结构 软件求解积分的数值解，获得了钻杆长度L、钻孔 多场作用包括了应力场、渗流场和化学场等，宏观 轴线深度h、钻头半径R和地层损失GPA对HDD 上表现出泥饼厚而疏松，即使在低泥浆压力工况 上覆地层变形的影响规律47 下，孔内泥浆仍然易侵入周围软弱地层，导致地表 3结论 变形或冒浆.采用ABAQUS有限元软件，结合工 程实例，对不同孔径，不同铺设深度钻孔周围土体 本文结合中国HDD研究应用现状，对DD 变形进行数值模拟，研究水平定向钻孔施工后孔 装备技术、地下生命线工程的探测与信息化、双 洞附近的土体变形规律5针对钻遇松散地层、 向对穿HDD技术、大口径HDD技术、HDD回拖 水敏地层、溶蚀地层、漏失地层等复杂地质体，可 力计算模型、地表变形与冒浆6个方面的进展做 通过泥浆配方体系的调整实现防冒浆.通过对泥 了分析研究 浆压力和钻遇地层相关力学、渗流的计算研究，设 (1)根据地下生命线的导电特性，电磁感应法 计开发了冒浆自动判别预警系统，如图5所示.系 被广泛用于既有生命线的三维空间探测.多种探 统依据输人的入土点、出土点的坐标及角度、深 测技术的融合、复杂干扰下的数据解析、精度提 度、终孔直径等工艺参数、钻遇地层类型、重度、 高的数学挖掘将是未来研究重点 孔隙比、黏聚力、内摩擦角、塑性指数等地质体信 (2)参考美国811“一呼通”系统，大区域范围
用. 在钻遇到复杂地层中，如沙卵石层，由于地层 内聚力较小，地层对管道的压力是无法忽略的[42] . 该模型的计算值一般小于实测值，在黏土、亚黏 土、黄土、岩石层中较为适用. 钻孔上方塌落土的 压力可根据钻遇地层天然卸荷拱的高度进行计 算. 净浮力计算法忽略了生命线周向土体的作用， 仅考虑了泥浆对管线的浮力作用和管线自重因 素. 油气钢管道穿越计算法在计算时仅考虑了管 壁摩擦阻力和泥浆阻力，忽略了绞盘效应、弯曲效 应和管线与地面的静摩擦力，在实际使用中可利 用安全系数使计算值扩大 1.5～3 倍，该模型一般 应用在以摩擦力为主的地层中. 给排水管线计算 法获取的计算值比实测值偏大，计算参数中考虑 了 HDD 扩孔钻头的端面阻力，一般适用砂土层和 黏土层. 随着生命线功用和类型的不断增加，其物理 力学属性也发生较大变化，这对回拖力计算产生 较大影响. 基于管线弯曲对回拖力的影响，提出了 适用于多管组合穿越的回拖力计算模型[43] . 该模 型认为在管线曲率较大的情况下，可采用净浮力 法对回拖力进行计算；在管线曲率半径较小、管线 比重较大情况下，采用绞盘计算法计算回拖阻力. 泥浆在生命线回拖过程中会形成一定的阻力，基 于泥浆阻力的计算模型进一步细化了回拖力的 大小[44] . 2.6 地表变形与冒浆 HDD 钻遇地层主要以黏土、粉土、砂层和淤 泥质土等软弱层为主，土体压力小、体积质量低、 孔隙大. 在泥浆循环作用下形成多相多场条件，多 相介质包含了土颗粒、泥浆中的高分子聚合物、 自由移动水和盐离子等，具有复杂的多尺度结构. 多场作用包括了应力场、渗流场和化学场等，宏观 上表现出泥饼厚而疏松，即使在低泥浆压力工况 下，孔内泥浆仍然易侵入周围软弱地层，导致地表 变形或冒浆. 采用 ABAQUS 有限元软件，结合工 程实例，对不同孔径，不同铺设深度钻孔周围土体 变形进行数值模拟，研究水平定向钻孔施工后孔 洞附近的土体变形规律[45−46] . 针对钻遇松散地层、 水敏地层、溶蚀地层、漏失地层等复杂地质体，可 通过泥浆配方体系的调整实现防冒浆. 通过对泥 浆压力和钻遇地层相关力学、渗流的计算研究，设 计开发了冒浆自动判别预警系统，如图 5 所示. 系 统依据输入的入土点、出土点的坐标及角度、深 度、终孔直径等工艺参数、钻遇地层类型、重度、 孔隙比、黏聚力、内摩擦角、塑性指数等地质体信 息、勘察钻孔编号、直径、深度、各层编号及厚 度、压力测试点编号、三维坐标值及泥浆流变参 数，可自动生成钻孔内各测点的泥浆压力值，形成 对比曲线. 0 m 103.00 m 177.00 m273.00 m 393.00 m 543.00 m623.00 m 723.00 m 808.90 m 973.00 m1043.00 m 3.52 3.17 2.82 2.45 2.11 1.76 1.41 1.05 0.70 0.35 0 压力/MPa 回拖环空压力曲线 极限抗压曲线 导向孔环空压力曲线 扩孔环空压力曲线 5.40 32.00 32.00 32.00 32.00 32.00 32.00 32.0032.00 32.00 32.00 32.00 32.00 32.00 34.0031.00 33.00 32.00 32.00 2 5.60 2 5.60 10 5.80 11 5.80 5.80 5.80 5.80 15 16 17 18 5.40 12 5.40 13 8.10 14 5.20 5 5.30 6 5.40 7 5.40 8 5.50 3 5.30 4 Exploration drilling Cross track Stratum Groundwater level Operation panel Pressure graph 图 5 地表变形监测系统 Fig.5 Surface deformation monitoring system 针对地表变形的监测技术，非接触远程测量 被认为是比较可靠的方法. 研究表明，曲面扫描建 模技术可利用多幅变形区域的图片信息，自动识 别标识点并自行匹配，实现相对定向的自动化，提 取变形点的几何信息，确定其空间位置. 同时对图 片表面纹理进行搜索，生成高密度三维点云. 点云 再经过进一步的去噪、平滑处理后，结合平面投影 法对密集点云进行三角网格化计算处理，并将三 角网格转换成面，从而获取变形区域的三维坐标. 根据等效地层损失理论，采用源汇法则研究单位 体积空隙引起的任意一点的总位移场与应力分 布，并据此建立 HDD 施工中的地层位移模型，获 取了上覆地层各方向位移积分公式，采用 MATLAB 软件求解积分的数值解，获得了钻杆长度 L、钻孔 轴线深度 h、钻头半径 R 和地层损失 GPA 对 HDD 上覆地层变形的影响规律[47] . 3 结论 本文结合中国 HDD 研究应用现状，对 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 个方面的进展做 了分析研究. （1）根据地下生命线的导电特性，电磁感应法 被广泛用于既有生命线的三维空间探测. 多种探 测技术的融合、复杂干扰下的数据解析、精度提 高的数学挖掘将是未来研究重点. （2）参考美国 811“一呼通”系统，大区域范围 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 · 127 ·
·128 工程科学学报，第44卷.第1期 内完成地下生命线工程的信息化构架，是保障 (徐工.第1000台下线、批量发车，徐工水平定向钻独树一帜.工 地下生命线安全运行，实现透明地下空间的关键 程机械文摘，2019(4)：15) 途径 [9]Li G Y,Li J,Cao Q.XCMG XZ260 horizontal directional drilling rig.Constr Mech,2010,31(6):35 (3)在已有20000kN世界上最大回拖力钻机 (李根营，李静，曹强.徐工XZ260水平定向钻机.建筑机械化 的基础上，应针对我国区域地质条件和城市布局， 2010,31(6):35) 研发模块化、智能型、环保性的系列装备，并实现 [10]Zhao D X.Yang L F,Li S Y,et al.State-of-the-art of no-dig 自主风险预判与应急处置的功能集成 directional drillers and their intelligent control.J Jilin Univ (4)结合实际工程特点，建立室内大比例模 Technol (Nat Sci Ed),2005,35(1):44 型，能够实现HDD导向、扩孔、回拖的全过程模 (赵丁选，杨力夫，李锁云，等.国内外非开挖定向钻机及其智能 控制技术.吉林大学学报工学版)，2005,35(1)：44) 拟，并针对各种风险工况，动态获取地层物性、设 [11]Shen J J,Wu X M,Wang P,et al.Design and implementation of 备参数、工艺参数等数据，建立室内分析方法和数 HDD rig condition Data Detector.Coal Geol Explor,2009,37(6): 据解析模式. 之 (5)大跨度山体HDD勘察和羽状分支取心技 (沈璟璟，乌效鸣，王鹏，等.非开挖铺管钻机工况参数检测仪的 术研究将进一步拓展HDD的应用领域，实现地下 设计与实现.煤田地质与勘探，2009,37(6)：77) 工程的“靶向”精准识别 [12]Xu S,Niu M,Lin P.Research on intelligent control of trenchless drilling rig.Explor Eng (Rock Soil Drill Tunneling),2019,46(12): 参考文献 56 (徐松，牛民，林培.非开挖钻机智能化控制研究.探矿工程（岩土 [1]Dou B,Jiang G S.Developyment situation and prospect of 钻据工程)，2019,46(12)：56) trenchledd technology in our country.Geol Explor Non Ferr Met, [13]Huang L,Wen G J,Zhang A D.Remote monitoring system based 2001(4):47 on web for trenchless drilling rig.Process Autom Instrum,2016, (窦斌，蒋国盛.我国非开挖施工技术的发展概况及差距.岩土 37(4):82 工程界，2001(4)：47) (黄雷，文国军，张奥东.基于Wb的非开挖钻机远程监控系统 [2]Ma F H.China's trenchless business in development//2006 自动化仪表，2016,37(4)：82) Trenchless Technology Conference Paper Album.Wuxi,2006:3 [14]He J B,Yu L,Zhang Y.Analysis of the three-dimensional small (马福海.发展中的中国非开挖事业∥2006非开挖技术会议论 deflection motion law of HDD reaming drill tool assembly / 文专辑.无锡.2006：3) Proceedings of 2012 Trenchless Technology Conference [3]Yan C W.Review and outlook of trenchless industry development Zhengzhou,2012:4 in 2018.Trenchless Technol,2019(2):1 (何计彬，余莉，张瑛.HDD扩孔钻具组合三维小挠度运动规律 (颜纯文.2018年非开挖行业发展回顾与展望.非开挖技术， 浅析∥2012年非开挖技术会议论文集.郑州，2012：4) 2019(2):1) [15]Zhang J,Liang Z,Han C J.Design of large torque combined PDM [4]Hua R.Design of main structures for trenchless oriented drilling for pipeline laying trenchless technology.China Petroleum Mach, machine.Explor Eng (Rock Soil Drill Tunneling),2009,36(8):11 2018.46(6):20 (花蓉.非开挖导向钻机中几种主要结构的设计.探矿工程（岩土 (张杰，梁政，韩传军.管道非开挖技术用大扭矩组合螺杆钻具 钻掘工程，2009,36(8)：11) 设计.石油机械，2018,46(6)：20) [5]Liu Y J.The development of FDP-30 guided boring machine. [16]Xiao S,Zheng Q B.Technical key points of underground pipeline Equip Geotech Eng,2002,3(1):12 detection.Bull Surv Mapp,2016(Suppl 1):92 (刘跃进.FDP.30型非开挖导向钻进铺管钻机.地质装备，2002， (肖顺，郑启炳.钻孔定位地下管线探测的技术要点.测绘通报 3(1):12) 2016(增刊1：92) [6]Zheng W,Deng H C,Pan S Z.Development of A trenchless [17]Ma C,Liu R F,Liu Y L.Design and experimental application of horrizontal boring rig.Explor Eng (Drill Tunneling),1997,24(6): pipe pusher.Mech Eng,2019(12):119 (马灿，刘任丰，刘艳利.推管机设计及试验应用.机械工程师 (郑午，邓洪超，潘淑璋.非开挖地下管线成孔机的研制.探矿工 2019(12):119) 程（岩土钻据工程），1997,24(6)：5) [18]Liu Y L,Zhang Y N,Zhang Q,et al.Key techniques research and [7]Lu M X.DH series piercing machine came out.Hydraul application of pipe push.Petroleum Eng Constr,2020,46(6):5 Pnenmatics Seals,1997,17(1):8 (刘艳利，张彦楠，张情，等.推管机关键技术研究及其应用工法 (陆敏恂.DH系列穿孔机问世.液压气动与密封，1997,17(1)：8) 石油工程建设，2020,46(6)：5) [8]Xu G.The 1000th unit rolled off the assembly line and started in [19]Dong B,Li J X,Li H P,et al.Specific application of batches.Constr Mach Dig,2019(4):15 electromagnetic induction method in underground pipeline
内完成地下生命线工程的信息化构架，是保障 地下生命线安全运行，实现透明地下空间的关键 途径. （3）在已有 20000 kN 世界上最大回拖力钻机 的基础上，应针对我国区域地质条件和城市布局， 研发模块化、智能型、环保性的系列装备，并实现 自主风险预判与应急处置的功能集成. （ 4）结合实际工程特点，建立室内大比例模 型，能够实现 HDD 导向、扩孔、回拖的全过程模 拟，并针对各种风险工况，动态获取地层物性、设 备参数、工艺参数等数据，建立室内分析方法和数 据解析模式. （5）大跨度山体 HDD 勘察和羽状分支取心技 术研究将进一步拓展 HDD 的应用领域，实现地下 工程的“靶向”精准识别. 参 考 文 献 Dou B, Jiang G S. Developyment situation and prospect of trenchledd technology in our country. Geol Explor Non Ferr Met, 2001（4）: 47 （窦斌, 蒋国盛. 我国非开挖施工技术的发展概况及差距. 岩土 工程界, 2001（4）：47） [1] Ma F H. China ’s trenchless business in development// 2006 Trenchless Technology Conference Paper Album. Wuxi, 2006: 3 （ 马福海. 发展中的中国非开挖事业 // 2006非开挖技术会议论 文专辑. 无锡, 2006: 3） [2] Yan C W. Review and outlook of trenchless industry development in 2018. Trenchless Technol, 2019（2）: 1 （颜纯文. 2018 年非开挖行业发展回顾与展望. 非开挖技术, 2019（2）：1） [3] Hua R. Design of main structures for trenchless oriented drilling machine. Explor Eng (Rock Soil Drill Tunneling), 2009, 36（8）: 11 （花蓉. 非开挖导向钻机中几种主要结构的设计. 探矿工程(岩土 钻掘工程), 2009, 36（8）：11） [4] Liu Y J. The development of FDP-30 guided boring machine. Equip Geotech Eng, 2002, 3（1）: 12 （刘跃进. FDP-30型非开挖导向钻进铺管钻机. 地质装备, 2002, 3（1）：12） [5] Zheng W, Deng H C, Pan S Z. Development of A trenchless horrizontal boring rig. Explor Eng (Drill Tunneling), 1997, 24（6）: 5 （郑午, 邓洪超, 潘淑璋. 非开挖地下管线成孔机的研制. 探矿工 程(岩土钻掘工程), 1997, 24（6）：5） [6] Lu M X. DH series piercing machine came out. Hydraul Pnenmatics Seals, 1997, 17（1）: 8 （陆敏恂. DH系列穿孔机问世. 液压气动与密封, 1997, 17（1）：8） [7] Xu G. The 1000th unit rolled off the assembly line and started in batches. Constr Mach Dig, 2019（4）: 15 [8] （徐工. 第1000台下线、批量发车, 徐工水平定向钻独树一帜. 工 程机械文摘, 2019（4）：15） Li G Y, Li J, Cao Q. XCMG XZ260 horizontal directional drilling rig. Constr Mech, 2010, 31（6）: 35 （李根营, 李静, 曹强. 徐工XZ260水平定向钻机. 建筑机械化, 2010, 31（6）：35） [9] Zhao D X, Yang L F, Li S Y, et al. State-of-the-art of no-dig directional drillers and their intelligent control. J Jilin Univ Technol (Nat Sci Ed), 2005, 35（1）: 44 （赵丁选, 杨力夫, 李锁云, 等. 国内外非开挖定向钻机及其智能 控制技术. 吉林大学学报(工学版), 2005, 35（1）：44） [10] Shen J J, Wu X M, Wang P, et al. Design and implementation of HDD rig condition Data Detector. Coal Geol Explor, 2009, 37（6）: 77 （沈璟璟, 乌效鸣, 王鹏, 等. 非开挖铺管钻机工况参数检测仪的 设计与实现. 煤田地质与勘探, 2009, 37（6）：77） [11] Xu S, Niu M, Lin P. Research on intelligent control of trenchless drilling rig. Explor Eng (Rock Soil Drill Tunneling), 2019, 46（12）: 56 （徐松, 牛民, 林培. 非开挖钻机智能化控制研究. 探矿工程(岩土 钻掘工程), 2019, 46（12）：56） [12] Huang L, Wen G J, Zhang A D. Remote monitoring system based on web for trenchless drilling rig. Process Autom Instrum, 2016, 37（4）: 82 （黄雷, 文国军, 张奥东. 基于Web的非开挖钻机远程监控系统. 自动化仪表, 2016, 37（4）：82） [13] He J B, Yu L, Zhang Y. Analysis of the three-dimensional small deflection motion law of HDD reaming drill tool assembly // Proceedings of 2012 Trenchless Technology Conference. Zhengzhou, 2012: 4 （ 何计彬, 余莉, 张瑛. HDD扩孔钻具组合三维小挠度运动规律 浅析 // 2012年非开挖技术会议论文集. 郑州, 2012: 4） [14] Zhang J, Liang Z, Han C J. Design of large torque combined PDM for pipeline laying trenchless technology. China Petroleum Mach, 2018, 46（6）: 20 （张杰, 梁政, 韩传军. 管道非开挖技术用大扭矩组合螺杆钻具 设计. 石油机械, 2018, 46（6）：20） [15] Xiao S, Zheng Q B. Technical key points of underground pipeline detection. Bull Surv Mapp, 2016(Suppl 1): 92 （ 肖顺, 郑启炳. 钻孔定位地下管线探测的技术要点. 测绘通报, 2016(增刊1): 92） [16] Ma C, Liu R F, Liu Y L. Design and experimental application of pipe pusher. Mech Eng, 2019（12）: 119 （马灿, 刘任丰, 刘艳利. 推管机设计及试验应用. 机械工程师, 2019（12）：119） [17] Liu Y L, Zhang Y N, Zhang Q, et al. Key techniques research and application of pipe push. Petroleum Eng Constr, 2020, 46（6）: 5 （刘艳利, 张彦楠, 张倩, 等. 推管机关键技术研究及其应用工法. 石油工程建设, 2020, 46（6）：5） [18] Dong B, Li J X, Li H P, et al. Specific application of electromagnetic induction method in underground pipeline [19] · 128 · 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 129· detection.Beijing Surv Mapp,2020,34(8):1095 underground pipelines based on BIM.Mine Surv,2020,48(6): (董博，李俊霞，李海鹏，等.电磁感应法在地下管线探测中的具 132 体应用.北京测绘，2020,34(8)：1095) (曹冬冬.基于BM的地下管线三维可视化管理系统设计.矿山 [20]Yao P J,Wang S G,Wang Q C,et al.Characteristics and 测量，2020,48(6)：132) application effect of several deep-buried pipeline detection [30]Lu DD,Tan R C,Guo M W,et al.Research on the key technology technologies.Site Imestig Sci Technol,2019(1):53 of urban underground pipeline three-dimensional modeling.Bull (姚鹏君，王少广，王庆婵，等.几种深埋管线探测技术的特点及 Surv Mapp,2017(5):117 应用效果探讨.勘察科学技术，2019(1)：53) (卢丹丹，谭仁春，郭明武，等.城市地下管线三维建模关键技术 [21]Qiao X R,Li C G.Comprehensive submarine cable detection 研究.测绘通报，2017(5)：117) method based on frequency domain electromagnetic method and [31]Wang R,Hu Y S,Xiao X Y,et al.Talking about the pipeline two- acoustic wave method Proceedings of the 13th National way continuous propulsion.Technol Information,2021(1):20 Conference on Signal and Intelligent Information Processing and (王瑞，胡誉双，肖鑫源，等.浅谈管道双向连续推进技术，科学 Application.Hanzhong,2019:4 与信息化，2021(1)：20) (乔小瑞，李春光.基于频域电磁法与声波法的海缆综合探测方 [32]Bai J C,Wei Z Y,Wang R,et al.A brief talk on the application of 法∥第十三届全国信号和智能信息处理与应用学术会议论文 rotating magnet guided two-way drill in horizontal pipeline 集.汉中，2019：4) crossing.Petroleum Chem Constr,2019,41(Suppl 1):206 [22]Zhu Y B,Chen H.Precise positioning theory and practice research (白景昌，魏志永，王瑞，等.浅谈旋转磁铁导向双向钻在管道水 and application on deep underground pipeline.Urban Geotech 平穿越中的应用.石油化工建设，2019,41（增刊1上206） Investig Surv,2012(5):155 [33]Zeng Z H,Yang W,Ma H X,et al.The optimized design and (朱元彪，陈恒.深埋非开挖管线精确定位的理论研究与实践 construction of the opposite-direction crossing for HDD pipeline. 城市勘测，2012(5)：155) Oil Gas Storage Transp,2011,30(7):542 [23]Wang Z M.Application of frequency domain electromagnetic (曾志华，杨威，马红昕，等.大口径管道定向钻对穿工程设计优 method in detecting closely-spaced parallel pipelines.Urban 化与施工.油气储运，2011,30(7)：542) Geotech Investig Surv,2018(Suppl 1):251 [34]Jiang Y,Li S.Chen B.et al.Key problems of long-distance and (王泽民.频率域电磁法在探测近距离平行管线中的应用研究 large-diameter HDD construction.Geol Sci Technol Inf,2016, 城市期测，2018（增刊1少251） 35(2):116 [24]Li J,Yang J,Zuo Y G.Simulation research on electromagnetic (江勇，李松，陈波，等.长距离、大口径定向穿越施工中相关技 induction detection of underground metal pipeline based on 术难题探讨.地质科技情报，2016,35(2)：116) maxwell.Comput Digit Eng,2019,47(11):2901 [35]Deng G Q,Yao A G,Gong Z,et al.Real-time positioning method (李俊，杨静，左永刚.基于Maxwell的地下金属管线电磁感应法 for horizontal directional drilling based on ground magnetic 探测仿真研究.计算机与数字工程，2019,47(11)：2901) beacon.Earth Sci,2017,42(12):2336 [25]Huang K,Chen LL.Characteristics and countermeasures of the (邓国庆，姚爱国，龚正，等.基于地面磁信标的水平定向钻进实 informatization of urban underground pipeline.Constr Des Eng 时定位方法.地球科学，2017,42(12)：2336) 2019(11):203 [36]Guo H,Yao A G.Wireless attitude measuring of trenchless (黄凯，陈丽丽.城市地下管线信息化的特点及对策.工程建设 directional drilling based on acceleration sensor and 与设计，2019(11)：203) magnetoresistive sensor.Instrum Tech Sens,2012(5):40 [26]Bi T P,Zhou J C.Application and study of Kunming 3D (郭宏，姚爱国.基于加速度计和磁强计的非开挖定向钻进无线 underground pipeline system.Bull Surv Mapp,2014(2):93 姿态测量.仪表技术与传感器，2012(5)：40) (毕天平，周京春.昆明三维地下管线系统应用与研究.测绘通 [37]Wei W B,Shen K L,He DD,et al.Research and Application of 报，2014(2)：93) Key Technologies for Ultra-Long and Ultra-Deep Directional [27]Wu M,Tao L F,Li R.Design and implementation of unban Drilling Across the River for Medium and Large Diameter Water underground spatial information system based on MapGIS. Supply Pipelines.Shanghai,2020 Geomat Spatial Inf Technol,2020,43(11):19 (韦文博，沈恺乐，何丹东，等.中大口径供水管道超长超深定向 (吴檬，陶留锋，李荣.基于MapGIS的城市地下空间信息系统设 钻越江关键技术研究与应用.上海，2020) 计与实现.测绘与空间地理信息，2020,43(11)：19) [38]Wang WT,Wang H P.Su H,et al.Research and Application of [28]Zhang H.Development and application of urban underground Complete Set of Technology for Super Large Diameter Pipeline pipeline detection and management technology.Metall Mater, Crossing Engineering.Hebei,2017 2020,40(3):115 (王文田，王洪培：宿辉，等.超大口径管道定向穿越工程成套技 (张慧.城市地下管线探测与管理技术的发展及应用.冶金与材 术研究与应用.河北.2017) 料.2020,40(3)：115) [39]Zhu Y T,Huo X P.Research of ultra-large diameter long-distance [29]Cao DD.Design of 3D visualization management system for HDPE pipes material and design.J Shijiazhuang Tiedao Univ (Nat
detection. Beijing Surv Mapp, 2020, 34（8）: 1095 （董博, 李俊霞, 李海鹏, 等. 电磁感应法在地下管线探测中的具 体应用. 北京测绘, 2020, 34（8）：1095） Yao P J, Wang S G, Wang Q C, et al. Characteristics and application effect of several deep-buried pipeline detection technologies. Site Investig Sci Technol, 2019（1）: 53 （姚鹏君, 王少广, 王庆婵, 等. 几种深埋管线探测技术的特点及 应用效果探讨. 勘察科学技术, 2019（1）：53） [20] Qiao X R, Li C G. Comprehensive submarine cable detection method based on frequency domain electromagnetic method and acoustic wave method // Proceedings of the 13th National Conference on Signal and Intelligent Information Processing and Application. Hanzhong, 2019: 4 （ 乔小瑞, 李春光. 基于频域电磁法与声波法的海缆综合探测方 法 // 第十三届全国信号和智能信息处理与应用学术会议论文 集. 汉中, 2019: 4） [21] Zhu Y B, Chen H. Precise positioning theory and practice research and application on deep underground pipeline. Urban Geotech Investig Surv, 2012（5）: 155 （朱元彪, 陈恒. 深埋非开挖管线精确定位的理论研究与实践. 城市勘测, 2012（5）：155） [22] Wang Z M. Application of frequency domain electromagnetic method in detecting closely-spaced parallel pipelines. Urban Geotech Investig Surv, 2018(Suppl 1): 251 （ 王泽民. 频率域电磁法在探测近距离平行管线中的应用研究. 城市勘测, 2018(增刊1): 251） [23] Li J, Yang J, Zuo Y G. Simulation research on electromagnetic induction detection of underground metal pipeline based on maxwell. Comput Digit Eng, 2019, 47（11）: 2901 （李俊, 杨静, 左永刚. 基于Maxwell的地下金属管线电磁感应法 探测仿真研究. 计算机与数字工程, 2019, 47（11）：2901） [24] Huang K, Chen L L. Characteristics and countermeasures of the informatization of urban underground pipeline. Constr Des Eng, 2019（11）: 203 （黄凯, 陈丽丽. 城市地下管线信息化的特点及对策. 工程建设 与设计, 2019（11）：203） [25] Bi T P, Zhou J C. Application and study of Kunming 3D underground pipeline system. Bull Surv Mapp, 2014（2）: 93 （毕天平, 周京春. 昆明三维地下管线系统应用与研究. 测绘通 报, 2014（2）：93） [26] Wu M, Tao L F, Li R. Design and implementation of unban underground spatial information system based on MapGIS. Geomat Spatial Inf Technol, 2020, 43（11）: 19 （吴濛, 陶留锋, 李荣. 基于MapGIS的城市地下空间信息系统设 计与实现. 测绘与空间地理信息, 2020, 43（11）：19） [27] Zhang H. Development and application of urban underground pipeline detection and management technology. Metall Mater, 2020, 40（3）: 115 （张慧. 城市地下管线探测与管理技术的发展及应用. 冶金与材 料, 2020, 40（3）：115） [28] [29] Cao D D. Design of 3D visualization management system for underground pipelines based on BIM. Mine Surv, 2020, 48（6）: 132 （曹冬冬. 基于BIM的地下管线三维可视化管理系统设计. 矿山 测量, 2020, 48（6）：132） Lu D D, Tan R C, Guo M W, et al. Research on the key technology of urban underground pipeline three-dimensional modeling. Bull Surv Mapp, 2017（5）: 117 （卢丹丹, 谭仁春, 郭明武, 等. 城市地下管线三维建模关键技术 研究. 测绘通报, 2017（5）：117） [30] Wang R, Hu Y S, Xiao X Y, et al. Talking about the pipeline twoway continuous propulsion. Technol Information, 2021（1）: 20 （王瑞, 胡誉双, 肖鑫源, 等. 浅谈管道双向连续推进技术. 科学 与信息化, 2021（1）：20） [31] Bai J C, Wei Z Y, Wang R, et al. A brief talk on the application of rotating magnet guided two-way drill in horizontal pipeline crossing. Petroleum Chem Constr, 2019, 41(Suppl 1): 206 （ 白景昌, 魏志永, 王瑞, 等. 浅谈旋转磁铁导向双向钻在管道水 平穿越中的应用. 石油化工建设, 2019, 41(增刊1): 206） [32] Zeng Z H, Yang W, Ma H X, et al. The optimized design and construction of the opposite-direction crossing for HDD pipeline. Oil Gas Storage Transp, 2011, 30（7）: 542 （曾志华, 杨威, 马红昕, 等. 大口径管道定向钻对穿工程设计优 化与施工. 油气储运, 2011, 30（7）：542） [33] Jiang Y, Li S, Chen B, et al. Key problems of long-distance and large-diameter HDD construction. Geol Sci Technol Inf, 2016, 35（2）: 116 （江勇, 李松, 陈波, 等. 长距离、大口径定向穿越施工中相关技 术难题探讨. 地质科技情报, 2016, 35（2）：116） [34] Deng G Q, Yao A G, Gong Z, et al. Real-time positioning method for horizontal directional drilling based on ground magnetic beacon. Earth Sci, 2017, 42（12）: 2336 （邓国庆, 姚爱国, 龚正, 等. 基于地面磁信标的水平定向钻进实 时定位方法. 地球科学, 2017, 42（12）：2336） [35] Guo H, Yao A G. Wireless attitude measuring of trenchless directional drilling based on acceleration sensor and magnetoresistive sensor. Instrum Tech Sens, 2012（5）: 40 （郭宏, 姚爱国. 基于加速度计和磁强计的非开挖定向钻进无线 姿态测量. 仪表技术与传感器, 2012（5）：40） [36] Wei W B, Shen K L, He D D, et al. Research and Application of Key Technologies for Ultra-Long and Ultra-Deep Directional Drilling Across the River for Medium and Large Diameter Water Supply Pipelines. Shanghai, 2020 （ 韦文博, 沈恺乐, 何丹东, 等. 中大口径供水管道超长超深定向 钻越江关键技术研究与应用. 上海, 2020） [37] Wang W T, Wang H P, Su H, et al. Research and Application of Complete Set of Technology for Super Large Diameter Pipeline Crossing Engineering. Hebei, 2017 （ 王文田, 王洪培; 宿辉, 等. 超大口径管道定向穿越工程成套技 术研究与应用. 河北, 2017） [38] Zhu Y T, Huo X P. Research of ultra-large diameter long-distance HDPE pipes material and design. J Shijiazhuang Tiedao Univ (Nat [39] 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 · 129 ·
·130 工程科学学报，第44卷，第1期 Sci Edy,2016,29(3:45 Sc),2020,44(5):139 (朱永涛，蛋学平.超大口径长距离HDPE输水管道材料与设计 (蔡亮学，王动龙，冯宇，等.木楔效应在水平定向钻回拖力预测 研究.石家庄铁道大学学报（自然科学版），2016,29(3)：45) 中的分析与应用.中国石油大学学报（自然科学版），2020 [40]Sun K,Zou C,Fu B W.Simulation of lifting large diameter 44(5):139) pipelines in horizontal directional crossing.Explor Eng (Rock Soil [45]Sun B T,Liu P.Application of 3D dynamic infinite element Drill Tunneling,)2019,46(10):75 boundary in numerical simulation of buried pipelines under non- (孙凯，邹春，付必伟.水平定向穿越大口径管道起吊仿真分析 uniform excitation /Abstract Collection of 2018 National Solid 探矿工程（岩土钻掘工程），2019,46(10)：75) Mechanics Conference (Part 2).Harbin,2018:1 [41]Zhu QS.Horicontal Directional Drilling to Drag Effect Factors (孙柏涛，刘鹏.非一致激励下三维动力无限元边界在埋地管线 and Calculation Model for Research [Dissertation].Zhengzhou 数值模拟中的应用∥2018年全国固体力学学术会议摘要集 North China University of Water Resources and Electric Power, (下).哈尔滨，2018：1) 2019 [46]Yan B Q,Ren F H,Cai M F,et al.A review of the research on (朱清帅.水平定向钻回拖力影响因素及计算模型研究学位论 physical and mechanical properties and constitutive model of rock 文].郑州：华北水利水电大学，2019) under THMC multi-field coupling.Chin J Eng,2020,42(11): [42]An J L.Calculation and analysis of pull-back force of pipeline 1389 crossing by horizontal directional drilling.Petroleum Eng Constr, (颜丙乾，任奋华，蔡美峰，等.THMC多场耦合作用下岩石物理 2008,34(1):21 (安金龙.水平定向钻穿越回拖力的计算方法及其分析.石油工 力学性能与本构模型研究综述.工程科学学报，2020,42(11)： 程建设，2008,34(1)：21) 1389) [43]Chang Q.Numerical Simulation Study of Horicontal Directional [47]Han M,Sun P H,Liu W S,et al.Research on deformation laws of Drilling Pipeline Backhaul Process [Dissertation].Hangzhou: HDD overlying strata based on source-sink law and equivalent Hangzhou Dianzi University,2018 formation loss theory /Proceedings of the 20th National Annual (常琼.水平定向钻管道回拖过程数值仿真研究学位论文】.杭 Conference on Prospecting Engineering (Rock and Soil Drilling 州：杭州电子科技大学，2018) and Tunneling).Xining,2019:7 [44]Cai L X,Wang M L,Feng Y,et al.Analysis and application of (韩萌，孙平贺，刘伟胜，等.基于源汇法则和等效地层损失理论 wedging effect in predicting pulling forces for horizontal 的HDD上覆地层变形规律研究∥第二十届全国探矿工程（岩土 directional drilling installations.J China Univ Petroleum(Ed Nat 钻据工程)学术交流年会论文集.西宁，2019：7)
Sci Ed), 2016, 29（3）: 45 （朱永涛, 霍学平. 超大口径长距离HDPE输水管道材料与设计 研究. 石家庄铁道大学学报(自然科学版), 2016, 29（3）：45） Sun K, Zou C, Fu B W. Simulation of lifting large diameter pipelines in horizontal directional crossing. Explor Eng (Rock Soil Drill Tunneling), 2019, 46（10）: 75 （孙凯, 邹春, 付必伟. 水平定向穿越大口径管道起吊仿真分析. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2019, 46（10）：75） [40] Zhu Q S. Horizontal Directional Drilling to Drag Effect Factors and Calculation Model for Research [Dissertation]. Zhengzhou: North China University of Water Resources and Electric Power, 2019 （ 朱清帅. 水平定向钻回拖力影响因素及计算模型研究[学位论 文]. 郑州: 华北水利水电大学, 2019） [41] An J L. Calculation and analysis of pull-back force of pipeline crossing by horizontal directional drilling. Petroleum Eng Constr, 2008, 34（1）: 21 （安金龙. 水平定向钻穿越回拖力的计算方法及其分析. 石油工 程建设, 2008, 34（1）：21） [42] Chang Q. Numerical Simulation Study of Horizontal Directional Drilling Pipeline Backhaul Process [Dissertation]. Hangzhou: Hangzhou Dianzi University, 2018 （ 常琼. 水平定向钻管道回拖过程数值仿真研究[学位论文]. 杭 州: 杭州电子科技大学, 2018） [43] Cai L X, Wang M L, Feng Y, et al. Analysis and application of wedging effect in predicting pulling forces for horizontal directional drilling installations. J China Univ Petroleum (Ed Nat [44] Sci), 2020, 44（5）: 139 （蔡亮学, 王勐龙, 冯宇, 等. 木楔效应在水平定向钻回拖力预测 中的分析与应用. 中国石油大学学报(自然科学版), 2020, 44（5）：139） Sun B T, Liu P. Application of 3D dynamic infinite element boundary in numerical simulation of buried pipelines under nonuniform excitation // Abstract Collection of 2018 National Solid Mechanics Conference (Part 2). Harbin, 2018: 1 （ 孙柏涛, 刘鹏. 非一致激励下三维动力无限元边界在埋地管线 数值模拟中的应用 // 2018年全国固体力学学术会议摘要集 (下). 哈尔滨, 2018: 1） [45] Yan B Q, Ren F H, Cai M F, et al. A review of the research on physical and mechanical properties and constitutive model of rock under THMC multi-field coupling. Chin J Eng, 2020, 42（11）: 1389 （颜丙乾, 任奋华, 蔡美峰, 等. THMC多场耦合作用下岩石物理 力学性能与本构模型研究综述. 工程科学学报, 2020, 42（11）： 1389） [46] Han M, Sun P H, Liu W S, et al. Research on deformation laws of HDD overlying strata based on source-sink law and equivalent formation loss theory // Proceedings of the 20th National Annual Conference on Prospecting Engineering (Rock and Soil Drilling and Tunneling). Xining, 2019: 7 （ 韩萌, 孙平贺, 刘伟胜, 等. 基于源汇法则和等效地层损失理论 的HDD上覆地层变形规律研究 // 第二十届全国探矿工程(岩土 钻掘工程)学术交流年会论文集. 西宁, 2019: 7） [47] · 130 · 工程科学学报，第 44 卷，第 1 期