.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