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 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 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 ·