.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