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 ·