水平定向鉆鉆進(jìn)軌跡和控制

? ? ? ? 非開(kāi)挖工程鋪管的關(guān)鍵技術(shù)在于導向鉆孔軌跡的精確控制，確保避開(kāi)原有地下管線(xiàn)及障礙物，按設計路線(xiàn)準確、順利地鋪管。它的基本步驟是：采用先進(jìn)的導向探測儀對地 下鉆頭的前后傾角、深度、導向板面向角等進(jìn)行測量，根據測量結果人為預定其導進(jìn)方向，并不斷地調整鉆頭面角進(jìn)行推進(jìn)或繼續鉆進(jìn)。其中，“人為預定”是 憑操作經(jīng)驗來(lái)進(jìn)行的，依靠操作者判斷和調整前進(jìn)方向，這就使導向精度和速度降低。一旦發(fā)現當前鉆出的孔段軌跡與理想軌跡有差異時(shí)，退回重新校，由于在先期 的鉆進(jìn)過(guò)程中，舊孔軌跡周?chē)h(huán)境在高壓泥漿液的強力沖刷下已變得松散，再想靠導向板的推進(jìn)來(lái)改變方向校正出新軌跡孔就較為困難了，往往要退回很大的量才能 校正過(guò)來(lái)，并且回程量也只有靠經(jīng)驗來(lái)控制。因此，在導向鉆進(jìn)時(shí)總是希望能夠預先知道按操作控制所能得到的地下軌跡，最好是在設計好鉆進(jìn)軌跡時(shí)就有一套操作 控制程序。對此，進(jìn)行非開(kāi)挖導向鉆進(jìn)軌跡的研究是非常必要的。

一、幾何關(guān)系的建立

在導向鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭以回轉鉆進(jìn)和只推進(jìn)兩種方式運動(dòng)?；剞D鉆進(jìn)時(shí)，其方向不發(fā)生變化，軌跡線(xiàn)為直線(xiàn)；推進(jìn)時(shí)，其方向會(huì )按一定的規律變化，軌跡力地下空 間曲線(xiàn)。這樣整個(gè)鉆孔軌跡由若干段直線(xiàn)和弧線(xiàn)組成。因此，導向鉆進(jìn)軌跡的基礎是空間解析幾何，必須按照有關(guān)線(xiàn)、面、角的數學(xué)定義來(lái)表達鉆孔軌跡控制的幾個(gè) 基本參數而建立數學(xué)表達式。這里不妨取垂直于地平面的方向為Z軸；南北方向為Y軸；東西方向為X軸。按空間解析幾何，可以建立或推導出以下關(guān)系方程式。
1、鉆頭當前軸線(xiàn)——鉆進(jìn)時(shí)鉆頭當前方向線(xiàn)
設m、n、p為軸的方向余弦，a、b、c為鉆頭當前的地下空間位置定標，則有鉆當前軸線(xiàn)方程為
==①
2、鉆進(jìn)方向面——垂直于地平面且通過(guò)鉆頭當前軸線(xiàn)的平面垂直于XY平面的方程可設為：
AX+BY+D=0 ②
且鉆進(jìn)方向面與鉆頭當前軸線(xiàn)重合，則滿(mǎn)足鉆進(jìn)方向面定義的平面方程是式①和式②的聯(lián)立解。解法向矢量，得走向面方程為：
-X+Y+Z=0 役
3、軌跡面——鉆頭軸線(xiàn)與導向鉆頭導向板面法線(xiàn)所構成的平面也就是以鉆進(jìn)方向面為起始，繞鉆頭軸線(xiàn)轉一定角度θ所形成的平面。因該面通過(guò)點(diǎn)（a，b，c），所以可設其方程為：
A1（x—a）+B1（y—b）+C1（z—c）=0 ④
4.鉆頭面向角——鉆進(jìn)方向面與軌跡面之間夾角θ
由鉆進(jìn)方向面方程③和軌跡面方程④可得這兩個(gè)平面的夾角，即鉆頭面向角方程為：
ｃｏｓθ＝⑤
因軌跡面通過(guò)鉆頭軸線(xiàn)，
則有：
Ａ１ｍ＋Ｂ１ｎ＋Ｃ１ｐ＝０⑥
Ａ１ａ＋Ｂ１ｂ＋ｃ１ｃ＝０⑦
因此，若已知鉆頭面向角θ，則聯(lián)立⑤、⑥、⑦三式可解得軌跡面方程中的參數Ａ１、Ｂｌ、Ｃ１。
導向鉆進(jìn)的幾何學(xué)實(shí)質(zhì)是：在鉆頭當前軸線(xiàn)所確定的鉆進(jìn)方向面基礎上，調整鉆頭面向角后，得到新的鉆進(jìn)軌跡面，在新軌跡面上鉆頭以一定的造斜強度給出新的弧形軌跡線(xiàn)。用每單位長(cháng)度鉆進(jìn)量后鉆頭軸線(xiàn)在軌跡面上的角度變化值表示造斜強度。
上述關(guān)系的建立，使我們在原理上能夠計算導向鉆進(jìn)在任意鉆進(jìn)量時(shí)鉆頭在地下的空間位置、傾斜角度和前進(jìn)方向。同時(shí)注意到計算的復雜性和工作的龐大，因此可以編制軟件借用計算機工具解決運算問(wèn)題。

二、鉆孔軌跡的控制設計

非開(kāi)挖工程導向鉆進(jìn)的軌跡設計一般要考慮三方面的要求。
１、鋪設管線(xiàn)的深度和水平距離；
２、避開(kāi)的地下管線(xiàn)和石塊等障礙物；
３、鉆進(jìn)角度或出鉆角度的弧度變化控制。
例如說(shuō)，在橫穿馬路鉆進(jìn)施工中常見(jiàn)到這樣的情況：鉆機置于 馬路邊緣一定距離外，鉆機以一定的鉆進(jìn)角度開(kāi)孔，向下偏導向鉆進(jìn)，希望經(jīng)過(guò)一定長(cháng)度的弧形軌跡，達到鋪管設計深度時(shí)鉆頭的方向恰好調整到水平方向，再保持 水平方向旋轉鉆進(jìn)，保正鉆孔準確地從地下原有兩根管道之間的間隙中穿越。如果不進(jìn)行鉆孔軌跡模擬預測，沒(méi)有精確的控制方向參數，單靠人工的施工經(jīng)驗操作就 很難保證施工成功，甚至造成重大事故。
為了得到一套最佳的控向鉆進(jìn)操作方案，在實(shí)際施工前，我們 可在計算機上用導向軌跡模擬對全孔導向鉆進(jìn)進(jìn)行模擬演示。根據輸入的鉆進(jìn)操作參數和勘察到的地質(zhì)勘探報告參數，經(jīng)過(guò)對土質(zhì)的力學(xué)分析，再進(jìn)行按某一套方案 模擬演示后，其偏差情況一目了然。如果覺(jué)得這套方案不理想，可以分析修改原輸入參數，再進(jìn)行模擬，經(jīng)過(guò)若干次模擬使鉆進(jìn)軌跡達到滿(mǎn)意，最終得到一套最佳的 鉆進(jìn)操作方案。根據模擬演示確定一套鉆進(jìn)操作參數，在理論上計算出導向軌跡曲線(xiàn)，再根據導向軌跡曲線(xiàn)確定具體的操作方案，這樣循環(huán)若干次的反復互相校正操 作方案和設計導向軌跡曲線(xiàn)。