近年來隨著非開挖技術(shù)的廣泛應(yīng)用，保護環(huán)境，節(jié)約成本，減少對已建公共設(shè)施，構(gòu)筑物的破壞，水平定向鉆施工技術(shù)以其明顯的經(jīng)濟效益，在河流、山體穿越及城鎮(zhèn)市政工程中越來越多地被人們所接受。
水平定向鉆導向孔施工是根據(jù)預先設(shè)計的穿越曲線，鉆頭向前推進時,發(fā)射器發(fā)射出來的信號被地表接收器所接收和追蹤,通過監(jiān)視鉆頭方向、深度和其他參數(shù)，控制鉆頭姿態(tài)實施定向鉆進，從而完成出土點與入土點貫通的一項重要施工工序。導向孔成孔軌跡是決定管道最終敷設(shè)路由的重要因素，所以精準控制導向孔鉆進軌跡是水平定向鉆穿越施工的重中之重。
01.導向孔施工原理
斜板導向鉆頭通常帶有一個斜面的鉆頭和放置信號發(fā)射器的腔體,鉆頭腔內(nèi)放有一個探頭或發(fā)射器；牙輪鉆頭導向通常連接帶有角度的螺桿馬達后再連接無磁鉆鋌，無磁鉆鋌腔內(nèi)放有一個探頭或發(fā)射器。
在導向鉆進過程中,鉆頭有兩種方式運動:頂進鉆進和回轉(zhuǎn)鉆進。
頂進鉆進：鉆桿只頂進不回轉(zhuǎn)時,即只有推力的作用時,則鉆頭所受反作用力方向始終朝著某一方向，鉆頭將朝該方向前進,從而實現(xiàn)造斜鉆進。
回轉(zhuǎn)鉆進：導向鉆頭勻速回轉(zhuǎn)鉆進時,在鉆進推力的作用下,土層作用在造斜面上的反力的方向也沿圓周作均勻變化，鉆頭進行保直鉆進。
02.導向儀相關(guān)參數(shù)
1、導向儀
為使鉆孔軌跡與設(shè)計軌跡相一致，在導向孔施工過程中，需要我們對鉆孔軌跡的空間位置，進行精準把控。
導向孔鉆進軌跡的實時測量由控向系統(tǒng)(以下稱導向系統(tǒng))完成，導向系統(tǒng)主要由探測器（探棒、P2、陀螺儀）、控制終端、控向應(yīng)用程序組成。探測器安裝固定在無磁鉆鋌內(nèi)，通過其內(nèi)部的磁場傳感器和重力傳感器測量方位角、傾角和工具角等參數(shù)。
控向技術(shù)人員通過一系列參數(shù)調(diào)整鉆頭的鉆進方向及姿態(tài)達到定向鉆進和糾偏的目的。
P2控向系統(tǒng)及配套的陀螺導向儀
2、導向參數(shù)
導向系統(tǒng)中的探測器在由地下反饋到控制終端的參數(shù)主要有傾角、方位角、工具角數(shù)據(jù)，控向應(yīng)用程序根據(jù)探測器反饋的參數(shù)和鉆桿長度計算穿越距離、深度、左右偏離量等并顯示參數(shù)，指導司鉆進行下一步鉆進操作。
2.1 傾角θ
傾角指的是探測器的傾斜程度，由于水平定向鉆技術(shù)是借鑒石油鉆井技術(shù)發(fā)展而來的，所以水平定向鉆傾角的含義仍需參照石油鉆井中的定義，即探測器與豎直方向的夾角。探測器頭部指向正下時傾角為0，探測器頭部指向正上時傾角為180°，探測器頭部水平時傾角為 90°。探測器頭部在豎直向下到豎直向上的變化過程中，傾角從0變化到180°，傾角示意圖見下圖 ；
2.2 工具角（面向角）α
工具面--在造斜鉆具組合中，由彎曲工具的兩個軸線所決定的那個平面，稱為工具面。工具角指的工具面繞自身軸線旋轉(zhuǎn)過的角度,即探測器繞軸線順時針(自探測器尾向探測器頭看)旋轉(zhuǎn)一周,工具角的變化范圍是 0°~360°,工具角平面圖和示意圖 ：
2.3 方位角Ø
方位角又稱地平經(jīng)度(Azimuth (angle)縮寫Az)，是在平面上量度物體之間的角度差的方法之一。是從某點的指北方向線起，依順時針方向到目標方向線之間的水平夾角。由于每點都有真北、磁北和不同的指北方向線，因此，從某點到某一目標，就有不同方位角。
方位角指的是探測器頭部的水平朝向，是探測器在水平面上的投影與地磁北極之間的夾角。對于大多數(shù)導向系統(tǒng)，當探測器頭部指向正北時，方位角為0°;當探測器頭部指向正南時，方位角為 180°;當探測器頭部指向正東時，方位角為90°;當探測器頭部指向正西時，方位角為 270°。觀察者俯視探測器時(探測器頭部指向正北)，探測器順時針旋轉(zhuǎn)，由此確定的方位角自0~360°變化，方位角示意圖：
2.4控向參數(shù)的測量及原理
控向參數(shù)的測量由探測器內(nèi)的磁場傳感器和加速度傳感器完成，加速度傳感器通過測量地球的重力場獲得探測器的傾角和工具角，磁場傳感器主要通過測量地球磁場再結(jié)合重力場計算出探測器的方位角。
探測器由三個加速度傳感器Gx、Gy、Gz和三個磁感應(yīng)傳感器Hx、Hy、Hz組成。以探測器導向管軸線方向為x軸，以世界坐標系(右手系)為參考坐標系，探測器導向系統(tǒng)的坐標如圖所示:
03.導向鉆進實施
探測器通過貫穿于鉆桿內(nèi)部的信號線與鉆機主軸上的滑環(huán)連接，再將信號線引入控制室內(nèi)并連接至控制終端。
數(shù)據(jù)測量時，控制終端通過信號線向探測器供電，探測器測量的數(shù)據(jù)再以載波信號的形式反饋回控制終端,最后再由計算機控向軟件對數(shù)據(jù)做進一步數(shù)據(jù)化、圖形化處理。
計算機控向軟件計算的導向孔軌跡數(shù)據(jù)主要為水平長度、深度、左右偏差等，這些參數(shù)是通過磁傳感器和重力傳感器檢測大地磁場和重力場后，計算出鉆頭傾角和方位角，進而計算出導向孔軌跡數(shù)據(jù)等參數(shù)。
由于導向孔鉆進是逐根鉆桿累加的過程，控向系統(tǒng)計算的鉆進軌跡數(shù)據(jù)也是逐根累加的結(jié)果，所以每一根鉆桿在下鉆前應(yīng)記錄其長度，下鉆完成后控向軟件在上一根鉆桿的基礎(chǔ)上，將此鉆桿在穿越中心線、斷面和平面上的投影數(shù)據(jù)累加得到探測器此時的穿越位置。
計算機控向軟件在計算完每根鉆桿的位置數(shù)據(jù)后，以鉆進軌跡的形式在顯示界面呈現(xiàn)，隨著近年來控向軟件的迅速發(fā)展，其不僅能顯示測量、計算出的鉆進軌跡，還可將帶有地質(zhì)情況的設(shè)計穿越曲線導入控向軟件中并形成底圖。
導向孔鉆進時的鉆進軌跡可呈現(xiàn)在導入的設(shè)計穿越曲線上，直觀對比實際鉆進軌跡與設(shè)計穿越曲線的差別，更好地對導向孔鉆進進行實時控制。
04.鉆導向孔的控制
鉆導向孔的鉆具組合為：鉆頭+造斜短接+鉆桿。導向傳感器裝在鉆頭后艙內(nèi)并緊固，在導向孔鉆進過程中使用有線導向系統(tǒng)，出入土兩側(cè)地面布置地面信標系統(tǒng)，鉆頭內(nèi)傳感器發(fā)射的信號將鉆具的位置反饋到導向控制室便于司鉆隨時掌握方向，利用地面信標系統(tǒng)可以準確找出穿越中心線的方位角，同時可以記錄鉆頭與地平面的夾角值。
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