近年來(lái)隨著非開(kāi)挖技術(shù)的廣泛應(yīng)用，保護(hù)環(huán)境，節(jié)約成本，減少對(duì)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(jì)效益，在河流、山體穿越及城鎮(zhèn)市政工程中越來(lái)越多地被人們所接受。
水平定向鉆導(dǎo)向孔施工是根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的穿越曲線，鉆頭向前推進(jìn)時(shí),發(fā)射器發(fā)射出來(lái)的信號(hào)被地表接收器所接收和追蹤,通過(guò)監(jiān)視鉆頭方向、深度和其他參數(shù)，控制鉆頭姿態(tài)實(shí)施定向鉆進(jìn)，從而完成出土點(diǎn)與入土點(diǎn)貫通的一項(xiàng)重要施工工序。導(dǎo)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(zhǔn)控制導(dǎo)向孔鉆進(jìn)軌跡是水平定向鉆穿越施工的重中之重。
01.導(dǎo)向孔施工原理
斜板導(dǎo)向鉆頭通常帶有一個(gè)斜面的鉆頭和放置信號(hào)發(fā)射器的腔體,鉆頭腔內(nèi)放有一個(gè)探頭或發(fā)射器；牙輪鉆頭導(dǎo)向通常連接帶有角度的螺桿馬達(dá)后再連接無(wú)磁鉆鋌，無(wú)磁鉆鋌腔內(nèi)放有一個(gè)探頭或發(fā)射器。
在導(dǎo)向鉆進(jìn)過(guò)程中,鉆頭有兩種方式運(yùn)動(dòng):頂進(jìn)鉆進(jìn)和回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。
頂進(jìn)鉆進(jìn)：鉆桿只頂進(jìn)不回轉(zhuǎn)時(shí),即只有推力的作用時(shí),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(jìn),從而實(shí)現(xiàn)造斜鉆進(jìn)。
回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)：導(dǎo)向鉆頭勻速回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí),在鉆進(jìn)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(jìn)行保直鉆進(jìn)。
02.導(dǎo)向儀相關(guān)參數(shù)
1、導(dǎo)向儀
為使鉆孔軌跡與設(shè)計(jì)軌跡相一致，在導(dǎo)向孔施工過(guò)程中，需要我們對(duì)鉆孔軌跡的空間位置，進(jìn)行精準(zhǔn)把控。
導(dǎo)向孔鉆進(jìn)軌跡的實(shí)時(shí)測(cè)量由控向系統(tǒng)(以下稱導(dǎo)向系統(tǒng))完成，導(dǎo)向系統(tǒng)主要由探測(cè)器（探棒、P2、陀螺儀）、控制終端、控向應(yīng)用程序組成。探測(cè)器安裝固定在無(wú)磁鉆鋌內(nèi)，通過(guò)其內(nèi)部的磁場(chǎng)傳感器和重力傳感器測(cè)量方位角、傾角和工具角等參數(shù)。
控向技術(shù)人員通過(guò)一系列參數(shù)調(diào)整鉆頭的鉆進(jìn)方向及姿態(tài)達(dá)到定向鉆進(jìn)和糾偏的目的。
P2控向系統(tǒng)及配套的陀螺導(dǎo)向儀
2、導(dǎo)向參數(shù)
導(dǎo)向系統(tǒng)中的探測(cè)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(cè)器反饋的參數(shù)和鉆桿長(zhǎng)度計(jì)算穿越距離、深度、左右偏離量等并顯示參數(shù)，指導(dǎo)司鉆進(jìn)行下一步鉆進(jìn)操作。
2.1 傾角θ
傾角指的是探測(cè)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(lái)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(cè)器與豎直方向的夾角。探測(cè)器頭部指向正下時(shí)傾角為0，探測(cè)器頭部指向正上時(shí)傾角為180°，探測(cè)器頭部水平時(shí)傾角為 90°。探測(cè)器頭部在豎直向下到豎直向上的變化過(guò)程中，傾角從0變化到180°，傾角示意圖見(jiàn)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(gè)軸線所決定的那個(gè)平面，稱為工具面。工具角指的工具面繞自身軸線旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度,即探測(cè)器繞軸線順時(shí)針(自探測(cè)器尾向探測(cè)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(diǎn)的指北方向線起，依順時(shí)針?lè)较虻侥繕?biāo)方向線之間的水平夾角。由于每點(diǎn)都有真北、磁北和不同的指北方向線，因此，從某點(diǎn)到某一目標(biāo)，就有不同方位角。
方位角指的是探測(cè)器頭部的水平朝向，是探測(cè)器在水平面上的投影與地磁北極之間的夾角。對(duì)于大多數(shù)導(dǎo)向系統(tǒng)，當(dāng)探測(cè)器頭部指向正北時(shí)，方位角為0°;當(dāng)探測(cè)器頭部指向正南時(shí)，方位角為 180°;當(dāng)探測(cè)器頭部指向正東時(shí)，方位角為90°;當(dāng)探測(cè)器頭部指向正西時(shí)，方位角為 270°。觀察者俯視探測(cè)器時(shí)(探測(cè)器頭部指向正北)，探測(cè)器順時(shí)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(cè)量及原理
控向參數(shù)的測(cè)量由探測(cè)器內(nèi)的磁場(chǎng)傳感器和加速度傳感器完成，加速度傳感器通過(guò)測(cè)量地球的重力場(chǎng)獲得探測(cè)器的傾角和工具角，磁場(chǎng)傳感器主要通過(guò)測(cè)量地球磁場(chǎng)再結(jié)合重力場(chǎng)計(jì)算出探測(cè)器的方位角。
探測(cè)器由三個(gè)加速度傳感器Gx、Gy、Gz和三個(gè)磁感應(yīng)傳感器Hx、Hy、Hz組成。以探測(cè)器導(dǎo)向管軸線方向?yàn)閤軸，以世界坐標(biāo)系(右手系)為參考坐標(biāo)系，探測(cè)器導(dǎo)向系統(tǒng)的坐標(biāo)如圖所示:
03.導(dǎo)向鉆進(jìn)實(shí)施
探測(cè)器通過(guò)貫穿于鉆桿內(nèi)部的信號(hào)線與鉆機(jī)主軸上的滑環(huán)連接，再將信號(hào)線引入控制室內(nèi)并連接至控制終端。
數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)，控制終端通過(guò)信號(hào)線向探測(cè)器供電，探測(cè)器測(cè)量的數(shù)據(jù)再以載波信號(hào)的形式反饋回控制終端,最后再由計(jì)算機(jī)控向軟件對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步數(shù)據(jù)化、圖形化處理。
計(jì)算機(jī)控向軟件計(jì)算的導(dǎo)向孔軌跡數(shù)據(jù)主要為水平長(zhǎng)度、深度、左右偏差等，這些參數(shù)是通過(guò)磁傳感器和重力傳感器檢測(cè)大地磁場(chǎng)和重力場(chǎng)后，計(jì)算出鉆頭傾角和方位角，進(jìn)而計(jì)算出導(dǎo)向孔軌跡數(shù)據(jù)等參數(shù)。
由于導(dǎo)向孔鉆進(jìn)是逐根鉆桿累加的過(guò)程，控向系統(tǒng)計(jì)算的鉆進(jìn)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(zhǎng)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(cè)器此時(shí)的穿越位置。
計(jì)算機(jī)控向軟件在計(jì)算完每根鉆桿的位置數(shù)據(jù)后，以鉆進(jìn)軌跡的形式在顯示界面呈現(xiàn)，隨著近年來(lái)控向軟件的迅速發(fā)展，其不僅能顯示測(cè)量、計(jì)算出的鉆進(jìn)軌跡，還可將帶有地質(zhì)情況的設(shè)計(jì)穿越曲線導(dǎo)入控向軟件中并形成底圖。
導(dǎo)向孔鉆進(jìn)時(shí)的鉆進(jìn)軌跡可呈現(xiàn)在導(dǎo)入的設(shè)計(jì)穿越曲線上，直觀對(duì)比實(shí)際鉆進(jìn)軌跡與設(shè)計(jì)穿越曲線的差別，更好地對(duì)導(dǎo)向孔鉆進(jìn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
04.鉆導(dǎo)向孔的控制
鉆導(dǎo)向孔的鉆具組合為：鉆頭+造斜短接+鉆桿。導(dǎo)向傳感器裝在鉆頭后艙內(nèi)并緊固，在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過(guò)程中使用有線導(dǎo)向系統(tǒng)，出入土兩側(cè)地面布置地面信標(biāo)系統(tǒng)，鉆頭內(nèi)傳感器發(fā)射的信號(hào)將鉆具的位置反饋到導(dǎo)向控制室便于司鉆隨時(shí)掌握方向，利用地面信標(biāo)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確找出穿越中心線的方位角，同時(shí)可以記錄鉆頭與地平面的夾角值。
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