非開挖鉆機(jī)鉆進(jìn)軌跡的研究和控制設(shè)計(jì)

非開挖鋪管的關(guān)鍵技術(shù)在于導(dǎo)向鉆孔軌跡的精確控制，確保避開原有地下管線及障礙物，按設(shè)計(jì)路線準(zhǔn)確、順利地鋪管。它的基本步驟是：采用先進(jìn)的導(dǎo)向探測(cè)儀對(duì)地下鉆頭的前后傾角、深度、導(dǎo)向板面向角等進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果人為預(yù)定其導(dǎo)進(jìn)方向，并不斷地調(diào)整鉆頭面角進(jìn)行推進(jìn)或繼續(xù)鉆進(jìn)。其中，“人為預(yù)定”是憑操作經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行的，依靠操作者判斷和調(diào)整前進(jìn)方向，這就使導(dǎo)向精度和速度降低。一旦發(fā)現(xiàn)當(dāng)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)過程中，舊孔軌跡周圍環(huán)境在高壓泥漿液的強(qiáng)力沖刷下已變得松散，再想靠導(dǎo)向板的推進(jìn)來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來，并且回程量也只有靠經(jīng)驗(yàn)來控制。因此，在導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)總是希望能夠預(yù)先知道按操作控制所能得到的地下軌跡，最好是在設(shè)計(jì)好鉆進(jìn)軌跡時(shí)就有一套操作控制程序。對(duì)此，進(jìn)行非開挖導(dǎo)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(dǎo)向鉆進(jìn)過程中，鉆頭以回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和只推進(jìn)兩種方式運(yùn)動(dòng)。回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，其方向不發(fā)生變化，軌跡線為直線；推進(jìn)時(shí)，其方向會(huì)按一定的規(guī)律變化，軌跡力地下空間曲線。這樣整個(gè)鉆孔軌跡由若干段直線和弧線組成。因此，導(dǎo)向鉆進(jìn)軌跡的基礎(chǔ)是空間解析幾何，必須按照有關(guān)線、面、角的數(shù)學(xué)定義來表達(dá)鉆孔軌跡控制的幾個(gè)基本參數(shù)而建立數(shù)學(xué)表達(dá)式。這里不妨取垂直于地平面的方向?yàn)閆軸；南北方向?yàn)閅軸；東西方向?yàn)閄軸。按空間解析幾何，可以建立或推導(dǎo)出以下關(guān)系方程式。

1、鉆頭當(dāng)前軸線——鉆進(jìn)時(shí)鉆頭當(dāng)前方向線

設(shè)m、n、p為軸的方向余弦，a、b、c為鉆頭當(dāng)前的地下空間位置定標(biāo)，則有鉆當(dāng)前軸線方程為==①

2、鉆進(jìn)方向面——垂直于地平面且通過鉆頭當(dāng)前軸線的平面垂直于XY平面的方程可設(shè)為：AX+BY+D=0 ②且鉆進(jìn)方向面與鉆頭當(dāng)前軸線重合，則滿足鉆進(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——鉆頭軸線與導(dǎo)向鉆頭導(dǎo)向板面法線所構(gòu)成的平面也就是以鉆進(jìn)方向面為起始，繞鉆頭軸線轉(zhuǎn)一定角度θ所形成的平面。因該面通過點(diǎn)（a，b，c），所以可設(shè)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因軌跡面通過鉆頭軸線，則有：

Ａ１ｍ＋Ｂ１ｎ＋Ｃ１ｐ＝０ ⑥

Ａ１ａ＋Ｂ１ｂ＋ｃ１ｃ＝０ ⑦

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(shù)Ａ１、Ｂｌ、Ｃ１。

導(dǎo)向鉆進(jìn)的幾何學(xué)實(shí)質(zhì)是：在鉆頭當(dāng)前軸線所確定的鉆進(jìn)方向面基礎(chǔ)上，調(diào)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(qiáng)度給出新的弧形軌跡線。用每單位長(zhǎng)度鉆進(jìn)量后鉆頭軸線在軌跡面上的角度變化值表示造斜強(qiáng)度。

上述關(guān)系的建立，使我們?cè)谠砩夏軌蛴?jì)算導(dǎo)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(jì)算的復(fù)雜性和工作的龐大，因此可以編制軟件借用計(jì)算機(jī)工具解決運(yùn)算問題。

二、鉆孔軌跡的控制設(shè)計(jì)

導(dǎo)向鉆進(jìn)的軌跡設(shè)計(jì)一般要考慮三方面的要求。

１、鋪設(shè)管線的深度和水平距離；

２、避開的地下管線和石塊等障礙物；

３、鉆進(jìn)角度或出鉆角度的弧度變化控制。

例如說，在橫穿馬路鉆進(jìn)施工中常見到這樣的情況：鉆機(jī)置于馬路邊緣一定距離外，鉆機(jī)以一定的鉆進(jìn)角度開孔，向下偏導(dǎo)向鉆進(jìn)，希望經(jīng)過一定長(zhǎng)度的弧形軌跡，達(dá)到鋪管設(shè)計(jì)深度時(shí)鉆頭的方向恰好調(diào)整到水平方向，再保持水平方向旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，保正鉆孔準(zhǔn)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(yù)測(cè)，沒有精確的控制方向參數(shù)，單靠人工的施工經(jīng)驗(yàn)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(jì)算機(jī)上用導(dǎo)向軌跡模擬對(duì)全孔導(dǎo)向鉆進(jìn)進(jìn)行模擬演示。根據(jù)輸入的鉆進(jìn)操作參數(shù)和勘察到的地質(zhì)勘探報(bào)告參數(shù)，經(jīng)過對(duì)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。如果覺得這套方案不理想，可以分析修改原輸入?yún)?shù)，再進(jìn)行模擬，經(jīng)過若干次模擬使鉆進(jìn)軌跡達(dá)到滿意，最終得到一套最佳的鉆進(jìn)操作方案。根據(jù)模擬演示確定一套鉆進(jìn)操作參數(shù)，在理論上計(jì)算出導(dǎo)向軌跡曲線，再根據(jù)導(dǎo)向軌跡曲線確定具體的操作方案，這樣循環(huán)若干次的反復(fù)互相校正操作方案和設(shè)計(jì)導(dǎo)向軌跡曲線。