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随着非开挖技术的迅猛发展,水平定向钻进(HDD)技术以其独特的技术优势,在目前城市地下管线铺设工程中起着越来越重要的作用。本文在国家高技术研究发展计划(863计划)和湖南省自然科学基金的资助下,以研制一套集设计、处理、监控、输出等功能于一体的HDD轨迹监控软件系统为目标,就HDD钻孔轨迹设计和调控中的一些关键技术进行了系统的研究。论文的主要研究内容包括: 1.建立了HDD钻孔轨迹整体和局部空间坐标系,分析了表征HDD钻孔轨迹空间位置的几何参数和其形状的描述方法。系统地研究了HDD钻孔轨迹控制机理和其关键参数,推导了钻孔弯曲半径与空间位置几何参数的对应关系式。 2.以典型的HDD“斜直线段—曲线段—水平直线段—曲线段—斜直线段”形式钻孔轨迹为对象,分析了HDD钻孔轨迹的参数基本设计方法,并给出了各段轨迹的三维坐标计算公式。针对地下障碍物多,一般设计方法无法满足施工要求的情况,对HDD钻孔轨迹的优化设计进行了研究,提出了标准形式轨迹斜平面优化设计的方法。同时,采用动态规划设计的思想,在钻孔轨迹形式不作严格要求的条件下,以“曲线—直线—曲线”轨迹形式对预铺管线穿越段进行了优化设计。两种方法均给出了相应的数学模型。 3.分析了HDD钻孔轨迹空间位置几何参数的测量原理和随钻测量(MWD)系统,提出在实际施工中应根据测量数据采用两种不同的方法计算实际钻孔轨迹坐标,以确保其准确定位,并实现了钻孔设计轨迹与实际钻进轨迹的坐标统一。 4.从水平定向钻进的工程实际出发,借助于现场钻进数据库,建立了自然参数模型,给出了相应的钻孔轨迹预测算法。同时,采用空间“圆弧段—直线段—圆弧段”形式软着陆设计模型用于钻孔轨迹调控设计,科学合理地实现了纠偏的目的。 5.针对水平定向钻进实际工程作业的特点,对实用化的HDD轨迹监控系统进行了设计。基于HDD钻孔轨迹设计方法、实际轨迹数据处理算法和轨迹调控技术等理论,研制了HDD轨迹监控软件。该软件能根据地貌信息和施工要求合理设计HDD钻孔轨迹,并在实现整个施工过程中钻孔状态实时监测的同时,对钻进给予一定的预测和调控,大大提高了施工的精度和可靠性。