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非开挖技术是指利用各种岩土钻掘、导向测控等技术手段,在地表不开挖或少开挖的条件下行铺设、更换或修复各种地下管线的施工新技术,国外称TT（Trenchless Technology）或No-Dig,是近年来发展起来的一项高新技术,是钻探工程的一项重要的技术延伸。随着城市地下管线日趋复杂及对环保的提倡,非开挖导向钻进铺管技术在城市地下管线铺设工程中也显得越来越重要,同时对导向钻孔轨迹的设计和施工要求也越来越高。精确地控制钻孔轨迹,确保避开原有地下管线及障碍物,按设计路线准确、顺利地铺管是导向钻进铺管技术的关键。因此,导向孔轨迹设计既是导向孔钻进施工的依据,又是施工质量检验的标准。导向孔轨迹设计方案是否可行、合理、优化不仅直接关系到导向钻进施工的难易程度、工程成本、乃至工程的成败,而且是合理有效配置地下土地资源的有力保障。目前,导向孔轨迹设计多数采用垂直平面内“斜直线—曲线—水平直线—曲线—斜直线”或从其简化演变的钻孔轨迹形式,没有提供在地下原有障碍物分布较复杂情况下钻孔轨迹为空间曲线形式的合理设计方法。而且,对弯曲段曲率半径的确定不够合理和准确,基本上是以钻杆、管线极限弯曲强度等限制条件来确定的,没有考虑施工区域岩土性质对造斜弯曲的影响,致使设计轨迹的合理性和可操作性差。针对存在的问题,本文主要从以下方面对非开挖导向钻进轨迹的三维优化设计进行了研究和探讨:（1）导向强度解析计算与室内模拟试验分析在不考虑水射流冲刷软化效应和钻具自重影响的前提下,对顶进过程中的导向钻头进行了详细的受力分析,得出了钻孔发生变向弯曲的本质机理:在钻孔弯曲曲率较小时,斜掌面以下的土体由于承受较大的压力而发生局部剪切破坏,土体被强迫快速挤压到钻头体底侧,冲剪出大部分的钻孔空间。由于斜掌面作用力垂直分力的存在,钻头体顶侧的土体将发生压缩变形,形成钻孔空间的剩余部分。因此,导向强度的大小主要由钻头体顶侧土体与斜掌面下方土体变形量的权重决定。在此分析结论的前提下,建立了与岩土性质相关的求解导向强度基本方程:Fz·Lb=Mr（Gs）+Ft（Gs）·lt（Gs）由于岩土材料的特殊性,且现存的本构关系也不能放映真实土的特性,所以准确地确定斜掌面作用力和钻头体顶侧的等效合力并非容易。文中根据材料力学及土力学中较成熟的极限承载力理论和圆孔扩张理论,经过合理地简化,建立了一般情况下的导向强度解析计算公式,考虑的影响因素包括:钻杆的外径Dr、内径dr和弹性模量Er;导向钻头体直径Db、长度Lb、斜掌面倾斜角度α和斜掌面尺寸（宽度和长度）;土的重度)γ、黏聚力c、内摩擦角φ、弹性模量Es、泊松比μ、导向钻头上方所有土层的加权平均重度γ0和导向钻头的当前埋深D。大量的试算结果表明,利用此模型计算出的导向强度值与实际经验值很接近,各因素对导向强度的影响与实际较吻合。同时,为了进一步研究和校验所建立的导向强度计算模型,自行设计了一套与理论分析条件吻合的导向强度室内模拟试验装置。通过多次模拟试验,定量分析了钻具特性和岩土性质对导向强度的影响关系。试验结果证实了本文所提出的导向强度分析方法和求解思路是正确的。（2）导向孔轨迹三维优化设计理论研究导向强度是进行导向孔轨迹设计的关键参数,它决定了钻孔弯曲的剧烈程度,其不仅取决于造斜工具的造斜能力,而且与土层的造斜能力密切相关。此外,导向强度的确定还必须结合钻杆安全工作的极限弯曲程度、拟铺设管线的工作要求等限制条件。结合工程实际情况,提出了导向强度设计值Gsd的确定方法:Gsd=Gs≤min([irs],[ips],[icp],…)并对钻杆安全工作的钻孔极限弯曲强度irs、管道安全工作的钻孔极限弯曲强度ips和检验仪器等刚性柱体顺利通过管道的钻孔极限弯曲强度icp的计算方法进行简要介绍。在确定合理的导向强度设计值Gsd的基础上,提出导向孔轨迹三维模拟设计理论和控制点法智能设计理论。研究并建立了保直钻进段轨迹计算模型、顶进造斜段轨迹计算模型和复杂条件下复杂轨迹形式的控制点法智能优化设计理论与计算模型。（3）导向孔轨迹三维可视化设计软件的开发以导向强度理论和轨迹优化设计理论为基础,采用Visual C++软件开发平台,运用OpenGL三维图形库开发了具有国际先进水平的“水平钻进导向孔轨迹三维模拟及辅助设计系统”软件。软件实现了地形、地貌、地表建筑物、地层分布、原有地下管线及障碍物、工作坑、钻孔轨迹的三维可视化,按照具体的工程条件建立全三维量化施工模型;能够结合岩土性质、原有地下管线分布、机械设备特性等施工条件进行导向孔轨迹模拟控制仿真设计和智能优化设计,并且在设计轨迹过程中程序能够自动进行导向强度的计算与更正,同时提供设计轨迹相应的施工指导方案。该系统具有形象逼真的三维可视化视图和二维量化视图模式,能够多角度、全方位进行观测、设计和控制;具有功能强大的EXCEL、AutoCAD文件自动识别与数据导入,详细设计数据、设计轨迹图、竣工轨迹图打印输出等功能。计算机及可视化技术在导向钻进轨迹设计上的合理运用,不仅让轨迹设计更直观、快捷、合理,为非开挖导向孔轨迹的优化设计提供了全新的设计理念和操作平台,而且对非开挖铺管工程的规划、施工、管理、验收、资料存储等环节都具有一定的科学意义。