非开挖定（导）向钻进钻孔轨迹的优化设计及其应用研究
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摘要
随着人们对环境保护和文明施工的日渐重视，非开挖铺设地下管线技术逐渐被人们所喜爱并且取得了巨大发展，目前，非开挖技术已经被国际建筑行业公认为是一个很有发展前景的分支。本文在分析各种非开挖施工技术的基础上，选择了目前非开挖技术领域内效果显著、发展前景较好的定(导)向钻进技术作为研究对象，运用优化设计方法，对其钻孔轨迹进行了系统的研究，其主要内容如下：
1、分析了非开挖定(导)向钻进技术的基本原理及钻孔轨迹的基本特点，指出了传统的钻孔轨迹设计方法存在的主要缺点；
2、对定(导)向钻孔轨迹的物理模型进行的数学抽象，得出了钻孔轨迹和地下障碍物一般的函数关系，并运用样条函数构造出一般的钻孔轨迹的数学方程；
3、根据优化设计原理，提出了寻找最优的钻孔轨迹方程的优化设计方法，并编制了相应的实现程序。
最后，通过在工程实例中的验证，证明了采用三次样条函数方法构造定(导)向钻孔轨迹方程和运用优化设计方法对钻孔轨迹进行优化设计是一种较好的方法，它可以方便地得出性能比较好的钻孔轨迹，一方面：这种方法可以在实际工程中进行应用，有效的指导工程施工；另一方面：这种方法对以后的自备式、智能化定(导)向钻进技术的研究会有一定的借鉴意义。
With the human being's focus on the environmental protection and project constructed culturally, trenchless technologies, appreciated by the people in all fields, have been made a great development in the past few years. At present, they have been regarded as a very prosperous branch of the construction by the international construction field. On the basis of the analyzing about all kind of no-dig methods, the horizontal directional drilling(HDD) and horizontal guided drilling(HGD) technologies, the most efficient and prosperous categories, are selected by the author as research target, the author gives a systematical research on the drilling trail of HDD and HGD by the means of optimal design method.
The main contents of this dissertation are followed: 1?With the analyzing on the fundamental theory and the main characters of HDD and HGD, the author points out the shortcomings about the traditional design method;
2?The author analyzes the drilling trail of HDD and HGD, formulates the links between the drilling trail and the position of the block beneath the horizon, and gives the functional formula about drilling trail with the spline function methods;
3?With the application of the optimal design method, the author gives the method of searching the optimal drilling trail. At the same time, its correspondent software is programmed.
Finally, with the assessment in the practical application, the formula by the spline function and the application of the optimal design method in the drilling trail of HDD and HGD proved to be a good way. In general, the drilling trail with some perfect performances is able to be achieved. These achievements will have two aspect meanings: on the one hand, if this method can be used in the practical construction, the HDD and HGD project would be more convenient and efficient, on the other hand, the method will be some guiding meanings to the automatic construction of HDD and HGD.
1、分析了非开挖定(导)向钻进技术的基本原理及钻孔轨迹的基本特点，指出了传统的钻孔轨迹设计方法存在的主要缺点；
2、对定(导)向钻孔轨迹的物理模型进行的数学抽象，得出了钻孔轨迹和地下障碍物一般的函数关系，并运用样条函数构造出一般的钻孔轨迹的数学方程；
3、根据优化设计原理，提出了寻找最优的钻孔轨迹方程的优化设计方法，并编制了相应的实现程序。
最后，通过在工程实例中的验证，证明了采用三次样条函数方法构造定(导)向钻孔轨迹方程和运用优化设计方法对钻孔轨迹进行优化设计是一种较好的方法，它可以方便地得出性能比较好的钻孔轨迹，一方面：这种方法可以在实际工程中进行应用，有效的指导工程施工；另一方面：这种方法对以后的自备式、智能化定(导)向钻进技术的研究会有一定的借鉴意义。
With the human being's focus on the environmental protection and project constructed culturally, trenchless technologies, appreciated by the people in all fields, have been made a great development in the past few years. At present, they have been regarded as a very prosperous branch of the construction by the international construction field. On the basis of the analyzing about all kind of no-dig methods, the horizontal directional drilling(HDD) and horizontal guided drilling(HGD) technologies, the most efficient and prosperous categories, are selected by the author as research target, the author gives a systematical research on the drilling trail of HDD and HGD by the means of optimal design method.
The main contents of this dissertation are followed: 1?With the analyzing on the fundamental theory and the main characters of HDD and HGD, the author points out the shortcomings about the traditional design method;
2?The author analyzes the drilling trail of HDD and HGD, formulates the links between the drilling trail and the position of the block beneath the horizon, and gives the functional formula about drilling trail with the spline function methods;
3?With the application of the optimal design method, the author gives the method of searching the optimal drilling trail. At the same time, its correspondent software is programmed.
Finally, with the assessment in the practical application, the formula by the spline function and the application of the optimal design method in the drilling trail of HDD and HGD proved to be a good way. In general, the drilling trail with some perfect performances is able to be achieved. These achievements will have two aspect meanings: on the one hand, if this method can be used in the practical construction, the HDD and HGD project would be more convenient and efficient, on the other hand, the method will be some guiding meanings to the automatic construction of HDD and HGD.
引文
[1]、颜纯文D．Stein编著，非开挖铺设地下管线技术及其应用，1999，地震出版社；
[2]、国家统计局网站，http://210.72.32.26/yearbook2001.2002.htm
[3]、叶建良 蒋国盛 窦斌 编著，非开挖铺设地下管线施工技术与实践，2000中国地质大学出版社；
[4]、沈大鸣、曹军，管道：为新世纪输油供气，经济论坛，2000年第2期，p19-20；
[5]、杨昌举、李旭东，发展军民共用输油管选，促进成品油管道建设，天然气与石油，1995年第13卷第1期，p5-7；
[6]、Chakravarty, S.K., Trenchless technology for telephone cables, Telecommunications, Vol.51, issue.2, March-April 2001, p44-8;
[7]、Kramer, Steven R.; Thomson, James C., Trenchless technology in the year 2000 and beyond, Proc Conf Trechless Pipeline Proj, 1997, p 174-182;
[8]、车延岗，导向钻进非开控技术简介，市政技术，2002年第4期，p41-p46；
[9]、Najafi, Mohammad; Rasis, Yona; Gokhale, Sanjiv, An overview of common methods in trenchless technology, Construction and Materials Issues 2001, p 133-144;
[10]、探矿工程编辑部，持续发展的非开挖铺管技术，探矿工程2002(3)p46-49；
[11]、Ariaratnam, Samuel T.; Lueke, Jason S.; Allouche, Erez N., Utilization of trenchless construction methods by Canadian municipalities, Journal of Construction Engineering and Management, 1999, v125. n2, p76-86;
[12]、张志兵，2001，气动冲击锤的计算机模拟研究，中南大学博士论文；
[13]、颜纯文，非开挖管线施工技术的发展及我国对策，岩土钻凿工程，1998第2期；
[14]、黄伟，非开挖铺管技术的环境效益评价研究，2001，重庆大学硕士论文；
[15]、Derr, Henry R., An Opinionated Review of Trenchless Technologies for Pipeline Rehabilitation, Proceedings of the ASCE International Conference on Pipeline Engineering and Construction: New Pipeline Technologies, Security, and Safety, 2003, v.1, 19530-539;
[16]、S．Gokale，北美水平定向钻进现状综述，非开挖技术99(4)p1-4；
[17]、地矿部勘探技术研究所，1995，高压水射流导向钻进非开挖铺管技术及配套设备的研究，地质矿产部勘探技术研究所；
[18]、王鹏、王洪玲等，导向钻进非开挖铺管技术，探矿工程，1996年第6期，p16-18；
[19]、Anon, Trenchless technology today, Pipeline and Gas Journal, 1990, v217, n2, p33-34, 36;
[20]、颜纯文，非开挖地下管线施工设备及其发展趋势，工程机械与维修 2001第5期；
[21]、耿瑞伦，当今非开挖铺设管线技术的新进展，探矿工程，2000年第4期，p54-p56；
[22]、胡汉月，国内外岩石非开挖现状及我国对策，探矿工程 2003(1)p31-34；
[23]、宋翔雁 郝丁，我国非开挖管线工程技术发展现状的调查报告，特种结构，2001(9)Vol．18 No．3：
[24]、刘广志，跨越大江大河以水平定向钻代替江底隧道铺设管缆的建议，信息快递，2000年第3卷第4期，p42；
[25]、李世忠主编，钻探工艺学(上册)，1992年，地质出版社；
[26]、蒋国盛，张家铭，窦斌，定(导)向钻进的轨迹设计地质与勘探 2000年3月第2期；
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[28]、张德龙，蒋荣庆，非开挖导向钻进实际轨迹的控制设计，非开挖技术 2002年第5期；
[29]、宗全兵，张祖培，李月莲，非开挖导向钻进钻孔轨迹的优化设计，西部探矿工程，2000年第3期，p93-94；
[30]、宗全兵、李月莲，非开挖技术与铺管工程的技术，西部探矿工程，1999年第5期，p65-66；
[31]、史晓亮，段隆臣，侯树刚，高辉，导向钻进非开挖轨迹优化设计，煤田地质与勘探，Vol．29No．6 Dec．2001；
[32]、杨春，陈逸，有地下障碍物的非开挖导向钻进钻孔轨迹优化设计，探矿工程2001年增刊，p115-118；
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[34]、王兰锟，水平导向钻(HDD)土层非开挖铺管线的无约束模型，非开挖技术，2002年第6期，p6-p11；
[35]、史晓亮、李粮纲，导向钻进非开挖铺管技术施工工艺和钻具优化，探矿工程第3期；
[36]、Allouche, E.N.; Ariaratnarn, S.T.; AbouRizk, S.M., Applications of horizontal characterization techniques in trenchless construction, Journal of Construction Engineering and Management, 2001, v127, n6, p476-484;
[37]、李岳生 齐东旭著 1979 样条函数方法 科学出版社；
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[39]、胡新如、应建仁、胡静，汽车覆盖件外形设计，成飞情报，1998年第2期；
[40]、李炳威编著，《结构优化设计》，科学出版社，1979；
[41]、孙国正编著，优化设计方法，人民交通出版社，1995年；
[42]、刘惟信编著，机械最优化设计(第二版)，清华大学出版社，1994；
[43]、席少霖，赵凤治编著，《最优化计算方法》，上海科学技术出版社，1983；
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[54]、王鹏 王洪玲等，1998 非开挖铺设地下管线施工技术及设备，地矿部勘探技术研究所；
[55]、地矿部勘探技术研究所，1995，高压水射流导向钻进非开挖铺管技术及配套设备的研究，地质矿产部勘探技术研究所；
[56]、Francis, Mathew, Kwong, James; Kawamura, Kristi, Analysis of Heave and Subsidence Risk for Horizontal Directional Drilling, Proc. of the ASCE Internat. Conf. on Pipeline Eng. and Constr.: New Pipeline Technol. Secur. and Saf., 2003, v2, p1481-1495;
[57]、李庆扬 王能超 易大义编 1986 数值分析 华中科技大学出版社；
[58]、黄友谦 李岳生编著 1987 数值逼近(第二版) 高等教育出版社；
[59]、南京大学数学系计算数学专业编。《最优化方法》，科学出版社，1978；
[60]、张永曙等编著，计算机辅助机和设计的数学方法，西北大学出版社，1986；
[61]、《电子计算机和数控技术在飞机制造中的应用》编写组，电子计算机和数控技术在飞机制造中的应用，国防工业出版社，1978；
[62]、城市工程管线综合规划规范(GB-50289-89)；
[63]、上海岩土工程勘查研究院，城市地下管线探测技术规程，北京，中国建筑工业出版社，1995；
[64]、上海市地方规程，《市政排水管道工程施工及验收规范》(DBJ08-220-96)；
[65]、王贤萍，市政管线的综合规划与管理，中国给水排水，2002，VOL．18，P54-56；
[66]、韩旭里、张孟秋编著，工科数学(上册)，湖南科学技术出版社，1997；
[67]、R.H.Callagher,.O.C.Zienkiewicz, J.W.&Sons Ltd, OPTIMIM, STUCTURAL DESIGN(THEORY AND APPLICATION)陈孝安、丁慧梁译，陈伯平、俞锦云校《最佳结构设计(理论和应用)》，国防工业出版社；
[68]、孙涣纯，柴山，王跃方，离散变量结构优化设计，大连理工大学出版社，1995；
[69]、田水清，面向对象的设计语言，清华大学出版社，1998；
[70]、马健红，沈西挺编著，Visual C++程序设计与软件技术基础，中国水利水电出版社，2002年；
[71]、谭浩强，C语言程序设计，清华大学出版社，1994；
[72]、大型隧道掘进机与地下管线非开挖作业机器人系列产品的研究与开发，国家“十五”863计划“机器人”主题重大专项立项建议书，2000年10月；
[73]、中国非开挖技术协会，中华人民共和国行业规范，定向钻进管线穿越铺设技术规范(初稿)，2001年；
[2]、国家统计局网站，http://210.72.32.26/yearbook2001.2002.htm
[3]、叶建良 蒋国盛 窦斌 编著，非开挖铺设地下管线施工技术与实践，2000中国地质大学出版社；
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