近年来随着非开挖技术的广泛应用，保护环境，节约成本，减少对已建公共设施，构筑物的破坏，水平定向钻施工技术以其明显的经济效益，在河流、山体穿越及城镇市政工程中越来越多地被人们所接受。

水平定向钻导向孔施工是根据预先设计的穿越曲线，钻头向前推进时,发射器发射出来的信号被地表接收器所接收和追踪,通过监视钻头方向、深度和其他参数，控制钻头姿态实施定向钻进，从而完成出土点与入土点贯通的一项重要施工工序。导向孔成孔轨迹是决定管道最终敷设路由的重要因素，所以精准控制导向孔钻进轨迹是水平定向钻穿越施工的重中之重。

01.导向孔施工原理

斜板导向钻头通常带有一个斜面的钻头和放置信号发射器的腔体,钻头腔内放有一个探头或发射器；牙轮钻头导向通常连接带有角度的螺杆马达后再连接无磁钻铤，无磁钻铤腔内放有一个探头或发射器。

在导向钻进过程中,钻头有两种方式运动:顶进钻进和回转钻进。

顶进钻进：钻杆只顶进不回转时,即只有推力的作用时,则钻头所受反作用力方向始终朝着某一方向，钻头将朝该方向前进,从而实现造斜钻进。

回转钻进：导向钻头匀速回转钻进时,在钻进推力的作用下,土层作用在造斜面上的反力的方向也沿圆周作均匀变化，钻头进行保直钻进。

02.导向仪相关参数

1、导向仪

为使钻孔轨迹与设计轨迹相一致，在导向孔施工过程中，需要我们对钻孔轨迹的空间位置，进行精准把控。

导向孔钻进轨迹的实时测量由控向系统(以下称导向系统)完成，导向系统主要由探测器（探棒、P2、陀螺仪）、控制终端、控向应用程序组成。探测器安装固定在无磁钻铤内，通过其内部的磁场传感器和重力传感器测量方位角、倾角和工具角等参数。

控向技术人员通过一系列参数调整钻头的钻进方向及姿态达到定向钻进和纠偏的目的。

P2控向系统及配套的陀螺导向仪

2、导向参数

导向系统中的探测器在由地下反馈到控制终端的参数主要有倾角、方位角、工具角数据，控向应用程序根据探测器反馈的参数和钻杆长度计算穿越距离、深度、左右偏离量等并显示参数，指导司钻进行下一步钻进操作。

2.1 倾角θ

倾角指的是探测器的倾斜程度，由于水平定向钻技术是借鉴石油钻井技术发展而来的，所以水平定向钻倾角的含义仍需参照石油钻井中的定义，即探测器与竖直方向的夹角。探测器头部指向正下时倾角为0，探测器头部指向正上时倾角为180°，探测器头部水平时倾角为 90°。探测器头部在竖直向下到竖直向上的变化过程中，倾角从0变化到180°，倾角示意图见下图 ；

2.2 工具角（面向角）α

工具面--在造斜钻具组合中，由弯曲工具的两个轴线所决定的那个平面，称为工具面。工具角指的工具面绕自身轴线旋转过的角度,即探测器绕轴线顺时针(自探测器尾向探测器头看)旋转一周,工具角的变化范围是 0°~360°,工具角平面图和示意图 ：

2.3 方位角Ø

方位角又称地平经度(Azimuth (angle)缩写Az)，是在平面上量度物体之间的角度差的方法之一。是从某点的指北方向线起，依顺时针方向到目标方向线之间的水平夹角。由于每点都有真北、磁北和不同的指北方向线，因此，从某点到某一目标，就有不同方位角。

方位角指的是探测器头部的水平朝向，是探测器在水平面上的投影与地磁北极之间的夹角。对于大多数导向系统，当探测器头部指向正北时，方位角为0°;当探测器头部指向正南时，方位角为 180°;当探测器头部指向正东时，方位角为90°;当探测器头部指向正西时，方位角为 270°。观察者俯视探测器时(探测器头部指向正北)，探测器顺时针旋转，由此确定的方位角自0~360°变化，方位角示意图：

2.4控向参数的测量及原理

控向参数的测量由探测器内的磁场传感器和加速度传感器完成，加速度传感器通过测量地球的重力场获得探测器的倾角和工具角，磁场传感器主要通过测量地球磁场再结合重力场计算出探测器的方位角。

探测器由三个加速度传感器Gx、Gy、Gz和三个磁感应传感器Hx、Hy、Hz组成。以探测器导向管轴线方向为x轴，以世界坐标系(右手系)为参考坐标系，探测器导向系统的坐标如图所示:

03.导向钻进实施

探测器通过贯穿于钻杆内部的信号线与钻机主轴上的滑环连接，再将信号线引入控制室内并连接至控制终端。

数据测量时，控制终端通过信号线向探测器供电，探测器测量的数据再以载波信号的形式反馈回控制终端,最后再由计算机控向软件对数据做进一步数据化、图形化处理。

计算机控向软件计算的导向孔轨迹数据主要为水平长度、深度、左右偏差等，这些参数是通过磁传感器和重力传感器检测大地磁场和重力场后，计算出钻头倾角和方位角，进而计算出导向孔轨迹数据等参数。

由于导向孔钻进是逐根钻杆累加的过程，控向系统计算的钻进轨迹数据也是逐根累加的结果，所以每一根钻杆在下钻前应记录其长度1-3=1-1*9/10+2*9-7=3，下钻完成后控向软件在上一根钻杆的基础上，将此钻杆在穿越中心线、断面和平面上的投影数据累加得到探测器此时的穿越位置。

计算机控向软件在计算完每根钻杆的位置数据后，以钻进轨迹的形式在显示界面呈现，随着近年来控向软件的迅速发展，其不仅能显示测量、计算出的钻进轨迹，还可将带有地质情况的设计穿越曲线导入控向软件中并形成底图。

导向孔钻进时的钻进轨迹可呈现在导入的设计穿越曲线上，直观对比实际钻进轨迹与设计穿越曲线的差别，更好地对导向孔钻进进行实时控制。

04.钻导向孔的控制

钻导向孔的钻具组合为：钻头+造斜短接+钻杆。导向传感器装在钻头后舱内并紧固，在导向孔钻进过程中使用有线导向系统，出入土两侧地面布置地面信标系统，钻头内传感器发射的信号将钻具的位置反馈到导向控制室便于司钻随时掌握方向，利用地面信标系统可以准确找出穿越中心线的方位角，同时可以记录钻头与地平面的夹角值。