一种河道穿越定向钻拖管非开挖智能监测方法与流程

本发明涉及非开挖施工，特别涉及一种河道穿越定向钻拖管非开挖智能监测方法。

背景技术：

1、随着城市化进程加快及能源输送、市政管网等基础设施建设持续推进，地下空间资源日趋紧张。水平定向钻穿越施工技术凭借不开挖地表、不影响交通、不破坏生态环境、施工周期短等突出优势，已成为管道穿越河流、湖泊、道路等障碍物的首选方法。在河道穿越工程中，该技术能够在河床以下一定深度完成管道敷设，既保障航道正常通航，又避免传统开挖对河道生态和水环境的破坏。然而，随着穿越距离不断增大（目前已达千米乃至三千米级）、管径持续增加（如dn820mm及以上）以及地质条件日趋复杂，拖管施工过程中的安全风险显著上升，对管道在回拖阶段的受力状态监测与安全预警提出了更高要求。

2、目前，水平定向钻穿越施工的监测技术主要围绕导向孔钻进阶段的轨迹控制展开，通常采用随钻测量技术实时监测钻头位置、倾角和方位角，以控制钻孔轨迹按设计路径延伸。在扩孔和回拖阶段，钻机上安装的拉力传感器可实时获取回拖力数据，用于判断回拖过程是否受阻。近年来，部分工程开始引入光纤传感技术和惯性测量单元进行管道变形和姿态监测，例如采用陀螺仪定位系统与光纤传感技术结合测量管道三维空间坐标并据此计算应变和弯矩，或在管道前端设置监测段感测回拖过程中的形变。此外，陀螺仪定位系统也用于竣工后对已敷设管道进行三维坐标探测，以核查实际位置与设计轨迹的偏差。上述技术手段的引入在一定程度上提升了施工状态的感知能力，但整体上仍缺乏对整条管道沿程受力状态的连续、实时、同步监测手段，更未形成基于实时监测数据的闭环控制体系。

3、具体而言，现有技术在河道穿越定向钻拖管施工的实时监测与安全控制方面存在以下技术缺陷：第一，光纤传感光缆沿管道外壁敷设时缺乏有效的全程机械保护措施，在长距离回拖过程中易因孔壁摩擦和岩屑冲刷而损伤，导致监测数据中断；同时现有方案仅能获取管道局部管段的形变信息，无法实现沿管道轴向各点的应变分布连续实时测量。第二，管道姿态数据的采集依赖离散分布的少量惯性测量单元，测点间距通常达数十米乃至上百米，难以真实反映管道在钻孔内的连续弯曲形态；且单纯依靠惯性导航积分推算三维坐标存在累积误差，应变数据与姿态数据来自不同采集系统，缺乏严格的时间和空间同步对齐机制，无法有效融合。第三，管道屈曲风险评估依赖设计阶段的事后校核，无法反映施工过程中因实际轨迹偏差和地层条件变化导致的实时受力状态变化，管周孔壁接触应力和屈曲风险无法在拖管过程中动态计算，缺乏实时预警能力。第四，拖管速度和泥浆压力的调整依赖操作人员经验判断，缺乏基于实时风险反馈的定量决策支持，拖管力、泥浆压力与管道受力状态之间的动态耦合关系未被有效建模，无法在屈曲风险升高时自动生成最优调控指令并闭环执行。

4、因此，亟需发明一种河道穿越定向钻拖管非开挖智能监测方法来解决上述问题很有必要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种河道穿越定向钻拖管非开挖智能监测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种河道穿越定向钻拖管非开挖智能监测方法，包括以下步骤：

3、s1：构建穿越河道的地质模型，并确定管道设计轨迹及管材力学参数；

4、s2：在拖管过程中，同步采集沿管道轴向分布的轴向应变分布数据和管道姿态数据，并获取拖管力和孔内泥浆压力；

5、s3：将轴向应变分布数据和管道姿态数据进行时空对齐，通过数据融合解算获得管道在孔内的实时三维位形及相应的弯矩分布；

6、s4：将实时三维位形和弯矩分布加载至地质模型，进行管-土相互作用分析，计算出管周孔壁接触应力和管道屈曲风险指数；

7、s5：当管道屈曲风险指数超过预设安全阈值时，基于管道屈曲风险指数、当前拖管力和孔内泥浆压力，通过优化算法生成拖管速度调节量和泥浆压力调节量，并下发执行，直至屈曲风险指数回落至安全阈值以下。

8、优选地，所述轴向应变分布数据的采集，包括：

9、在拖管的管道外壁沿轴向铺设分布式光纤应变传感光缆，并连接布里渊光时域分析仪；

10、以预设空间采样间隔解调所述光缆中布里渊散射频移，转换为应变值，生成沿管道轴向坐标的轴向应变分布数据。

11、优选地，所述管道姿态数据的采集，包括：

12、在管道内间隔安装多个微机电惯性测量单元，采集各单元的三轴加速度、三轴角速度和地磁向量；

13、对各单元数据进行惯性导航解算，得到各测量点处的管道姿态角序列；

14、对所述管道姿态角序列沿管道轴向插值，获得连续的管道姿态数据。

15、优选地，所述实时三维位形及相应的弯矩分布通过数据融合解算获得，具体为：

16、将所述轴向应变分布数据通过曲率-应变关系转换为实测曲率分布；

17、以管道头端为参考起点，利用所述实测曲率分布和所述管道姿态数据，采用基于四元数的扩展卡尔曼滤波递推估计管道中心线节点坐标，得到所述实时三维位形；

18、根据所述实时三维位形计算相对曲率变化，并结合管材弹性模量和截面惯性矩，输出所述弯矩分布。

19、优选地，所述管周孔壁接触应力的计算，包括：

20、将所述实时三维位形与地质模型中的设计钻孔轨迹进行比对，获得管道相对于孔壁的位移向量；

21、依据地质模型中各地层分段的基床系数，利用温克尔地基梁假设，由所述位移向量计算得到管周孔壁接触应力。

22、优选地，所述管道屈曲风险指数的计算，包括：

23、由所述弯矩分布确定管道最大弯曲应力；

24、利用所述管周孔壁接触应力计算孔壁对管道提供的环向约束刚度；

25、基于所述最大弯曲应力、环向约束刚度、管材屈服强度和管道几何尺寸，通过管道局部屈曲临界载荷计算公式得到当前工况下临界屈曲弯矩；

26、将当前弯矩分布中的最大实际弯矩与所述临界屈曲弯矩的比值作为管道屈曲风险指数。

27、优选地，所述拖管速度调节量和泥浆压力调节量的生成，包括：

28、以管道屈曲风险指数、拖管力、拖管速度和孔内泥浆压力为状态变量，建立拖管过程动态模型；

29、采用模型预测控制方法，在滚动预测时域内，以所述管道屈曲风险指数低于安全阈值且拖管速度调节量最小化为联合优化目标，在线求解得到最优拖管速度调节量和泥浆压力调节量。

30、优选地，所述下发执行，包括：

31、将所述拖管速度调节量发送至钻机拖管控制系统，将所述泥浆压力调节量发送至泥浆泵控制系统，以实时调整拖管速度和孔内泥浆压力；

32、持续采集所述轴向应变分布数据和管道姿态数据，形成闭环反馈，直至管道屈曲风险指数稳定在安全阈值以下。

33、本发明的技术效果和优点：

34、1、本发明通过在管道外壁沿轴向通长铺设分布式光纤应变传感光缆并配合布里渊光时域分析仪解调，实现了拖管过程中沿管道全长的轴向应变分布连续实时采集，为管道受力状态的全面评估提供了完整的数据基础；

35、2、本发明通过在管道内间隔安装多个微机电惯性测量单元并进行惯性导航解算与插值，获得连续的管道姿态数据，结合轴向应变分布数据，实现了管道空间形态的多源信息获取；

36、3、本发明通过将轴向应变分布数据转换为实测曲率分布，并采用基于四元数的扩展卡尔曼滤波递推估计管道中心线节点坐标，实现了应变数据与姿态数据的时空对齐与融合解算，有效抑制了惯性导航的累积误差，获得了高精度的管道实时三维位形及弯矩分布；

37、4、本发明通过将实时三维位形和弯矩分布加载至地质模型进行管-土相互作用分析，基于温克尔地基梁假设由管道相对于孔壁的位移向量计算管周孔壁接触应力，并结合临界屈曲弯矩计算管道屈曲风险指数，实现了拖管过程中管道屈曲风险的实时动态量化评估；

38、5、本发明通过以管道屈曲风险指数、拖管力、拖管速度和孔内泥浆压力为状态变量建立拖管过程动态模型，并采用模型预测控制在滚动预测时域内在线求解最优拖管速度调节量和泥浆压力调节量，实现了基于实时风险反馈的施工参数闭环优化调控；

39、6、本发明通过将拖管速度调节量和泥浆压力调节量分别下发至钻机拖管控制系统和泥浆泵控制系统，并持续采集监测数据形成闭环反馈，直至屈曲风险指数稳定回落至安全阈值以下，实现了河道穿越定向钻拖管全过程的风险自动趋避与智能安全控制。