高精度液压螺旋水平定向钻技术领域
本实用新型涉及市政管道工程及地下暗挖管幕支护工程等技术领域，适用于城市
狭小施工作业空间的管道铺设、复杂地层的穿越及管间距较小的群管管幕顶进，具体地说
属于一种高精度液压螺旋水平定向钻。
背景技术
目前城市地下管网铺设多采用人工顶管和水平定向钻等施工工艺，就人工顶管施
工技术而言，第一，受管径限制，直径小于600mm的人工顶管无法完成；第二，人工挖孔直径
大于管径，易造成路面沉降，甚至塌陷，对于路面交通安全及管内作业人员的人身安全造成
严重威胁；第三，人工顶管作业空间有限，且管内潮湿缺氧无法连续作业，施工工期延长；第
四，人工挖掘成孔不规则及普通千斤顶顶进时管道受力不均，极易造成管位轴线偏移，顶进
精度较差；第五，顶进设备落后，装卸顶铁低效繁琐，无法完成长距离管道施工。就水平定向
钻施工技术而言，第一，控向仪器的信号接收易受磁场、地下已布设管道材质及所布设管道
的埋设深度等影响，控向定位精度较差；第二，泥浆扩孔易造成地面隆起或沉降，同时对环
境污染较大；第三，城市地下管道施工易受施工现场条件制约。
目前地下暗挖管幕支护工程多采用超前管棚支护和人工顶管等施工工艺，采用超
前管棚支护施工技术，施工距离短，管棚结构整体性较差，对于长距离的管棚支护须分段进
行，而采用人工顶管施工技术无法满足锁扣式连接的管棚施工精度要求，同时由于孔位超
挖易造成地表沉降。
发明内容
本实用新型目的是为了解决穿越安全风险大，穿越距离短，管径受限，穿越精度低
等问题。
本实用新型为解决上述技术问题采取的技术方案是:高精度液压螺旋水平定向
钻，配备高精度控向装置系统，装置系统中的光标捕捉装置与调节支架通过螺纹连接固定，
其中，光标捕捉装置安装有管位轴线对中装置和轴线变化可视调节装置；光信号拾取输出
装置通过焦距调节装置与光标捕捉装置同轴固定连接，信号转换装置通过信号传输数据线
与光信号拾取输出装置固定连接，显示输出装置通过传输信号线与信号转换装置固定连
接。导轨支架采用方钢组合焊接，导轨支架竖向支撑梁外侧通过定位钢板与导轨水平调节
装置的调节螺母焊接连接，导轨支架上平面两侧各安装一个行走导轨，行走导轨内侧分布
有对称的等间距同心定位孔，动力机头结构架体水平安放在行走导轨上，结构架体上下两
侧及内侧均安装有滑轨，且下侧滑轨可拆卸，滑轨与行走导轨有间隙。液压顶进装置中的顶
进油缸的缸体嵌入动力机头内部，并与动力机头采用螺栓连接，杆体一端套在法兰盘内，法
兰盘与后座挡板槽采用螺栓连接，顶进油缸管路与液压油缸回路固定连接。两个顶进油缸
同步定位装置采用因耳环连接方式，一端与后座挡板槽内底部四方座架采用螺栓固定连
接，另一端与定位销采用螺纹连接，顶进油缸同步定位装置与液压油缸回路固定连接。传动
装置水平安放在动力机头结构架体上的浮动行走轨道上，传动装置的结构架体两侧均安装
有滑轨，滑轨与浮动行走轨道有间隙，传动装置与液压总成固定连接。液压驱动马达与液压
总成固定连接，液压驱动马达四方座通过螺栓与传动装置固定连接。动力头浮动装置中的
液压油缸缸体嵌入动力机头内部，并与动力机头采用螺栓连接，杆体与传动装置通过螺栓
固定连接，动力头浮动装置管路与液压油缸回路固定连接。动力头短接一端与传动装置通
过法兰盘采用定位螺丝固定连接，另一端与导向钻杆连接头承插连接，动力头短接与导向
钻杆连接头之间采用定位螺丝连接，顶管盘与动力机头通过圆钢同心连接，动力头回拉装
置通过螺栓固定连接在动力机头壳体顶部，动力头回拉装置与液压总成固定连接。
导向钻杆连接头一端与动力头短接采用八方套承插的连接形式，其梯形扣上均匀
分布有锥形孔槽，动力头短接上对应均匀分布有丝孔，导向钻杆连接头与动力头短接通过
定位螺丝固定连接。导向钻杆连接头与导向钻杆亦采用八方套连接形式，八方套两侧对称
分布有定位销孔，导向钻杆采用八方套连接，定位销固定的连接形式。
动力头短接与螺旋钻杆、螺旋钻杆与扩孔钻头均采用八方套连接、定位螺丝固定
的连接方式。
导向钻杆、螺旋钻杆、扩孔钻头均为中空结构，导向钻杆与螺旋钻杆杆体内径，螺
旋钻杆与顶进工作管内径均有配合间隙。
液压总成的组成：液压总成的一侧有两个液压油管接口，液压总成的内部进口回
路串联有一个由二位四通电磁阀和先导阀组成的阀组，阀组后面的液压管路分别并联有液
压油缸回路，液压驱动马达回路，动力头回拉装置回路。
液压油缸回路进口串联有一个二位四通电磁阀，二位四通电磁阀后面的液压管路
分别并联有顶进油缸回路，顶进油缸同步定位装置回路，浮动液压油缸回路。
顶进油缸回路两液压通道串联换向阀后与顶进油缸连接，换向阀的手柄作为顶进
油缸的控制阀。
顶进油缸同步定位装置回路两液压通道串联换向阀后与定位油缸连接，换向阀的
手柄作为定位油缸的控制阀。
浮动液压油缸回路两液压通道串联换向阀后与浮动液压油缸连接，换向阀的手柄
作为浮动液压油缸的控制阀。
液压驱动马达回路两个液压通道串联比例阀后与液压驱动马达连接，比例阀的手
柄作为液压驱动马达的控制阀。
动力头回拉装置回路两个液压通道串联比例阀后与回拉装置连接，比例阀的手柄
作为动力头回拉装置的控制阀。
本实用新型具有如下有益效果：采用机械钻进大大降低了人员劳动强度，有效缩
短施工工期，同时避免由于人工超挖造成的路面塌陷等不安全事故的发生，解决了管径限
制的问题，最重要的是本实用新型采用高精度控向装置系统，避免了外界附着物对接收信
号的干扰，同时信号强弱不受管道埋深的限制，此外，本实用新型采用导向牵引管道钻进的
结构设计理念，有效控制管道顶进时由于地层不均等因素造成的轴线偏移，在提高工作效
率的同时，也保证了高精度的管道铺设要求。
附图说明
图1 本实用新型的结构示意图；
图2 本实用新型的液压系统示意图；
图3 本实用新型的导向钻杆、螺旋叶片和扩孔钻头工作示意图；
图中 1-光标捕捉装置，2-焦距调节装置，3-光信号拾取输出装置，4-信号传输数
据线，5-信号转换装置，6-传输信号线，7-显示输出装置，8-轴线变化可视调节装置，9-管位
轴线对中装置，10-调节支架，11-导轨水平调节装置，12-定位孔，13-行走导轨，14-顶进油
缸，15-浮动行走轨道，16-液压驱动马达，17-动力头回拉装置，18-传动装置，19-顶管盘，
20-动力头短接，21-浮动液压油缸，22-顶进油缸同步定位装置，23-导轨支架，24-动力机
头，25-后座挡板槽，26-液压控制阀，27-换向阀，28-比例阀,29-电缆，30-液压总成，31-螺
旋钻杆，32-扩孔钻头，33-导向钻头，34-发光装置，35-导向钻杆。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行进一步说明：
高精度液压螺旋水平定向钻，配备高精度控向装置系统，装置系统中的光标捕捉
装置（1）与调节支架（10）通过螺纹连接固定，其中，光标捕捉装置（1）安装有管位轴线对中
装置（9）和轴线变化可视调节装置（8），利用管位轴线对中装置（9）通过调节支架（10）使光
标捕捉装置（1）中的照准视轴与管位设计轴线重合，利用轴线变化可视调节装置（8）实时观
测光标捕捉装置（1）照准视轴的轴线偏移，及时调整，控制顶进轴线精度；光信号拾取输出
装置（3）通过焦距调节装置（2）与光标捕捉装置（1）同轴固定连接，信号转换装置（5）通过信
号传输数据线（4）与光信号拾取输出装置（3）固定连接，显示输出装置（7）通过传输信号线
（6）与信号转换装置（5）固定连接，通过显示输出装置实时成像功能能够观察到导向钻头
（33）内的发光装置（34）与管位设计轴线的偏差位移及偏差量的大小。导轨支架（23）采用方
钢组合焊接，导轨支架（23）上平面两侧各安装一个行走导轨（13），行走导轨（13）内侧分布
有对称的等间距同心定位孔（12），导轨支架（23）竖向支撑梁外侧通过定位钢板与导轨水平
调节装置（11）的调节螺母焊接连接，通过水准仪对钻机轨道进行标高测量，转动轨道水平
调节装置的调节螺栓使钻机水平，且钻心轴线与管位设计轴线重合。动力机头（24）结构架
体水平安放在行走导轨（13）上，结构架体上下两侧及内侧均安装有滑轨，且下侧滑轨可拆
卸，滑轨表面用螺丝固定有耐磨板，滑轨与行走导轨（13）有间隙，保证动力机头在导轨上行
走顺畅，下侧滑轨的固定安装同时避免动力机头顶进受力时出现前起或后翘的现象，造成
顶进轴线的变化。后座挡板槽（25）与动力机头（24）之间平行对称排列有两个顶进油缸
（14），液压顶进装置中的两个顶进油缸（14）的缸体嵌入动力机头（24）内部，并与动力机头
（24）采用螺栓连接，杆体一端套在法兰盘内，法兰盘与后座挡板槽（25）采用螺栓连接，保证
顶进油缸（14）与后座挡板槽（25）垂直连接，避免顶进时杆体受偏向力的影响造成杆体损
坏，顶进油缸（14）管路与液压油缸回路固定连接，两个顶进油缸同步定位装置（22）对称分
布在后座挡板槽（25）内，采用因耳环连接方式，一端与后座挡板槽（25）内底部四方座架采
用螺栓固定连接，另一端与定位销采用螺纹连接，定位销安装在后座挡板槽（25）上与行走
导轨（13）内侧接触面的销槽内，定位销起到固定后座挡板槽（25）的作用，保证顶进油缸
（14）在工作时后座挡板槽（25）与两侧行走导轨（13）垂直连接，使顶进油缸（14）同步伸缩，
顶进油缸同步定位装置（22）与液压油缸回路固定连接，传动装置（18）水平安放在动力机头
（24）结构架体上的浮动行走轨道（15）上，传动装置（18）的结构架体两侧均安装有滑轨，滑
轨与浮动行走轨道（15）有间隙，液压驱动马达（16）与液压总成（30）固定连接，液压驱动马
达（16）四方座与传动装置（18）通过螺栓固定连接，动力头浮动装置中的两个浮动液压油缸
（21）缸体嵌入动力机头（24）内部，并与动力机头（24）采用螺栓连接，杆体与传动装置（18）
通过螺栓固定连接，两个浮动液压油缸（21）对称平行分布在传动装置（18）两侧，与液压油
缸回路固定连接，动力头短接（20）一端与传动装置（18）通过法兰盘采用定位螺丝固定连
接，另一端与导向钻杆连接头承插连接，动力头短接（20）与导向钻杆连接头之间采用定位
螺丝连接，顶管盘（19）分为内盘和外盘，内盘与动力机头（24）通过圆钢同心连接，不同管径
选用不同规格的外盘，外盘与内盘通过螺栓固定连接，动力头回拉装置（17）通过螺栓固定
连接在动力机头（24）壳体顶部，动力头回拉装置（17）与液压总成（30）固定连接。
导向钻杆连接头一端与动力头短接（20）采用八方套承插的连接形式，其梯形扣上
均匀分布有锥形孔槽，动力头短接（20）上对应均匀分布有丝孔，导向钻杆连接头与动力头
短接（20）通过定位螺丝固定连接。导向钻杆连接头与导向钻杆（35）亦采用八方套连接形
式，八方套两侧对称分布有定位销孔，导向钻杆（35）采用八方套连接、定位销固定的连接形
式。
动力头短接（20）与螺旋钻杆（31），螺旋钻杆（31）与扩孔钻头（32）均采用八方套连
接、定位螺丝固定的连接方式。
导向钻杆（35）、螺旋钻杆（31）、扩孔钻头（32）均为中空结构，导向钻杆（35）与螺旋
钻杆（31）杆体内径，螺旋钻杆（31）与顶进工作管内径均有配合间隙，以减小钻进过程中的
扭矩。
液压总成的组成：液压总成（30）的一侧有两个液压油管接口，液压总成的内部进
口回路串联有一个由二位四通电磁阀和先导阀组成的阀组，阀组后面的液压管路分别并联
有液压油缸回路，液压驱动马达（16）回路，动力头回拉装置（17）回路。
液压油缸回路进口串联有一个二位四通电磁阀，二位四通电磁阀后面的液压管路
分别并联有顶进油缸（14）回路，顶进油缸同步定位装置（22）回路，浮动液压油缸（21）回路。
顶进油缸（14）回路两液压通道串联换向阀后与顶进油缸（14）连接，换向阀的手柄
作为顶进油缸（14）的控制阀。
顶进油缸同步定位装置（22）回路两液压通道串联换向阀后与定位油缸连接，换向
阀的手柄作为顶进油缸同步定位装置（22）的控制阀。
浮动液压油缸（21）回路两液压通道串联换向阀后与浮动液压油缸（21）连接，换向
阀的手柄作为浮动液压油缸（21）的控制阀。
液压驱动马达（16）回路两个液压通道串联比例阀后与液压驱动马达（16）连接，比
例阀的手柄作为液压驱动马达（16）的控制阀。
动力头回拉装置（17）回路两个液压通道串联比例阀后与回拉装置连接，比例阀的
手柄作为动力头回拉装置（17）的控制阀。
工作时，在入钻一侧开挖工作井，将高精度液压螺旋水平定向钻下入工作井内，使
钻机中线与管位轴线重合，转动导轨水平调节装置（11）将钻机行走导轨（13）调平并使钻心
标高与入钻标高一致，将高精度控向装置系统架设在管位轴线上，调整控向装置系统的轴
线与标高，连接导向钻杆（35），导向钻头（33），按管位设计轴线施工导向孔，导向孔施工过
程中，通过显示装置（7）实时观察导向钻头（33）内发光装置（34）的偏移方向及偏差量大小，
通过操作液压驱动马达（16）上的连接控制阀带动传动装置（18），传动装置（18）通过动力头
短接（20）与导向钻杆（35）连接，调整导向钻头（33）的纠偏方向，如有偏移，通过显示装置
（7）将导向轴线修正到管位轴线上，保证图像始终位于显示装置（7）的中心位置，之后旋转
顶进，将导向钻杆（35）沿管位设计轴线由入钻端逐一顶进直至出钻端，完成高精度导向孔
施工。
导向孔施工结束后，将动力头短接（20）上安装的导向钻杆接头卸下，将有配合间
隙的螺旋钻杆（31）穿入工作管内，连接螺旋钻杆（31）、扩孔钻头（32）及导向钻杆（35），将螺
旋钻杆（31）与传动装置（18）上的动力头短接（20）连接，调整管位标高与轴线，手动操作顶
进油缸同步定位装置（22）的控制阀，将后座挡板槽（25）内两侧定位销伸入行走导轨（13）的
定位孔（12）内固定连接，将扩孔钻头（32）套在导向钻杆（35）上，操作液压驱动马达的控制
阀，通过传动装置（18）带动螺旋钻杆（31）、扩孔钻头（32）旋转，通过控制阀控制顶进油缸
（14）的伸缩，在导向钻杆（35）的牵引下匀速钻进，切削成孔，同时将工作管同步顶进，顶进
油缸（14）行程结束后，将定位销从定位孔（12）中回抽，回收顶进油缸（14）至下一组定位孔
（12）固定后继续顶进，切削的土体通过螺旋叶片旋转输送至工作管外。
完成第一节工作管顶进后，通过操作浮动液压油缸控制阀，使传动装置（18）在浮
动行走轨道（15）上后退，将螺旋钻杆（31）回抽至连接处伸出管外，将下一节工作管吊入钻
机，连接螺旋钻杆（31），然后与前一节工作管通过焊接连接，焊接完成后继续顶进。当遇到
障碍物或地层不均造成管位偏斜时，操作浮动液压油缸（21）的控制阀，使传动装置（18）在
浮动行走轨道（15）上前行，将扩孔钻头（32）伸出管外，扩孔钻头（32）在导向钻杆（35）的牵
引下进行障碍物破除及孔位校正。如此一节一节将工作管顶进，直至完成管线设计长度，然
后利用动力头回拉装置（17）将螺旋钻杆（31）一节一节快速回抽取出，完成高精度管道施
工。
以上实例致使阐述了本实用新型的基本原理和特性，本实用新型不受上述实例限
制，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改变，这些变化
和改变都落入要求保护的本实用新型范围内，本实用新型要求保护范围有所附的权利要求
书及其等效物界定。