地磁控向系統(tǒng)在水平定向鉆施工中的應(yīng)用

上海煤氣第二管線工程有限公司 蔡曉春

在如今的燃?xì)馀殴苁┕ぶ?，在城區(qū)采取開挖路面埋設(shè)新管的方式已無法滿足新形勢下城市建設(shè)的要求，而非開挖的施工方法越來越受到人們的重視。水平定向鉆則是其中最具活力的一種非開挖技術(shù)，它具有對地面建筑物和設(shè)施干擾或損壞小、不影響交通及居民出行、施工設(shè)備安裝快、施工效率高、可控制方向、繞避地下障礙及施工精度高等優(yōu)點。水平定向鉆的施工工藝一般可分為導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)、預(yù)擴孔、管線回拖三個步驟。導(dǎo)向孔軌跡的優(yōu)劣直接影響回拖力的大小，而且定向穿越的風(fēng)險避讓很大程度體現(xiàn)在導(dǎo)向鉆進(jìn)這個施工工序上。因此，只有掌握先進(jìn)的控向技術(shù)才能降低風(fēng)險，確保穿越工程的保質(zhì)保量的安全完工。

1 控向技術(shù)的類別

水平定向鉆控向技術(shù)可分為兩類：一類為無線控向技術(shù)，常用于中、小型定向穿越工程，其特點是操作簡單、作業(yè)時間短、成本較低，但其探測深度一般只能達(dá)到15 m以內(nèi)；若穿越工程最大深度超過15 m，則就需要采用第二類控向技術(shù)，即地磁有線控向技術(shù)。地磁有線控向技術(shù)作為一種抗干擾能力強，探測深度深，適合較長距離、較深深度的控向技術(shù)，常用于城市燃?xì)馔猸h(huán)管網(wǎng)及長輸管線等一系列大型非開挖工程。

隨著現(xiàn)在城市燃?xì)夥情_挖施工發(fā)展，非開挖施工條件越來越復(fù)雜，穿越深度超過15 m的非開工程也越來越多，普通的無線控向已無法滿足施工需求，如何將地磁有線控向技術(shù)與城市施工常用的小型鉆機配合越來越受到人們的重視。

本文所描述的地磁有線控向技術(shù)采用了一套美國雪威(Sharewell)公司的新型磁性有線控向系統(tǒng)(又稱MGS定向系統(tǒng))。在這套設(shè)備的引進(jìn)初期，如何將此控向設(shè)備與我們原有的小型水平定向鉆鉆機進(jìn)行整合，使其功能得以發(fā)揮，成了一個急需解決的問題。下文就以濟(jì)陽路天然氣排管工程(穿越川楊河)為例，介紹該技術(shù)的使用情況、遇到的問題及解決方案。

2 地磁控向系統(tǒng)介紹

以美國雪威(Sharewell)公司的 MGS定向系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)有5個主要組成部分，分別是：探棒、司鉆顯示儀、接口儀、計算機和打印機，如圖1所示，其中，探棒裝在1套無磁組件中，包括1根無磁鉆鋌，1根無磁導(dǎo)向短節(jié)和1根帶噴射型鉆具或泥漿馬達(dá)鉆頭的無磁造斜短節(jié)。

圖1 雪威Sharewell有線控向系統(tǒng)組件

其工作原理是探棒的信號經(jīng)由控向線傳導(dǎo)到地面，經(jīng)過接口儀處理后傳輸?shù)剿俱@顯示儀及計算機，提供鉆孔控向的實時信息。導(dǎo)向人員可以直接從計算機讀取各種參數(shù)，不用再沿鉆進(jìn)軌跡跟蹤鉆頭。該系統(tǒng)可以打印導(dǎo)向記錄，對于判斷導(dǎo)向孔是否可用以及竣工資料的收集較為方便。

有別于無線控向信號的電磁波發(fā)射方式，地磁有線控向是通過電線傳輸信號，故信號更加穩(wěn)定可靠。在鉆進(jìn)深度深的情況下使用時，其精確度達(dá)到探棒垂直深度的±2%。

3 地磁控向系統(tǒng)的實際應(yīng)用

3.1 工程概況

上海市濟(jì)陽路(前灘)天然氣排管工程是配套前灘高、中壓調(diào)壓站專用管線，管材為D325 mm ×8 mm高壓無縫鋼管(20#鋼)，需采用水平定向鉆工藝穿越川楊河。該工程管線出、入土點分別位于川楊河兩側(cè)距河口線160 m和140 m處，穿越長度為447 m。其間，經(jīng)排摸船閘護(hù)坡樁標(biāo)高為－15.7 m，地面以下約20.0 m，最大穿越深度為－27.0 m，地面以下27.0 m(過船閘區(qū)域)，距離護(hù)坡樁底7.0 m。

該工程的難點主要有兩點，其一，控向的深度深，約27.0 m，因此控向所需的精度要求高；其二，川楊河河道寬約70 m，即有近70 m的水平距離是在水下鉆進(jìn)，用常規(guī)的無線控向系統(tǒng)根本無法進(jìn)行跟蹤測量。唯一能滿足施工要求的控向方法是采用地磁有線控向技術(shù)。

3.2 地磁控向系統(tǒng)與鉆機連接

實際工程施工中，我們使用的鉆機為美國威猛D80 mm×120 mm小型鉆機。該鉆機為美國威猛制造公司(Vermeer)生產(chǎn)，自動化程度高，鉆機的回轉(zhuǎn)扭矩為16 270 N?m，推進(jìn)最大回拖力為36 287 kg(約36t)。該鉆機設(shè)備長度不超過10 m，非常適合城市燃?xì)夥情_挖施工，在施工斷面異常緊張的城鎮(zhèn)燃?xì)夥情_挖施工機械中占有一席之地。

在將雪威(Sharewell)有線控向系統(tǒng)與公司現(xiàn)有的小型鉆機(美國威猛D80水平定向鉆機)進(jìn)行連接時，需要考慮的是在保證連接信號穩(wěn)定的前提下，盡量減少連接電線的長度和簡潔操作程序。在充分了解該系統(tǒng)工作原理后，首先將探棒裝在一套無磁組件中，探棒尾部的電線從鉆桿中心空隙處穿過，直至鉆機的后部動力頭處；然后通過安裝在動力頭后側(cè)的滑環(huán)將信號傳送至控向室內(nèi)的信息處理接口儀器。經(jīng)處理后得出的數(shù)據(jù)傳出兩路，一路傳輸給控向室內(nèi)的計算機控向軟件，提供數(shù)據(jù)供控向員記錄并下達(dá)控向指令；另一路則顯示給鉆機司鉆員指導(dǎo)司鉆工作。圖2為整個系統(tǒng)的連接和工作示意。

圖2 地磁控向系統(tǒng)連接和工作示意

3.3 工藝流程及關(guān)鍵點

根據(jù)穿越現(xiàn)場的實際情況，穿越入土點場地在申江兩岸的圍墻內(nèi)，整個鉆機場地占地面積為20 m×30 m。本次穿越采用的鉆具主要有：127 mm S135內(nèi)部加厚型鉆桿、241 mm的鑲齒三牙輪鉆頭，以及168 mm的無磁鉆鋌。

與其他水平定向鉆施工工藝相比，采用地磁控向系統(tǒng)的工藝流程要增加一個步驟，即測量方位角和布置線圈，具體工藝流程參見圖3。

圖3 采用地磁控向系統(tǒng)的施工工藝流程

區(qū)別于無線控向，地磁控向無需控向員實時對鉆頭正上方進(jìn)行跟測，它的工作原理是通過計算探棒與大地磁場的夾角來確定自身所處的方位。故對于地磁控向技術(shù)而言，控向參數(shù)(方位角)測量的準(zhǔn)確性很大程度上決定了最終控向軌跡的準(zhǔn)確性。在該施工測量階段，我們采用在入土點沿中心線多測點取平均值的方法，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在穿越中心線上選取 4個點(A、B、C、D)進(jìn)行方位角的測量，4個點的位置如圖4所示。該工程方位角實測A點176.7°，B點176.4°，C點176.5°和D點176.4°，平均值為176.5°。實際測量獲得最佳控向參數(shù)后，做好原始記錄并輸入計算機控向軟件中。

整個工藝流程中，控向鉆進(jìn)也是一道非常關(guān)鍵的工序。在控向階段，控向員與司鉆員緊密配合，控向員根據(jù)設(shè)計曲線發(fā)送指令給司鉆員鉆進(jìn)導(dǎo)向孔。每鉆進(jìn)一根鉆桿，控向員需實時監(jiān)測每根鉆桿的斜角，該斜角在電腦中計算可得出鉆頭實時深度，根據(jù)工程所需的深度隨時調(diào)整下一根鉆桿的斜角，同時，每鉆進(jìn)一根鉆桿控向員還需根據(jù)之前測得的方位角，控制鉆進(jìn)的水平偏差，若返回方位角有變化要及時糾偏。綜合考慮后告知司鉆員如何進(jìn)行下一根鉆桿的控向操作，并如實認(rèn)真地做好控向施工記錄。

司鉆員則需根據(jù)控向員指令操作鉆桿鉆進(jìn)路線，并根據(jù)鉆進(jìn)參數(shù)的變化來判斷地層變化和鉆進(jìn)阻力情況，及時與控向員交流溝通，以便控向員分析判斷，對鉆進(jìn)軌跡進(jìn)行調(diào)整。

圖4 方位角的測量

3.4 遇到的問題及解決方法

3.4.1 滑環(huán)連接處的改進(jìn)

該工程在實際控向過程中并非一帆風(fēng)順，控向過程中多次發(fā)生信號差、信號波動及無信號的情況。經(jīng)過從人員、設(shè)備及工藝上查找原因，發(fā)現(xiàn)原系統(tǒng)配備的滑環(huán)在實際應(yīng)用中存在缺陷。

滑環(huán)位于鉆機動力頭后方，在整套系統(tǒng)中的作用主要有以下兩點：

(1)在從信號棒尾端接出的電線隨鉆桿同步旋轉(zhuǎn)的過程中，使電線不因鉆桿的轉(zhuǎn)動而扭斷，起到一個分動的作用。

(2)與正向電流連接，起到信號傳輸?shù)淖饔谩?/p>

滑環(huán)由2片鐵環(huán)組成，中間通過一個碳刷連接。碳刷主要起傳輸電纜信號的作用。在實際使用中碳刷的磨損非?？?，而且磨損到一定程度就無法保證信號的傳輸。另外，由于滑環(huán)安裝在動力頭的后側(cè)，在卸鉆桿時會受到由鉆桿中心噴涌出的泥漿的沖刷，這也會導(dǎo)致接觸不良。

在充分考慮成本和操作實用性上，我們進(jìn)行了多次的改進(jìn)試驗，采用彈性好的黃銅片代替碳刷，同時增加銅片與滑環(huán)的接觸面，保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。另外，在滑環(huán)中心上設(shè)置一個密封橡膠圈，用于阻擋卸鉆桿時大量泥漿的回沖。此外還定期對黃銅片和密封橡膠圈進(jìn)行檢查和更換，從而大大提高了控向過程中的信號穩(wěn)定程度。

3.4.2 電線規(guī)格的提升

原使用的連接電線為截面積4 mm2的7股束銅線，在實際使用中因其外皮過于薄，容易破皮導(dǎo)致斷線，使施工停頓造成損失。故最終采用6 mm2規(guī)格的7股束銅線作為連接用線，雖然電線成本有所上升，但是牢固程度得到保證。

3.4.3 接線工藝的優(yōu)化

對原有的接線工藝加以改進(jìn)，即6 mm2規(guī)格電線剝出一段外皮后用銅套兩邊夾緊，放熱收縮套，用吹風(fēng)機使收縮套均勻收縮在接線處，并保證完全覆蓋，接完后再輕拉兩端確認(rèn)沒有虛連，保證了接線的質(zhì)量。

以上這些改進(jìn)措施均實際應(yīng)用在濟(jì)陽路天然氣排管工程(穿越川楊河)中，且得到了巨大的效果，大大提高了控向工作的效率。

4 結(jié)語

地磁有線控向系統(tǒng)，既 MGS系統(tǒng)是雪威(Sharewell)公司在水平定向鉆行業(yè)最值得引以為自豪的技術(shù)之一，其市場覆蓋率超過80%。在國內(nèi)也已經(jīng)有多家企業(yè)使用這套系統(tǒng)，這些企業(yè)的規(guī)模有大有小，搭載這套設(shè)備的鉆機也各不相同，在具體的施工應(yīng)用中，需要結(jié)合實際情況進(jìn)行改進(jìn)和提升，如此，方能提升水平定向鉆施工中導(dǎo)向信號的穩(wěn)定性和持續(xù)性。

總結(jié)經(jīng)驗，彌補不足。相信隨著城市地下管線的發(fā)展，城市建設(shè)中將越來越多地運用這項技術(shù)，從而提高整體施工的連貫性和鉆進(jìn)孔的精確性。