陀螺儀在定向鉆穿越工程中的應(yīng)用

上海煤氣第一管線工程有限公司 鄭仁俊

非開挖施工方式(如定向鉆穿越技術(shù))相對(duì)于傳統(tǒng)的開溝埋管方式具有速度快、質(zhì)量佳、安全可靠有利于環(huán)境保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，尤其在過公路、高速公路、鐵路、大中型河流及湖泊等方面，將管道敷設(shè)的不可行變?yōu)榭尚?。隨著定向鉆穿越技術(shù)的廣泛應(yīng)用，與之形成強(qiáng)烈反差的是定向鉆的管位設(shè)計(jì)與測(cè)量技術(shù)的嚴(yán)重缺失。一方面因?yàn)槿鄙儆行Ь珳?zhǔn)的探測(cè)、測(cè)量技術(shù)，管道施工時(shí)無法按照規(guī)劃管位進(jìn)行，使得寶貴的城市地下空間資源得不到有效利用；另一方面穿越軌跡記錄的不準(zhǔn)確也造成了管道投運(yùn)后時(shí)而發(fā)生第三方管損事故。

由于定向鉆穿越管線一般埋深較深，常規(guī)的地面測(cè)量方法無法直接應(yīng)用，在2017年11月1日開工的上海市天然氣主管網(wǎng)臨港-化工區(qū)天然氣管道二標(biāo)工程中，10條DN800大口徑管道定向鉆穿越施工中全部應(yīng)用了陀螺儀精準(zhǔn)定位技術(shù)，解決了傳統(tǒng)跟測(cè)方法無法解決的非開挖管道深度的探測(cè)難題，定位成果達(dá)到國(guó)際標(biāo)定的誤差范圍，即最大水平誤差≤2.5‰L，最大深度誤差≤1.0‰L，L為管道長(zhǎng)度。

1 定向穿越管道的定位技術(shù)

1.1 管線探測(cè)儀

管線探測(cè)儀由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩部分組成，主要采用電磁感應(yīng)原理，即利用電磁感應(yīng)原理探測(cè)金屬管線以及一些帶有金屬示蹤線的非金屬管道。

使用管線探測(cè)儀的劣勢(shì)在于無法探測(cè)無金屬示蹤線的非金屬管道，在受電磁嚴(yán)重干擾的地方探測(cè)誤差大或不能夠獲得準(zhǔn)確結(jié)果。管道埋深越深，探測(cè)結(jié)果誤差也越大。

1.2 探地雷達(dá)

探地雷達(dá)是以地下各種介質(zhì)的介電常數(shù)差異為物理?xiàng)l件，通過向地下發(fā)射高頻電磁波來探測(cè)地下介質(zhì)分布的無損探測(cè)儀器。它由發(fā)射天線、接收天線和雷達(dá)信號(hào)分析成像系統(tǒng)三部分組成。

使用探地雷達(dá)的劣勢(shì)在于對(duì)環(huán)境要求較高，其結(jié)果受土壤環(huán)境影響大，測(cè)深能力較差，尤其是埋深較深的管線，而且探測(cè)的靈敏度與深度密切相關(guān)，深度越深靈敏度越低。

1.3 陀螺儀

陀螺儀定位技術(shù)是一種國(guó)際領(lǐng)先的管道精確定位技術(shù)，它將陀螺儀原理與計(jì)算機(jī)三維計(jì)算技術(shù)整合在一起，巧妙地綜合利用陀螺儀導(dǎo)航技術(shù)、重力場(chǎng)、計(jì)算機(jī)矢量計(jì)算等交叉學(xué)科原理，自動(dòng)生成基于坐標(biāo)(x，y，z)的地下管道空間曲線圖，從而實(shí)現(xiàn)精確定位。其定位精度：平面2.5‰，高程1.0‰，且不受管道材質(zhì)埋深或周圍環(huán)境及地質(zhì)條件限制。

陀螺儀定位技術(shù)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分由測(cè)量主機(jī)和牽引鋼繩兩部分組成，測(cè)量主機(jī)由支架和陀螺儀構(gòu)成。待管道定向穿越施工完成后，切開管道兩端，將測(cè)量主機(jī)放入被測(cè)管道內(nèi)部，經(jīng)牽引鋼繩拖動(dòng)并在管道內(nèi)通行一個(gè)來回，從而自動(dòng)記錄被測(cè)管道各點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。

在進(jìn)行定位技術(shù)的改良過程中，陀螺儀定位技術(shù)避免了傳統(tǒng)的定向穿越管道定位技術(shù)的局限，不受電磁、金屬、埋設(shè)深度、環(huán)境等因素影響，探測(cè)結(jié)果精度提升。尤其在穿越深度較深、地面環(huán)境復(fù)雜等情況下，陀螺儀定位技術(shù)的探測(cè)精度能夠滿足水平定向鉆施工的埋地燃?xì)夤艿牢恢枚ㄎ痪纫?。在?shí)際運(yùn)用過程中，陀螺儀定位技術(shù)優(yōu)勢(shì)也較為明顯，定向穿越施工工程的質(zhì)量也大幅度提高。

2 陀螺儀定位技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

為了增加天然氣主干管網(wǎng)供應(yīng)能力和運(yùn)行穩(wěn)定性，特別是提高上?；^(qū)用戶的供氣安全性，滿足沿線區(qū)域天然氣用氣市場(chǎng)發(fā)展的需求，特建設(shè)臨港-上?；^(qū)天然氣管道工程項(xiàng)目。本工程全線設(shè)計(jì)壓力6.0 MPa，主要管道規(guī)格為Ф813×15.9，材質(zhì)為L(zhǎng)415M埋弧焊鋼管，設(shè)計(jì)溫度為常溫，屬于GA1級(jí)壓力管道，分為三個(gè)標(biāo)段。

其中化工復(fù)線二標(biāo)工程地處上海奉賢區(qū)，起點(diǎn)于規(guī)劃A3公路至規(guī)劃兩港大道，長(zhǎng)度為13.96 km?；?fù)線二標(biāo)全線共完成 10條定向鉆穿越(見表1)，全部采用了陀螺儀三維精準(zhǔn)定位技術(shù)。其中部分由于場(chǎng)地條件受限等原因，穿越管道只能分二段布管施工，一段回拖后再將第二段焊接上去進(jìn)行回拖，即“二接一”。

表1 化工復(fù)線二標(biāo)段定向鉆工程

2.2 陀螺儀工作流程

陀螺儀設(shè)備主要包括慣性陀螺管道測(cè)量定位儀DUCT RunnerTmDR-HDD-4.1、接線器、卷?yè)P(yáng)機(jī)、牽引鋼絲繩、以及數(shù)據(jù)下載處理軟件X-TRACTION和數(shù)據(jù)分析軟件X-VIEW。

陀螺儀定位工作步驟可概括為以下幾個(gè)部分：

(1)在定向鉆管道回拖前進(jìn)行陀螺儀穿線，此時(shí)需要根據(jù)測(cè)量管道的口徑選擇合適的測(cè)量單元，將測(cè)量單元進(jìn)行組裝，如圖1所示；

(2)對(duì)慣性陀螺管道測(cè)量定位儀 DUCT RunnerTm DR-HDD-4.1進(jìn)行初始化設(shè)定，如圖2所示；

(3)將陀螺儀放入被測(cè)穿越管內(nèi)，用卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引使其在管道中勻速回拖，如圖3所示；

(4)實(shí)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下載和處理分析，并繪制曲線，如圖4所示。

圖1 選擇適合被測(cè)管道的測(cè)量單元

圖2 初始化設(shè)定

圖3 在管道中測(cè)量

圖4 數(shù)據(jù)下載處理分析

3 存在問題及解決措施

陀螺儀三維精準(zhǔn)定位技術(shù)在化工區(qū)復(fù)線二標(biāo)段定向地下管道的應(yīng)用實(shí)踐總體上是可行的，但現(xiàn)場(chǎng)仍需要解決兩大難題：一是需要解決大口徑管道穿線的問題，二是需要解決二接一回拖接線的問題，解決好這兩個(gè)問題陀螺儀三維精準(zhǔn)定位技術(shù)才可能在以后進(jìn)行推廣應(yīng)用。

3.1 大口徑管道穿線問題

陀螺儀應(yīng)用于≤DN300以下的短距離定向鉆穿越管道的深度測(cè)量技術(shù)是成熟的，但對(duì)于≥DN500且較長(zhǎng)距離的定向鉆穿越時(shí)會(huì)發(fā)生由于傳統(tǒng)導(dǎo)桿穿線方法受阻而無法實(shí)施測(cè)量的情況。該標(biāo)段中的海農(nóng)公路定向鉆穿越工程，口徑DN800，長(zhǎng)度650 m，是首個(gè)應(yīng)用陀螺儀的項(xiàng)目，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)無法采用傳統(tǒng)導(dǎo)桿進(jìn)行陀螺儀的穿線。經(jīng)過多次的方案論證，最終設(shè)計(jì)了管道牽引車爬管器，采用了反向?qū)蛹夹g(shù)進(jìn)行了陀螺儀的穿線。在后續(xù)的工程中不斷根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)該爬管器進(jìn)行了改進(jìn)，為后續(xù)的定向鉆工程應(yīng)用陀螺儀檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

3.2 二接一回拖接線問題

燃?xì)夤芫€在施工過程中，有時(shí)因布管場(chǎng)地的影響，只能將一條定向穿越的管線進(jìn)行兩段的平行布管。在回拖的過程中，等第一段管道回托到一定位置時(shí)，再將第二段管道焊接上去，再進(jìn)行回拖，如“中心河二接一”定向鉆穿越工程。

在該工程的回拖中，原來是沒有接線器的，接線僅是依靠手工將固定在兩根管端的鋼絲繩打個(gè)“死結(jié)”。由于重力的作用，這個(gè)鋼絲繩“死結(jié)”就下垂在管道“六點(diǎn)位”附近。當(dāng)兩段管道組對(duì)焊接時(shí)，熔融的金屬溫度存在著將鋼絲繩“死結(jié)”燒化的風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際施工時(shí)，也考慮過鋼絲繩“死結(jié)”挪在木條上并用磚塊墊起后再進(jìn)行焊接，這種方法雖然能起到增加與焊接的距離達(dá)到隔熱的目的，但終究治標(biāo)不治本。綜合現(xiàn)場(chǎng)多種情況，我們制作了鋼絲繩連接器，如圖5所示，兩段鋼絲繩在打結(jié)連接后從連接桿內(nèi)穿過，由兩側(cè)的球形端穿出，再在球形端二頭打結(jié)綁住，便于陀螺儀測(cè)量定位完成后拖拉出定向鉆母管。改成球形端后由于小球直徑足夠大，有一定空間，避免了焊花飛濺燒傷鋼絲繩，同時(shí)也大大減少了與管壁的摩擦力，遇到小的障礙物，既容易從其上部翻滾過，也便于最后的取出。

圖5 鋼絲繩連接器

在實(shí)際應(yīng)用中，上述設(shè)計(jì)既對(duì)鋼繩采取了有效的保護(hù)，避免了在焊接過程中鋼絲繩的熔裂，又能確保陀螺儀平穩(wěn)地穿過管道，并獲得準(zhǔn)確可靠的穿越管定位數(shù)據(jù)。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 數(shù)據(jù)比對(duì)

采用陀螺儀進(jìn)行三維精準(zhǔn)定位后的定向穿越工程的管線數(shù)據(jù)可形成3條曲線，分別為理想狀態(tài)下的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)曲線、導(dǎo)向儀導(dǎo)向過程的數(shù)據(jù)曲線、穿越管線回拖完成后用陀螺儀檢測(cè)繪制的數(shù)據(jù)曲線。其中，導(dǎo)向過程中導(dǎo)向儀測(cè)得的數(shù)據(jù)，即導(dǎo)向成孔位置數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)偏差為米級(jí)；陀螺儀是管線回拖好，測(cè)量定位的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)偏差為厘米級(jí)。上述兩者與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)之間肯定存在偏差，表2中列出了在該標(biāo)段定向鉆穿越工程中的最大偏差值。

表2 陀螺儀定位數(shù)據(jù)與導(dǎo)向儀定位數(shù)據(jù)對(duì)比

上表中，里程為設(shè)計(jì)圖紙中的樁號(hào)。實(shí)際入土點(diǎn)和出土點(diǎn)的測(cè)量均由地質(zhì)調(diào)查院現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)而得，一般允許偏差為1 m。表中F09紅心港由于施工時(shí)引樁錯(cuò)誤，造成入土點(diǎn)偏差為1.06 m，出土點(diǎn)偏差為1.28 m。

4.2 數(shù)據(jù)分析

4.2.1 出入點(diǎn)偏差

對(duì)出/入土點(diǎn)的樁位有偏差，主要是施工時(shí)存在個(gè)別沒有復(fù)測(cè)或復(fù)測(cè)手段不完善而導(dǎo)致的缺陷。解決對(duì)策：非開挖分包加大對(duì)定向鉆出入土點(diǎn)樁位復(fù)核的力度、手段和方法，對(duì)樁位有異議的要提前反映給業(yè)主，請(qǐng)測(cè)繪院重新放樁。

對(duì)因避讓障礙物造成出土點(diǎn)移位而設(shè)計(jì)圖紙沒有及時(shí)調(diào)整而產(chǎn)生的偏差，其解決對(duì)策是在關(guān)鍵部位要及時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。

4.2.2 擴(kuò)孔產(chǎn)生的偏差

在F05大龍港工程中，導(dǎo)向孔軌跡與設(shè)計(jì)管位最大偏差較大，主要原因是土質(zhì)不均勻，淤泥土層和沙質(zhì)土層交叉造成擴(kuò)孔跑偏，誤差加大。解決對(duì)策：施工前期要研究地質(zhì)調(diào)研報(bào)告，根據(jù)不同的土質(zhì)情況制定相應(yīng)的工法，控制擴(kuò)孔的速度方向和用力情況，及時(shí)糾偏。

4.2.3 現(xiàn)場(chǎng)條件受限造成偏差

實(shí)際施工時(shí)經(jīng)常會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)條件的限制而無法布置磁場(chǎng)線圈，從而造成導(dǎo)向數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)管位數(shù)據(jù)偏差看起來不是很大，但最終形成的穿越管位與設(shè)計(jì)管位之間的偏差較大，如F08中心河工程中遇到安息堂無法布置線圈，里程31+282.81處，導(dǎo)向儀數(shù)據(jù)偏差＜0.5 m，陀螺儀檢測(cè)出的管位數(shù)據(jù)偏差值為1.94 m。

總體而言，陀螺儀檢測(cè)到的是定向鉆穿越回拖后的管位數(shù)據(jù)和軌跡，能否較真實(shí)地反映管道在地下空間實(shí)際情況，可以此作為穿越管線施工竣工圖。但在測(cè)量過程中不可避免會(huì)存在誤差。為了回拖時(shí)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，建議用卷?yè)P(yáng)機(jī)拖動(dòng)陀螺儀勻速前進(jìn)，從而得到較穩(wěn)定的檢測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多次的對(duì)比檢測(cè)以降低檢測(cè)中可能存在的系統(tǒng)誤差，一般建議定向鉆回拖后的管道做 3次陀螺儀檢測(cè)為佳。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，陀螺儀三維精準(zhǔn)定位技術(shù)是推動(dòng)燃?xì)舛ㄏ蜚@穿越管線發(fā)展的重要技術(shù)，尤其是通過化工復(fù)線二標(biāo)定向鉆穿越工程中的應(yīng)用實(shí)踐，解決了大口徑管道穿線和“二接一”回拖結(jié)線的兩大難題，促進(jìn)了此項(xiàng)新技術(shù)在化工復(fù)線三個(gè)標(biāo)段全部共 25條定向鉆工程中全部得到成功應(yīng)用。但在應(yīng)用陀螺儀三維精準(zhǔn)定位技術(shù)的過程中還存在著若干問題和不足，這也影響著技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。因此，科研人員應(yīng)該加強(qiáng)這方面技術(shù)的研究，使得陀螺儀三維精準(zhǔn)定位技術(shù)進(jìn)一步提高精準(zhǔn)度，并加大與導(dǎo)向孔數(shù)據(jù)的對(duì)比度，通過對(duì)比來提高導(dǎo)向孔和回拖的精準(zhǔn)度，從源頭上把關(guān)，朝著定向鉆穿越回拖技術(shù)精準(zhǔn)化方向努力，使回拖的管道與設(shè)計(jì)規(guī)劃管位盡量相符，從而為城市地下空間利用創(chuàng)造更先進(jìn)有利的條件。