多維曲線在城市定向鉆工程中的應(yīng)用

上海煤氣第一管線工程有限公司 徐 斌

1 工程概況

松安路定向鉆工程屬于深圳城市燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)的一部分，燃?xì)夤艿雷詫毎泊蟮琅c松安路交界處起，沿松安路并在其車行道下敷設(shè)。地勘資料顯示，設(shè)計(jì)管位下有連續(xù)約1 100 m含水量大的淤泥段。設(shè)計(jì)穿越長度1 100 m、深度8.5 m，入、出土點(diǎn)地面高程4.00 m，將依次穿越人工填土層、淤泥層、膠黏土層和砂巖層。本工程使用的管道為φ508 mm×9.5 mm直縫雙面埋弧焊鋼管，材質(zhì)為L360(X52)，設(shè)計(jì)壓力1.6 MPa。

受地下構(gòu)筑物、地層、控制紅線等影響，穿越導(dǎo)向軸線無法像常規(guī)定向鉆呈“U”型，水平上呈10°弧度，規(guī)劃給定的穿越位置距離紅線位置不足2 m，水平位置須與道路同弧度彎曲，縱向上，設(shè)計(jì)斷面位置分布有箱涵和污水管。縱向軸線須呈“ ”形狀才能有效避讓地下構(gòu)筑物和不良地層。如何實(shí)現(xiàn)空間多維曲線軌跡的控向，使之精確地按照預(yù)定軌跡鉆進(jìn)，是本定向鉆必須解決的難點(diǎn)。本文經(jīng)分析和計(jì)算后充分利用管道的彈性極限和鉆機(jī)的優(yōu)良性能，通過采取精準(zhǔn)的導(dǎo)向措施來解決這一難題。

2 軌跡設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

圖1為 HDD曲線軌跡最優(yōu)化法設(shè)計(jì)示意，HDD(Horizontal directional drilling，水平定向鉆)鉆孔軌跡設(shè)計(jì)中會遇到兩種情況：一是要繞過障礙物，如有穿越施工垂直平面的或有平行于施工垂直平面的；二是必須經(jīng)過某些特定的點(diǎn)，如圖1中的B、C點(diǎn)。對于第一種要繞過障礙物的情況，也可看成是經(jīng)過滿足與障礙物距離大于安全距離的一些垂直平面內(nèi)的特定點(diǎn)，如圖1中的Gi、Gi+1和Gi+2點(diǎn)。所以，根據(jù)動態(tài)規(guī)劃方法，可把HDD鉆孔軌跡分為若干個階段，如圖1中GiGi+1為一個階段。每階段分別在垂直平面內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后由最優(yōu)化遞推方程得到最終的設(shè)計(jì)鉆孔軌跡[1]。

圖1 HDD曲線軌跡最優(yōu)化法設(shè)計(jì)示意

2.2 動態(tài)規(guī)劃模型的建立

首先，以入土點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立整體坐標(biāo)系O-xyz，對標(biāo)準(zhǔn)形式鉆孔軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì)，但由于地下原有管線眾多，所以預(yù)鋪設(shè)管線穿越BC段會與障礙物相交，或設(shè)計(jì)距離小于安全距離。為了繞開障礙物，現(xiàn)在BC段以曲線形式重新設(shè)計(jì)。若障礙物個數(shù)為n，將其按x坐標(biāo)值從小到大排序，設(shè)B點(diǎn)為G1，C點(diǎn)為Gn，鉆孔軌跡繞過障礙物時穿越點(diǎn)依次為G2，G3，…，Gn－1，則可把BC段鉆孔軌跡設(shè)計(jì)劃分為n－1個階段：B點(diǎn)到第一個障礙物穿越點(diǎn)為第一階段，第一個障礙物穿越點(diǎn)到第二個障礙物穿越點(diǎn)為第二階段；依次類推，最后一個障礙物穿越點(diǎn)到C點(diǎn)為第n－1階段。即各階段依次為：G1→G2→，…，Gn－1→Gn。

在此，把各階段的起點(diǎn)空間位置作為狀態(tài)變量心。設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)處于某一階段的某個狀態(tài)時，需要決策下一階段的狀態(tài)，用ui(ti)表示第i個階段的決策變量，則有狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為ui(ti)=ti+1。如決策變量取值范圍圖2所示。

圖2 決策變量取值范圍示意

在滿足埋管深度范圍要求的條件下，鉆孔軌跡繞過障礙物的穿越點(diǎn)可有多種選擇，即決策變量有一定的取值范圍，稱為可行決策集，用Ui(ti)表示。

顯然，ui∈Ui(ti)。

用Ti(ti，ui)表示第i個階段軌跡所需的鉆進(jìn)臺時數(shù)，則動態(tài)規(guī)劃模型為：

這是一個多階段決策過程。該模型可通過計(jì)算機(jī)遞推求解。設(shè)從第k個階段開始到最后一個階段的最優(yōu)值為fk(tk)，則有：

得出最優(yōu)化遞推方程為

2.3 參數(shù)確定

通過上述分析和計(jì)算，確定的軌跡設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，軌跡計(jì)算見表2[2]，軌跡模型模擬界面見圖3。

表1 軌跡設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 軌跡計(jì)算

圖3 軌跡模型模擬界面

3 控向糾偏及回拖

為順利鉆好導(dǎo)向孔，對控向系統(tǒng)進(jìn)行選擇，并對定向參數(shù)進(jìn)行實(shí)時控制，以確保鉆進(jìn)軌跡符合設(shè)計(jì)要求[3-4]。

3.1 控向系統(tǒng)組成

控向系統(tǒng)由探測器、接口單元、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)和鉆機(jī)控制臺組成。其中：探測器由定向模件(檢測地磁場和重力場的傳感器)、數(shù)字電路和控制電路組成；接口單元包括電源控制電路、解調(diào)電路和接口電路；計(jì)算機(jī)最小應(yīng)有640 kb容量的內(nèi)儲存器，并有并行接口和串行接口；打印機(jī)為普通并行打印機(jī)；鉆機(jī)控制臺包括2個LCD顯示器、驅(qū)動電路和控制電路。

3.2 控向系統(tǒng)工作原理

控向系統(tǒng)的工作原理是利用導(dǎo)航儀的導(dǎo)向作用，使導(dǎo)向鉆頭沿著設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)，導(dǎo)向鉆孔的實(shí)際軌跡與設(shè)計(jì)軌跡相符。完成導(dǎo)向孔施工后，再實(shí)施回拉擴(kuò)孔鋪管，將工作管道鋪設(shè)在設(shè)計(jì)位置。

具體工作過程如下：給探測器供電后，探測器中的傳感器檢測到地磁場和重力場信號，通過導(dǎo)線傳到接口單元，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、微控制電路、調(diào)制器轉(zhuǎn)換為一系列信息數(shù)據(jù)，經(jīng)過檢波輸入計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)控向程序處理，顯示出定向信息，然后將這些參數(shù)(方位角、方位角模式、偏差、工具面)送到鉆機(jī)控制臺?？叵蛉藛T從計(jì)算機(jī)顯示的數(shù)據(jù)就可知道鉆頭離地面的深度、實(shí)際鉆進(jìn)距離、左右偏差等情況，從而根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行下一步方向控制，并告訴司鉆人員下一根鉆桿走向，由司鉆人員進(jìn)行鉆頭行進(jìn)方向的調(diào)整。

3.3 定向參數(shù)

(1)方位角：鉆桿鉆進(jìn)方向的角度，即大地方位角，其范圍為0°～360°。

(2)傾角：鉆桿鉆進(jìn)方向與水平面所成的夾角，其范圍為0°～90°。一般水平定向鉆機(jī)入土角約為10°，設(shè)計(jì)出土角約為9°。

(3)高程：穿越段各點(diǎn)的海拔，為方便起見，用相對高程計(jì)算，即穿越段各點(diǎn)與入土點(diǎn)的高程差。

(4)右偏差：鉆進(jìn)時鉆頭偏離中心線的水平距離，向左偏離中心線數(shù)據(jù)為負(fù)，向右偏離中心線數(shù)據(jù)為正。

3.4 導(dǎo)向孔施工

導(dǎo)向孔施工前先用全站儀將鉆孔中心線標(biāo)在地面上，然后用探測器測量該中心線的方位角。由于穿越出、人土點(diǎn)無法通視，只能通過全站儀進(jìn)行3點(diǎn)倒站，才將中心線方位在地面上標(biāo)定出來。全站儀倒站容易產(chǎn)生誤差，一般情況下應(yīng)盡量減少全站儀的倒站次數(shù)或避免倒站。測量放線完成后就可以進(jìn)行磁方位測量。

3.5 控導(dǎo)向系統(tǒng)

松安路定向鉆工程中采用美國DCI公司SST?地磁導(dǎo)向定位系統(tǒng)。此導(dǎo)向定位系統(tǒng)免去了費(fèi)時費(fèi)力的地面DC柵格的鋪設(shè)過程，為其準(zhǔn)確快捷地完成施工作業(yè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?；赟ST?地磁傳感器特有的小尺寸形體，其旋轉(zhuǎn)半徑可以達(dá)到極小的數(shù)值。SST?地磁導(dǎo)向定位系統(tǒng)以度數(shù)的形式(360°)實(shí)時監(jiān)測鉆頭的方位朝向，并將實(shí)際鉆孔路徑與施工設(shè)計(jì)鉆孔路徑間的深度和橫向位置偏差信息實(shí)時顯示在筆記本電腦上，以供司鉆人員參考，快速進(jìn)行鉆進(jìn)方位調(diào)整。利用Eclipse?接收器和遠(yuǎn)程顯示器，不但可以看到鉆頭的實(shí)時位置和深度信息，還可以利用Eclipse?接收器的地面跟蹤定位功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比確認(rèn)。

松安路定向鉆工程中采用美國DCI公司生產(chǎn)的DIGITARK定向系統(tǒng)。該定位儀可通過坡度、鐘點(diǎn)數(shù)、埋深及三點(diǎn)一線技術(shù)，確保鉆孔軌跡達(dá)到設(shè)計(jì)要的縱向偏差不大于10 m；橫向偏差不大于2 m，實(shí)現(xiàn)了真正意義的引導(dǎo)式鉆進(jìn)，使無停頓鉆進(jìn)成為可能。通過從遠(yuǎn)程顯示器接收的信號，經(jīng)過專用野外作業(yè)筆記本電腦中的軟件進(jìn)行計(jì)算、分析實(shí)時作業(yè)數(shù)據(jù)。司鉆人員根據(jù)電腦分析計(jì)算結(jié)果及遠(yuǎn)程顯示器顯示的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整操作。

3.6 擴(kuò)孔施工

將導(dǎo)向孔孔徑擴(kuò)大至所鋪設(shè)管徑的1.5倍以上，以滿足穿越土層及擬拖管道的要求。鋪設(shè)外徑φ508 mm的鋼管，需要5次預(yù)擴(kuò)孔、1次清孔工作，即φ450 mm、φ550 mm、φ650 mm、φ750 mm、φ850 mm擴(kuò)孔及φ750 mm清孔。

在擴(kuò)孔工作中，司鉆手要密切注意司鉆臺各儀表的讀數(shù)變化，充分掌握地下鉆進(jìn)情況，隨時做好鉆進(jìn)參數(shù)調(diào)整；泥漿工程師觀察井眼泥漿返出情況，以便準(zhǔn)確判斷鉆進(jìn)過程中的地質(zhì)情況，來決策鉆進(jìn)泥漿配比及供給；泥漿工程師隨時與司鉆手保持聯(lián)系，確保擴(kuò)孔成功。

3.7 拖管

拖管過程中不停地注入泥漿，同時鋼管下墊袋裝膨潤土，以減小回拖力防止防腐層被破壞。松安路定向鉆工程中拖管一次成功，過程順利，耗時約8 h，且拖管拉力不大于700 kN，達(dá)到了預(yù)期目的。

4 結(jié)語

在定向鉆管道穿越工程中，無論管道軌跡是平面曲線還是空間曲線或是平面與空間組合的多維曲線，只要對工程進(jìn)行具體詳盡的分析和研究，針對不同工程情況采取可靠的技術(shù)措施進(jìn)行不同的處理，定向鉆穿越工程成功率將大大提高。