聯(lián)合控向技術(shù)在穿越工程中的應(yīng)用實(shí)例

上海煤氣第二管線工程有限公司 陸征宇

水平定向鉆施工已經(jīng)運(yùn)用到各類管道穿越工程中，在導(dǎo)向鉆進(jìn)中控向技術(shù)起著決定性的作用。目前工程中常用的控向技術(shù)分為無線控向、跟蹤式有線控向和地磁控向三類，且都有各自的性能特點(diǎn)。在復(fù)雜的施工條件下，為選用更為合適的控向技術(shù)來進(jìn)行導(dǎo)向鉆進(jìn)工作，必須結(jié)合這三類控向技術(shù)的性能特點(diǎn)，采取聯(lián)合控向技術(shù)來克服穿越工程施工上的難點(diǎn)。

本文介紹了聯(lián)合控向技術(shù)在一個(gè)穿越工程中的應(yīng)用實(shí)例。

1 三類控向技術(shù)的工作原理及性能特點(diǎn)

1.1 無線控向

無線控向是中小型水平定向鉆機(jī)最常用的控向方式。無線控向系統(tǒng)一般包括探棒、接收器和遠(yuǎn)程顯示器三部分，如下圖1所示。無線控向系統(tǒng)的工作原理是由安裝在鉆頭內(nèi)的探棒發(fā)送電磁信號(hào)，接收器接收信號(hào)后將其處理成四個(gè)重要參數(shù)：傾斜度、時(shí)鐘值、深度、定位點(diǎn)，同時(shí)將信號(hào)傳送給操作臺(tái)上的遠(yuǎn)程顯示器。

圖1 無線控向系統(tǒng)

其中四個(gè)重要參數(shù)傾斜度、時(shí)鐘值、深度、定位點(diǎn)的意義如下：

(1)傾斜度：傾斜度是指鉆進(jìn)過程中垂直深度的變化量和水平距離改變量的比值，可以用度數(shù)或斜度百分比來表示。如果傾斜度為零，表示鉆頭兩端平衡；如果傾斜度讀數(shù)為負(fù)，表示鉆頭朝下；如果傾斜度讀數(shù)為正，表示鉆頭朝上。

(2)時(shí)鐘值：時(shí)鐘值是指控向板的旋轉(zhuǎn)位置，它主要用于調(diào)整鉆頭前進(jìn)方向。

(3)深度：若要決定鉆頭的深度，接收器必須在鉆頭的正上方，接收器會(huì)轉(zhuǎn)換來自傳感器的信號(hào)，并且顯示深度，該深度是鉆頭與鉆機(jī)所處平面的相對(duì)深度。

(4)定位點(diǎn)：在傳感器的磁波范圍內(nèi)有三個(gè)位置或定點(diǎn)可用來尋找位于地下的傳感器，一個(gè)在傳感器前方(前定位點(diǎn))，另一個(gè)在傳感器后方(后定位點(diǎn))，第三個(gè)定位位置是代表傳感器位置的直線。通過這些可以掌握鉆頭的平面位置，為控向員調(diào)整方向提供依據(jù)。

1.2 跟蹤式有線控向

一般情況下無線控向系統(tǒng)已能順利完成導(dǎo)向任務(wù)，但是在許多復(fù)雜情況下就會(huì)顯現(xiàn)出其不足。如施工范圍內(nèi)的高架電線、水泥地面內(nèi)的鋼筋、交通信號(hào)燈、附近車輛以及金屬圍欄等均會(huì)對(duì)測(cè)得的信號(hào)造成干擾，導(dǎo)致控向員無法準(zhǔn)確定位、判斷錯(cuò)誤，進(jìn)而給出錯(cuò)誤指令，使鉆進(jìn)軌跡無法按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。更為嚴(yán)重的情況下斜度、時(shí)鐘值、深度都會(huì)無法顯示，致使工程無法繼續(xù)進(jìn)行。

跟蹤式有線控向在一定程度上彌補(bǔ)了無線控向技術(shù)的不足。跟蹤式有線控向的時(shí)鐘值、斜度值是由傳感器后端的電纜線直接傳到顯示器，有別于無線控向信號(hào)的電磁波發(fā)射方式，信號(hào)更加穩(wěn)定可靠。在相同深度的情況下，有線控向的信號(hào)強(qiáng)度大大優(yōu)于無線控向，因此適用的探測(cè)深度也大于無線控向。

此外，無線控向和跟蹤式有線控向兩者之間還有一個(gè)區(qū)別在于前者傳感器的電源是由電池提供，并且電池隨鉆頭入地，因而工作時(shí)間有限，無法適用于長距離工程；而后者是通過電纜線直接從鉆機(jī)電路獲取電源，不存在電池不足的問題。

總之在穿越較長距離時(shí)運(yùn)用跟蹤式有線控向能提供持續(xù)的電力和準(zhǔn)確的時(shí)鐘值、斜度值，施工人員可根據(jù)該斜度值估算穿越深度，根據(jù)時(shí)鐘值進(jìn)行糾偏。

DCI公司的 Eclipse跟蹤式有線控向系統(tǒng)主要由電纜傳感器、電源供應(yīng)器、遠(yuǎn)程顯示器和電纜拔插工具四個(gè)組件以及一個(gè)與無線控向系統(tǒng)相同的接收器組成，如圖2所示。

圖2 DCI公司的Eclipse跟蹤式有線控向系統(tǒng)

1.3 地磁有線控向

地磁有線控向與跟蹤式有線控向的主要區(qū)別在于前者的所有信號(hào)都是通過電纜傳送到計(jì)算機(jī)，并且控向人員是根據(jù)地磁原理控制鉆頭的走向。地磁有線控向系統(tǒng)由探棒、接口單元、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)和鉆機(jī)控制臺(tái)組成，如圖3所示。

圖3 地磁有線控向系統(tǒng)

該系統(tǒng)的工作原理是無磁鉆鋌中的傳感器供電后檢測(cè)到地磁場(chǎng)和重力場(chǎng)信號(hào)，通過導(dǎo)線傳到接口單元，經(jīng)過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)，所有數(shù)據(jù)經(jīng)過檢波輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理為各項(xiàng)參數(shù)，送到鉆機(jī)控制臺(tái)?？叵蛉藛T可以直接從計(jì)算機(jī)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(duì)于判斷導(dǎo)向孔是否可用以及竣工資料的收集較為方便。

綜合上述，三類控向技術(shù)各有自己的性能特點(diǎn)，其對(duì)比見表1。

表1 三類控向技術(shù)的性能特點(diǎn)對(duì)比

從以上三類控向技術(shù)的工作原理描述及性能特點(diǎn)的對(duì)比可以看出，控向技術(shù)針對(duì)的工程類別也大相徑庭。因此對(duì)于某些穿越深度深、距離短、河面較寬的小型定向穿越工程，應(yīng)采取無線控向與地磁有線控向相結(jié)合的聯(lián)合控向技術(shù)。

2 聯(lián)合控向技術(shù)原理

如圖4所示，水平定向鉆穿越中聯(lián)合控向?qū)蚩准夹g(shù)以地磁有線控向技術(shù)為基礎(chǔ)，利用無線控向系統(tǒng)的抗地磁和抗地下障礙物干擾的性能輔助地磁有線控向系統(tǒng)控制導(dǎo)向孔方向，使導(dǎo)向孔成型良好，提高穿越準(zhǔn)確度。向地磁有線控向軟件內(nèi)輸入有關(guān)的初始控向數(shù)據(jù)，并設(shè)置無線控向相關(guān)數(shù)據(jù)與有線控向數(shù)據(jù)同步，而后按圖紙要求設(shè)計(jì)導(dǎo)向孔曲線。鉆進(jìn)過程中采用聯(lián)合控向系統(tǒng)的無線探測(cè)功能實(shí)時(shí)跟蹤鉆頭走向，每鉆進(jìn)一根鉆桿定位一次鉆頭位置，并與有線控向端進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，指導(dǎo)下一步鉆進(jìn)施工。

圖4 聯(lián)合控向工作示意圖

定向鉆聯(lián)合控向裝置是在地磁有線控向系統(tǒng)前端安裝一個(gè)無線控向裝置，如圖5所示。工作時(shí)，地磁有線控制信號(hào)通過線纜傳輸?shù)娇叵蛴?jì)算機(jī)，無線控制信號(hào)直接傳送到穿越軌跡上方的信號(hào)接受器，兩種控制信號(hào)既可以單獨(dú)使用，也可以相互比較使用。

圖5 聯(lián)合控向裝置示意圖

聯(lián)合控向系統(tǒng)中地磁有線控向系統(tǒng)和無線控向系統(tǒng)既可以獨(dú)立工作，又可以相互協(xié)調(diào)工作。在穿越深度大于17 m至20m時(shí)(具體探測(cè)深度以施工現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)干擾強(qiáng)弱有關(guān))，地磁有線控向系統(tǒng)起到主導(dǎo)作用。當(dāng)深度小于17 m至20m時(shí)，可以啟動(dòng)無線控向系統(tǒng)同時(shí)工作。無線控向系統(tǒng)不需要線纜送電，避免了導(dǎo)向孔鉆進(jìn)后期線纜磨損而導(dǎo)致穿越失敗的風(fēng)險(xiǎn)。兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)工作也降低了地下障礙物對(duì)探測(cè)信號(hào)的影響，提高了穿越數(shù)據(jù)和穿越曲線的準(zhǔn)確性。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

上海市金山區(qū)亭楓公路沿線燃?xì)夤艿腊徇w工程中，有一條原設(shè)計(jì)穿越掘石港 D325 mm×8mm天然氣無縫鋼管，穿越長度為 303m，最大穿越深度為19m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘探后發(fā)現(xiàn)，掘石港河寬103m，天然氣穿越管位附近其余非開挖管線復(fù)雜，原設(shè)計(jì)穿越深度無法避開其余非開挖管線，并且出土點(diǎn)位于道路中心線附近，其出土工作坑開挖后，在很大程度上會(huì)影響周圍物流公司的正常運(yùn)營工作。考慮上述因素，建設(shè)方、設(shè)計(jì)方和施工方共同協(xié)商后，變更相應(yīng)的穿越管位，由原來的直線穿越變更為有部分弧度的斜線穿越，并增加相應(yīng)的穿越深度與穿越長度來避開相應(yīng)的非開挖管線。最終，變更后的穿越長度為351 m，最大穿越深度為26 m。

由于此項(xiàng)工程停放鉆機(jī)及相應(yīng)設(shè)備的占地位置有局限性，并且穿越長度不長，穿越口徑也較小，屬于小型穿越工程，故選用威猛V750鉆機(jī)進(jìn)行施工。此次穿越掘石港的河面較寬，無線控向技術(shù)與跟蹤式有線控向技術(shù)在穿越掘石港時(shí)無法探測(cè)其前后點(diǎn)方位，容易產(chǎn)生管位上的偏差，因此，過河段穿越段選用地磁有線控向技術(shù)，但是變更后的穿越深度加深，穿越軌跡的造斜角度增大，地磁有線控向的三牙輪鉆頭無法改變較大角度，故無法勝任本次控向工作，改選用無線控向技術(shù)的鴨嘴板鉆頭，如圖6所示。此項(xiàng)穿越工程在控向技術(shù)方面選用聯(lián)合控向技術(shù)，更切合實(shí)際工程情況。

3.2 工程施工

本工程施工歷時(shí)7 d，其間由于土層的原因，分別進(jìn)行了兩次導(dǎo)向工作，第二次導(dǎo)向成功后，順利進(jìn)行了管道的回?cái)U(kuò)及回拖工作。

3.2.1 施工準(zhǔn)備階段

在地磁有線控向系統(tǒng)中鉆進(jìn)方向的把控取決于施工現(xiàn)場(chǎng)線圈磁場(chǎng)的布置情況。由于本次工程布置線圈場(chǎng)地的復(fù)雜化，故采用GPS定位儀與全站儀相互對(duì)比測(cè)量相應(yīng)的線圈點(diǎn)位，使得線圈的布置更加精準(zhǔn)，如圖7所示。

圖7 布置線圈測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

在無線控向技術(shù)方面，采用獵鷹F2控向系列，并且優(yōu)化了相應(yīng)的控向環(huán)境的探棒發(fā)射信號(hào)頻率，使得在啟用無線控向時(shí)能更準(zhǔn)確的找尋前后點(diǎn)和測(cè)量其鉆頭的深度。

由于采用聯(lián)合控向技術(shù)，因此無線控向鉆頭的鴨嘴板在連接無磁鉆艇時(shí)，需做好相應(yīng)的短接連接，如圖8所示。在鉆機(jī)動(dòng)力頭處更換有線帶孔的動(dòng)力頭，并安裝上碳刷，保障地磁有線控向中相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸工作。

圖8 聯(lián)合控向?qū)嶋H安裝現(xiàn)場(chǎng)

3.2.2 第一次導(dǎo)向施工

鉆機(jī)就位后，進(jìn)行第一次鉆進(jìn)工作。由無線控向員進(jìn)行控向，第一根入鉆角度百分比為－28，為確保穿越深度，旋轉(zhuǎn)三根鉆桿后，開始改變相應(yīng)的角度百分比。此時(shí)，地磁有線控向也開始記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，與無線控向技術(shù)不斷做對(duì)比，無論是深度還是鉆進(jìn)方向，都對(duì)每根鉆桿產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析。遇到數(shù)據(jù)差異較大時(shí)(一般出現(xiàn)于無線控向的深度產(chǎn)生偏差，前后點(diǎn)方向由于周圍信號(hào)的干擾，無法正確識(shí)別時(shí))，地磁有線控向?qū)Ξa(chǎn)生的數(shù)據(jù)能輔佐無線控向技術(shù)，使其更能控制好穿越導(dǎo)向的方向及深度，如圖9所示。

圖9 無線控向與地磁控向數(shù)據(jù)相互輔佐

在無線控向技術(shù)導(dǎo)向至第 12根鉆桿，其鉆頭深度為18.5 m時(shí)，無線控向儀已經(jīng)無法接受到探棒發(fā)出的任何數(shù)據(jù)，此時(shí)便運(yùn)用地磁有線控向技術(shù)，對(duì)事先布置好的線圈通電后，產(chǎn)生的瞬間交流電值，進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的采集及分析來控制其導(dǎo)向的方向。

在鉆進(jìn)至第23根鉆桿時(shí)，鉆頭深度約為28.4 m，并且鉆桿斜度為－1%，此時(shí)的鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)，扭矩與推力逐漸增大，無法有效地改變其鉆桿斜度。在排除是否碰到其余管線的問題后，翻閱當(dāng)?shù)厥姓局白龅牡刭|(zhì)勘探報(bào)告，發(fā)現(xiàn)深度在24.75～30.72 m處，其土層為灰-灰綠色粉砂，此類土層中含有云母、長石，夾少量石英，局部夾砂質(zhì)粉土等，相對(duì)較為密實(shí)，而威猛V750鉆機(jī)的鉆進(jìn)推力無法適用于此類土層。通過地質(zhì)勘探報(bào)告對(duì)其周圍深度的土層類型進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，在深度為20.66～24.14 m區(qū)間內(nèi)，其土層為灰黃-草黃色砂質(zhì)粉土，其中含有云母，有機(jī)質(zhì)，夾少量粘性土，局部夾砂姜石等，此類土層更適合于威猛V750鉆機(jī)的鉆進(jìn)工作。

3.2.3 第二次導(dǎo)向施工

分析出第一次導(dǎo)向失敗的原因后，采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，在確保周圍非開挖管線安全的情況下，使其最深控向深度控制在24～26 m。此段深度的土層為兩類土層的交界處，既能在深度上避開周圍非開挖，又能進(jìn)行正常的鉆進(jìn)工作。故將第一次導(dǎo)向的鉆桿全部抽回，重新對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行就位工作，改變第1根的入鉆角度為－26%，隨后的導(dǎo)向流程與第一次導(dǎo)向大致相同，并且吸取上次導(dǎo)向經(jīng)驗(yàn)，泥漿工配比好泥漿的稠度，司鉆工調(diào)整好泥漿的壓力，在相對(duì)較為復(fù)雜的土層中，來回旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，確保導(dǎo)向孔的形成。最終，其最大穿越深度為25.3 m，在保證其余非開挖管線安全的情況下，避開了灰-灰綠色粉砂土層，順利進(jìn)行后續(xù)的導(dǎo)向工作。

地磁有線控向技術(shù)在穿越深度為 18.5 m以下的導(dǎo)向過程中起到了精準(zhǔn)的把控作用，并在穿越至第43根鉆桿，深度在18.1 m時(shí)，無線控向儀上出現(xiàn)了相應(yīng)的探棒接受信號(hào)。但由于周圍信號(hào)干擾較大，無法準(zhǔn)確采集前后點(diǎn)信號(hào)，故將地磁有線控向中的傳輸信號(hào)線繼續(xù)連接，輔佐其無線控向。在連續(xù)鉆進(jìn)3根鉆桿后，無線控向儀上顯示的所有探棒數(shù)據(jù)也較為穩(wěn)定，并能準(zhǔn)確控制前后點(diǎn)方向。此時(shí)，地磁有線控向上的傳輸信號(hào)線也將不再連接，直到導(dǎo)向結(jié)束均用無線控向技術(shù)，并在第 57根鉆桿處順利出土。

此次應(yīng)用聯(lián)合控向技術(shù)，在第二次導(dǎo)向鉆孔過程中，共耗時(shí)15 h，克服了地下障礙物多、地層復(fù)雜等諸多不利于成孔的因素，導(dǎo)向控孔曲線最大偏差在1.5 m以內(nèi)，出土點(diǎn)橫向偏差只有0.6 m，結(jié)果符合相關(guān)的規(guī)范要求。3.2.4 回?cái)U(kuò)、拖管工作

在第二次導(dǎo)向施工結(jié)束后當(dāng)天進(jìn)行了Φ300mm的回?cái)U(kuò)工作，并在后續(xù)的2 d里進(jìn)行了相應(yīng)Φ500 mm的擴(kuò)孔、清孔及管道回拖工作。通過合理的泥漿配與泥漿壓力上的控制，確保其回?cái)U(kuò)成孔的護(hù)壁良好性，最終完成了 351 m無縫鋼管D325mm×8 mm的管道回拖工作。

4 結(jié)語

聯(lián)合控向技術(shù)在此次穿越工程中的實(shí)際應(yīng)用，解決了地磁有線控向改變角度小，在較長距離穿越時(shí)電纜線接線處容易短路或斷線，導(dǎo)致工程前功盡棄等問題。運(yùn)用聯(lián)合控向技術(shù)后，采用無線控向的鴨嘴鉆頭進(jìn)行導(dǎo)向，可以有較大的角度調(diào)整范圍，能彌補(bǔ)電纜線無法工作而無線控向能繼續(xù)導(dǎo)向鉆進(jìn)工作的情況；反之亦然，在穿越較寬河道及施工環(huán)境信號(hào)干擾較大的情況下，地磁有線控向通過電纜線傳輸實(shí)時(shí)的有效數(shù)據(jù)，掌握其鉆頭的深度與方向，能有效避開周圍信號(hào)干擾的影響。因此聯(lián)合控向技術(shù)不但適用于長距離定向鉆穿越，而且更適用于地下障礙物多、穿越曲線精度要求高、穿越深度深、穿越曲率半徑小的中短距離定向穿越工程，解決了單一控向技術(shù)在實(shí)際穿越工程施工中可能遇到的困難。