定向鉆施工中示蹤線技術改進

朱凱敏

（中國市政工程西南設計研究總院有限公司，成都 610081）

ZHU Kai-min

(Southwest Municipal Engineering Design & Research Institute of China,Chengdu610081,China)

1 引言

聚乙烯（PE）燃氣管道具有撓性佳、耐腐蝕、質輕、施工簡便、流體流動阻力小、抗拉強度高、適宜輸送天然氣等一系列優(yōu)點，并經實踐證明，PE管較鋼管具有工程造價低、使用壽命長等優(yōu)勢：一般而言，管徑De315及以下的PE管比鋼管有一定的經濟優(yōu)勢，其成本可比鋼管便宜10%～30%；在國外，PE管最早在20世紀50年代服役于城市燃氣輸配系統(tǒng)，我國使用PE管的歷史也可追溯至20世紀80年代初[1]。

天然氣的發(fā)展和PE管的諸多優(yōu)勢使其逐漸取代鑄鐵管和鋼管，成為中壓燃氣輸配系統(tǒng)的主流。然而，PE管由于不導電、不導磁而無法直接用電磁法探測其空間位置[2]。因此，GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》、CJJ 51—2006《城鎮(zhèn)燃氣設施運行、維護和搶修安全技術規(guī)程》、CJJ 63—2018《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》等技術規(guī)范都要求燃氣PE管道敷設時，須隨管道走向埋設金屬示蹤線，以準確探測PE管的位置和埋深。

在直埋燃氣管道工程實踐中，深圳地區(qū)采用2.5mm2的聚乙烯薄膜包裹不銹鋼金屬線示蹤線，有效解決了PE管的探測問題。在定向鉆施工中，示蹤線與PE管一同回拉，存在示蹤線被拉斷或因示蹤線埋設過深而導致不能有效探測PE管的空間位置等問題，因此，定向鉆施工中如何有效敷設示蹤線的問題亟待解決。

2 電磁法探測PE管示蹤線的原理與方法

目前，探測地下PE管最常用的方法是電磁法。它是以地下管線或導線與周圍介質的導電性及導磁性差異為主要物性基礎，根據麥克斯韋電磁場理論和電磁感應原理觀測和研究電磁場空間分布規(guī)律，從而實現探測地下管線的目的。

電磁法分被動源法和主動源法。被動源法通過發(fā)射機產生一個交變電磁場（一次場），以電磁感應的方式在金屬管線或示蹤線上產生感應電流，感應電流再以金屬管線或示蹤線為中心形成另一個電磁場（二次場），通過接收機探測二次場的中心位置，即可對金屬管線或示蹤線進行定位。該方法操作簡便，缺點是感應信號弱，易受鄰近地下管線干擾而影響探測結果。主動源法是發(fā)射機直接將交變電流加載到金屬管線或示蹤線上產生一個交變電磁場，接收機通過探測一次場的中心位置來確定金屬管線或示蹤線的位置和埋深。該方法因具有信號強、探測精度高、不受鄰近管線干擾等優(yōu)點而應用廣泛，但要求示蹤線無斷點，并有接地良好的出露點。

由以上的闡述可知，無論是被動源法還是主動源法，接收機都是通過探測示蹤線發(fā)出的交變電磁場（二次場或一次場）實現對PE管的定位定深的，故以應用廣泛的主動源法為例分析示蹤線的探測方法及影響示蹤線探測精度的因素。

2.1 示蹤線交變電磁場的產生

當示蹤線直徑遠小于埋深并忽略大地和空氣的介質變化時，示蹤線可視為均勻介質中的一條無限長的長直導線，將幅值為I0的交變電流I0sinωt加載到示蹤線上時，在地面上P點產生的交變電磁場如圖1所示[3]。

圖1 示蹤線產生的交變電磁場

式中：B——磁感應強度，T；μ0——真空磁導率，N/A2；I——交變電流的有效值，滿足示蹤線中心至地面P點的距離，m。

交流電流的大小由發(fā)射機功率和閉合回路的電阻決定，存在關系：

式中：P——發(fā)射機的發(fā)射功率，W；R1——被測示蹤線的電阻，Ω；R2——示蹤線、發(fā)射機與大地組成的閉合回路中除R1以外的電阻，Ω。

由電阻定律可知：

式中：ρ——示蹤線的電阻率，Ω·m；L——示蹤線的長度，m；S——示蹤線的橫截面積，m2。綜合式（1）、（2）、（3）可得：

分析圖2可知，交變電磁場的水平分量和垂直分量分別為：

圖2 交變電磁場的水平分量和垂直分量

式中：β——測量點的電磁場切線方向與水平線的夾角，rad；x——地面觀測點到示蹤線在地面投影的水平距離，m；h——示蹤線（PE管管頂）的埋深，m。

2.2 交變電磁場的測量

Bx與Bz的曲線如圖2所示，在實際應用中，通常借助接收機測量Bx（峰值法）或Bz（極小值法）的方式對示蹤線進行定位定深。采用極小值法定位時，當探頭位于示蹤線正上方時，電磁場垂直分量Bz為零；用45°定深，確定示蹤線位置后，將探頭與地面成45°進行垂直示蹤線移動測量，當測得電磁場垂直分量Bz為零時，零值點與定位點的水平距離即為示蹤線的埋深（見圖 3）。

圖3 極小值法測量電磁場的方法

交變電磁場的測量是通過其在接收機上產生感應電動勢來實現的。根據電磁感應定律，感應電動勢e正比于磁通量對時間的變化率，即：

式中：Φ——通過線圈截面的磁通量，Wb；N——線圈匝數；A——線圈的面積；α——電磁場方向與線圈平面方向的夾角，rad。

當采用極小值法測量電磁場時，將（6）代入（7）得：

由上式可知，當接收器選定之后，示蹤線埋深越小，示蹤線的電阻越小（電阻率越小，橫截面積越大），示蹤線與大地的接觸電阻越小，則電信號越強，示蹤線越容易探測。

3 定向鉆施工中示蹤線技術改進

一般來說，示蹤線要求具有高導電性、高強度、良好耐腐蝕及耐久性等特點，在工程實踐中，一般采用聚乙烯薄膜包裹1.5～2.5mm2的金屬絲，也有選用塑料膜包裹窄條的鋁箔。深圳地區(qū)的聚乙烯燃氣輸配系統(tǒng)中，選用2.5mm2的不銹鋼金屬絲示蹤線，但在定向鉆施工中，由于上述示蹤線太細，故存在因拉斷或埋設太深而不能有效探測PE管的位置和埋深的問題。

深圳燃氣公司自2010年起將2根截面為4mm2的銅芯線應用于PE管定向鉆工藝中，施工時用膠帶將銅芯平行綁于PE管的頂面，隨管道一同回拖，并在兩端出鉆點設置拉線井，用于將銅芯兩端與直埋敷設的不銹鋼金屬絲示蹤線可靠地接駁。

采用極小值法測量電磁場時，對式（8）的討論可知，選用電阻率小、橫截面積大的導線，可獲得較強的電磁信號，而且更高的強度也能有效抵御PE管回拖時對示蹤線的破壞。深圳目前采用的2.5mm2的不銹鋼金屬絲示蹤線的電阻率為0.73Ω·mm2/m，抗拉強度為 860MPa，銅芯的電阻率為0.0175Ω·mm2/m，抗拉強度為250MPa。故經計算可知，單位長度示蹤線的電阻：不銹鋼金屬絲為0.292Ω，銅芯線為0.002Ω；回拖時能承受的最大拉力：不銹鋼金屬絲為2150N，銅芯線為2400N。

在近期市政燃氣管道工程施工中，深圳燃氣公司的35處定向鉆施工均采用了銅芯線示蹤線，共計敷設各種管徑的燃氣管道4200余米。對在定向鉆工藝中采用銅芯示蹤線的燃氣管道工程進行試驗時，采用英國雷迪公司的RD4000產品進行探測，結果顯示能有效地探測到電磁場信號。

4 結論

①電磁法探測示蹤線的首選方法為主動源法，它具有信號強、探測精度高、不受鄰近管線干擾等優(yōu)點。②定向鉆工藝中，示蹤線宜選用2根截面積不小于2.5mm2的銅芯。敷設時，示蹤線平行管道固定于管頂，不宜纏繞于管道上或兩根示蹤線分散于管道截面圓周敷設。③定向鉆兩端應設置拉線井，銅芯示蹤線應與不銹鋼金屬絲示蹤線可靠連接，并做好絕緣防腐處理。④以定向鉆工藝敷設的PE管道示蹤線的埋深較大時，除減小示蹤線電阻、接地電阻、系統(tǒng)電阻外，還應提高發(fā)射機的發(fā)射功率，以提高信號強度，獲得更好的探測結果[4]。