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)運用到各類管道穿越工程中，在導向鉆進中控向技術起著決定性的作用。目前工程中常用的控向技術分為無線控向、跟蹤式有線控向和地磁控向三類，且都有各自的性能特點。在復雜的施工條件下，為選用更為合適的控向技術來進行導向鉆進工作，必須結合這三類控向技術的性能特點，采取聯(lián)合控向技術來克服穿越工程施工上的難點。

本文介紹了聯(lián)合控向技術在一個穿越工程中的應用實例。

1 三類控向技術的工作原理及性能特點

1.1 無線控向

無線控向是中小型水平定向鉆機最常用的控向方式。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，接收器接收信號后將其處理成四個重要參數(shù)：傾斜度、時鐘值、深度、定位點，同時將信號傳送給操作臺上的遠程顯示器。

圖1 無線控向系統(tǒng)

其中四個重要參數(shù)傾斜度、時鐘值、深度、定位點的意義如下：

(1)傾斜度：傾斜度是指鉆進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，表示鉆頭朝下；如果傾斜度讀數(shù)為正，表示鉆頭朝上。

(2)時鐘值：時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，接收器會轉(zhuǎn)換來自傳感器的信號，并且顯示深度，該深度是鉆頭與鉆機所處平面的相對深度。

(4)定位點：在傳感器的磁波范圍內(nèi)有三個位置或定點可用來尋找位于地下的傳感器，一個在傳感器前方(前定位點)，另一個在傳感器后方(后定位點)，第三個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)已能順利完成導向任務，但是在許多復雜情況下就會顯現(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、交通信號燈、附近車輛以及金屬圍欄等均會對測得的信號造成干擾，導致控向員無法準確定位、判斷錯誤，進而給出錯誤指令，使鉆進軌跡無法按設計要求進行。更為嚴重的情況下斜度、時鐘值、深度都會無法顯示，致使工程無法繼續(xù)進行。

跟蹤式有線控向在一定程度上彌補了無線控向技術的不足。跟蹤式有線控向的時鐘值、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的電磁波發(fā)射方式，信號更加穩(wěn)定可靠。在相同深度的情況下，有線控向的信號強度大大優(yōu)于無線控向，因此適用的探測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運用跟蹤式有線控向能提供持續(xù)的電力和準確的時鐘值、斜度值，施工人員可根據(jù)該斜度值估算穿越深度，根據(jù)時鐘值進行糾偏。

DCI公司的 Eclipse跟蹤式有線控向系統(tǒng)主要由電纜傳感器、電源供應器、遠程顯示器和電纜拔插工具四個組件以及一個與無線控向系統(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都是通過電纜傳送到計算機，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、計算機、打印機和鉆機控制臺組成，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到地磁場和重力場信號，通過導線傳到接口單元，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)過檢波輸入計算機，經(jīng)計算機處理為各項參數(shù)，送到鉆機控制臺?？叵蛉藛T可以直接從計算機讀取各種參數(shù)，不用再沿鉆進軌跡跟蹤鉆頭。該系統(tǒng)可以打印導向記錄，對于判斷導向孔是否可用以及竣工資料的收集較為方便。

綜合上述，三類控向技術各有自己的性能特點，其對比見表1。

表1 三類控向技術的性能特點對比

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

2 聯(lián)合控向技術原理

如圖4所示，水平定向鉆穿越中聯(lián)合控向?qū)蚩准夹g以地磁有線控向技術為基礎，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)控制導向孔方向，使導向孔成型良好，提高穿越準確度。向地磁有線控向軟件內(nèi)輸入有關的初始控向數(shù)據(jù)，并設置無線控向相關數(shù)據(jù)與有線控向數(shù)據(jù)同步，而后按圖紙要求設計導向孔曲線。鉆進過程中采用聯(lián)合控向系統(tǒng)的無線探測功能實時跟蹤鉆頭走向，每鉆進一根鉆桿定位一次鉆頭位置，并與有線控向端進行數(shù)據(jù)比較，指導下一步鉆進施工。

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)前端安裝一個無線控向裝置，如圖5所示。工作時，地磁有線控制信號通過線纜傳輸?shù)娇叵蛴嬎銠C，無線控制信號直接傳送到穿越軌跡上方的信號接受器，兩種控制信號既可以單獨使用，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(具體探測深度以施工現(xiàn)場信號干擾強弱有關)，地磁有線控向系統(tǒng)起到主導作用。當深度小于17 m至20m時，可以啟動無線控向系統(tǒng)同時工作。無線控向系統(tǒng)不需要線纜送電，避免了導向孔鉆進后期線纜磨損而導致穿越失敗的風險。兩個系統(tǒng)同時工作也降低了地下障礙物對探測信號的影響，提高了穿越數(shù)據(jù)和穿越曲線的準確性。

3 應用實例

3.1 工程概況

上海市金山區(qū)亭楓公路沿線燃氣管道搬遷工程中，有一條原設計穿越掘石港 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雜，原設計穿越深度無法避開其余非開挖管線，并且出土點位于道路中心線附近，其出土工作坑開挖后，在很大程度上會影響周圍物流公司的正常運營工作?？紤]上述因素，建設方、設計方和施工方共同協(xié)商后，變更相應的穿越管位，由原來的直線穿越變更為有部分弧度的斜線穿越，并增加相應的穿越深度與穿越長度來避開相應的非開挖管線。最終，變更后的穿越長度為351 m，最大穿越深度為26 m。

由于此項工程停放鉆機及相應設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鉆機進行施工。此次穿越掘石港的河面較寬，無線控向技術與跟蹤式有線控向技術在穿越掘石港時無法探測其前后點方位，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，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的鴨嘴板鉆頭，如圖6所示。此項穿越工程在控向技術方面選用聯(lián)合控向技術，更切合實際工程情況。

3.2 工程施工

本工程施工歷時7 d，其間由于土層的原因，分別進行了兩次導向工作，第二次導向成功后，順利進行了管道的回擴及回拖工作。

3.2.1 施工準備階段

在地磁有線控向系統(tǒng)中鉆進方向的把控取決于施工現(xiàn)場線圈磁場的布置情況。由于本次工程布置線圈場地的復雜化，故采用GPS定位儀與全站儀相互對比測量相應的線圈點位，使得線圈的布置更加精準，如圖7所示。

圖7 布置線圈測量現(xiàn)場

在無線控向技術方面，采用獵鷹F2控向系列，并且優(yōu)化了相應的控向環(huán)境的探棒發(fā)射信號頻率，使得在啟用無線控向時能更準確的找尋前后點和測量其鉆頭的深度。

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

圖8 聯(lián)合控向?qū)嶋H安裝現(xiàn)場

3.2.2 第一次導向施工

鉆機就位后，進行第一次鉆進工作。由無線控向員進行控向，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，開始改變相應的角度百分比。此時，地磁有線控向也開始記錄相應的數(shù)據(jù)，與無線控向技術不斷做對比，無論是深度還是鉆進方向，都對每根鉆桿產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行記錄和分析。遇到數(shù)據(jù)差異較大時(一般出現(xiàn)于無線控向的深度產(chǎn)生偏差，前后點方向由于周圍信號的干擾，無法正確識別時)，地磁有線控向?qū)Ξa(chǎn)生的數(shù)據(jù)能輔佐無線控向技術，使其更能控制好穿越導向的方向及深度，如圖9所示。

圖9 無線控向與地磁控向數(shù)據(jù)相互輔佐

在無線控向技術導向至第 12根鉆桿，其鉆頭深度為18.5 m時，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)，此時便運用地磁有線控向技術，對事先布置好的線圈通電后，產(chǎn)生的瞬間交流電值，進行相應數(shù)據(jù)的采集及分析來控制其導向的方向。

在鉆進至第23根鉆桿時，鉆頭深度約為28.4 m，并且鉆桿斜度為－1%，此時的鉆頭在鉆進時，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?shù)厥姓局白龅牡刭|(zhì)勘探報告，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，相對較為密實，而威猛V750鉆機的鉆進推力無法適用于此類土層。通過地質(zhì)勘探報告對其周圍深度的土層類型進行對比后發(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鉆機的鉆進工作。

3.2.3 第二次導向施工

分析出第一次導向失敗的原因后，采取相應的改進措施，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，又能進行正常的鉆進工作。故將第一次導向的鉆桿全部抽回，重新對鉆機進行就位工作，改變第1根的入鉆角度為－26%，隨后的導向流程與第一次導向大致相同，并且吸取上次導向經(jīng)驗，泥漿工配比好泥漿的稠度，司鉆工調(diào)整好泥漿的壓力，在相對較為復雜的土層中，來回旋轉(zhuǎn)前進，確保導向孔的形成。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，順利進行后續(xù)的導向工作。

地磁有線控向技術在穿越深度為 18.5 m以下的導向過程中起到了精準的把控作用，并在穿越至第43根鉆桿，深度在18.1 m時，無線控向儀上出現(xiàn)了相應的探棒接受信號。但由于周圍信號干擾較大，無法準確采集前后點信號，故將地磁有線控向中的傳輸信號線繼續(xù)連接，輔佐其無線控向。在連續(xù)鉆進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，并能準確控制前后點方向。此時，地磁有線控向上的傳輸信號線也將不再連接，直到導向結束均用無線控向技術，并在第 57根鉆桿處順利出土。

此次應用聯(lián)合控向技術，在第二次導向鉆孔過程中，共耗時15 h，克服了地下障礙物多、地層復雜等諸多不利于成孔的因素，導向控孔曲線最大偏差在1.5 m以內(nèi)，出土點橫向偏差只有0.6 m，結果符合相關的規(guī)范要求。3.2.4 回擴、拖管工作

在第二次導向施工結束后當天進行了Φ300mm的回擴工作，并在后續(xù)的2 d里進行了相應Φ500 mm的擴孔、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，確保其回擴成孔的護壁良好性，最終完成了 351 m無縫鋼管D325mm×8 mm的管道回拖工作。

4 結語

聯(lián)合控向技術在此次穿越工程中的實際應用，解決了地磁有線控向改變角度小，在較長距離穿越時電纜線接線處容易短路或斷線，導致工程前功盡棄等問題。運用聯(lián)合控向技術后，采用無線控向的鴨嘴鉆頭進行導向，可以有較大的角度調(diào)整范圍，能彌補電纜線無法工作而無線控向能繼續(xù)導向鉆進工作的情況；反之亦然，在穿越較寬河道及施工環(huán)境信號干擾較大的情況下，地磁有線控向通過電纜線傳輸實時的有效數(shù)據(jù)，掌握其鉆頭的深度與方向，能有效避開周圍信號干擾的影響。因此聯(lián)合控向技術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在實際穿越工程施工中可能遇到的困難。