柴佳麗CHAI Jia-li；江文JIANG Wen

（①東營華潤燃?xì)庥邢薰?，東營 257091；②華潤燃?xì)猓暇┦姓こ逃邢薰?，南?210000）

1 燃?xì)釶E 管定向鉆穿越施工定位的重要性及難點(diǎn)

水平定向鉆穿越施工是在不開挖地表面的條件下，通過定向鉆進(jìn)技術(shù)和傳統(tǒng)的管線施工方法相結(jié)合的施工技術(shù)，水平定向鉆穿越施工不會阻礙交通；破壞綠地、植被和周邊建筑物；具有施工速度快、施工精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。近年來，在世界各國及各行各業(yè)廣泛使用，成為非開挖施工技術(shù)中非常重要的一種方式。

利用水平定向鉆施工方式敷設(shè)PE 管道在燃?xì)馐┕ば袠I(yè)應(yīng)用越來越多。雖然這種施工方式帶來了施工的便利性，但是因?yàn)镻E 管道（聚乙烯管）具有不導(dǎo)電，不導(dǎo)磁的特點(diǎn)，至今沒有有效的辦法可以實(shí)現(xiàn)在地面上直接測試地下PE 管道的位置，尤其是在水平定向鉆穿越后PE 管道深度較深給管線的定位帶來非常大的困難。

因?yàn)槿細(xì)獾奶厥庑约拔ｋU性，燃?xì)夤緦θ細(xì)夤艿赖木珳?zhǔn)定位要求較高，如無精準(zhǔn)的定位數(shù)據(jù)，經(jīng)常會發(fā)生第三方管道施工破壞，出現(xiàn)挖斷PE 管道的情況，會造成重大燃?xì)馐鹿什槿細(xì)夤救粘Ｑ矙z、運(yùn)營帶來較多問題。為了解決水平定向鉆敷設(shè)PE 燃?xì)夤艿谰珳?zhǔn)定位問題，各燃?xì)夤?、廠家、科研機(jī)構(gòu)積極研發(fā)一些新的定位技術(shù)，本文對常用到的定位方法的精度、優(yōu)缺點(diǎn)及成本進(jìn)行試驗(yàn)、分析，便于燃?xì)夤具x擇適合的最優(yōu)方案。

2 水平定向鉆敷設(shè)燃?xì)釶E 管道常用定位方法

水平定向鉆敷設(shè)燃?xì)釶E 管道常用的定位方法有三種，一是金屬示蹤線固定于燃?xì)釶E 管道上，通過示蹤線探測儀對金屬示蹤線進(jìn)行定位，二是通過定向鉆導(dǎo)向儀進(jìn)行定位，三是通過陀螺定位儀進(jìn)行定位。

2.1 金屬示蹤線定位法

金屬示蹤線定位法是將金屬示蹤線固定在PE 管道上，隨PE 管道一起定向鉆穿越，敷設(shè)時應(yīng)使用金屬示蹤線專用接頭并使接頭保持良好的導(dǎo)電性。水平定向鉆穿越完成后，將兩頭金屬示蹤線留出地面，定位時，給金屬示蹤線加上一定強(qiáng)度的交變電流信號，通過金屬探測儀探測磁場中心位置來確定PE 管道位置的一種方式。

使用金屬示蹤線定位PE 管道是目前常用的一種傳統(tǒng)定位方式，這種定位方式施工比較方便，價格低廉，但是該種定位方式會受多種因素影響，可能導(dǎo)致探測不到數(shù)據(jù)的情況。主要影響因素有以下幾點(diǎn)：一是金屬示蹤線的選擇，金屬示蹤線產(chǎn)生電磁強(qiáng)度的大小與金屬示蹤線本身采用的材料有關(guān)[2]，截面積過小的金屬示蹤線，容易在穿越過程中被拖斷和產(chǎn)生電磁信號不足，導(dǎo)致無法進(jìn)行定位；二是金屬示蹤線接口的處理，接口如處理不好，會造成導(dǎo)電性降低；三是當(dāng)周邊的環(huán)境有其他金屬管道或電塔等產(chǎn)生干擾信號，會導(dǎo)致探測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)；四是金屬示蹤線加載信號段及末端的接地措施，如未做好接地，會導(dǎo)致金屬示蹤線末端與土壤間接地電阻較大，絕大部分信號電流未流經(jīng)金屬示蹤線，出現(xiàn)末端無法探測到數(shù)據(jù)的結(jié)果[1]。五是敷設(shè)深度，金屬示蹤線探測方法對于敷設(shè)深度在2.5 米以下管線精度尚可，對于水平定向鉆敷設(shè)燃?xì)釶E 管道方式，埋深多大于2.5 米，受周邊金屬管線或土壤介質(zhì)的影響，導(dǎo)致探測誤差大，甚至出現(xiàn)無法正常探測的情況[1]。

該種定位方式因?yàn)槭芨鞣N因素影響，對金屬示蹤線材料、施工及周邊環(huán)境要求較高，導(dǎo)致探測精度低。

金屬示蹤線探測到的管道位置還需與定位系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，將探測到的數(shù)據(jù)使用西安80 或大地2000 坐標(biāo)系進(jìn)行絕對坐標(biāo)的標(biāo)注，尚可完成完整的竣工圖紙及竣工數(shù)據(jù)的收集。

2.2 定向鉆導(dǎo)向儀定位

定向鉆導(dǎo)向儀定位常用的方法就是對定向鉆鉆進(jìn)過程中鉆頭的傳感發(fā)射探頭的位置利用地面手持定位儀進(jìn)行跟蹤定位的一種方式。這種方式記錄的是鉆頭的軌跡，定向鉆導(dǎo)向儀定位一般是將這個軌跡認(rèn)定為PE 管敷設(shè)的軌跡。

傳統(tǒng)定位鉆軌跡定位方式定位的是鉆頭導(dǎo)向的軌跡，鉆頭鉆進(jìn)完成后會根據(jù)PE 管道的管徑進(jìn)行多次擴(kuò)孔，擴(kuò)孔完成后會進(jìn)行PE 管的拖管，拖管的過程因?yàn)闋恳Φ拇嬖?，會使PE 管道在一定程度上發(fā)生偏移，導(dǎo)致定向鉆鉆頭軌跡與PE 管敷設(shè)軌跡并不完全相同，為了獲得燃?xì)釶E 管道更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，作者通過多年的工程施工及定向鉆定位經(jīng)驗(yàn)，將該定位方式進(jìn)行了優(yōu)化。具體的定位方法如下：定向鉆拖管完成后，使用穿線器將鉆頭中的地下傳感發(fā)射探頭穿進(jìn)拖管完成后的PE 管內(nèi)，通過地上手持定位儀進(jìn)行跟蹤定位，通過這種方式取得的數(shù)據(jù)為敷設(shè)在地下的PE 管道的實(shí)際位置數(shù)據(jù)（基本可認(rèn)為管底數(shù)據(jù)），對該數(shù)據(jù)進(jìn)行修正（根據(jù)不同的管徑換算成管中心數(shù)據(jù)），避免了傳統(tǒng)鉆頭導(dǎo)向軌跡定位方式中拖管偏移引起的誤差。

為了對PE 管道拖管過程中引起的偏移誤差情況進(jìn)行分析，作者在本公司施工的工程中進(jìn)行多次試驗(yàn)，選擇長度為132 米的PE 管道管徑為DE250 的一處定向鉆，對鉆頭軌跡和拖管后PE 管軌跡深度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 和圖1。

表1 鉆頭導(dǎo)向軌跡與拖管后PE 管軌跡數(shù)據(jù)對比分析表

從表1 和圖1 中可以看出，鉆頭導(dǎo)向軌跡與拖管完成后的PE 管軌跡最大偏差為0.8 米，平均偏差為0.3 米，可以證明PE 管在拖管過程中的偏移是存在的。從兩者軌跡圖的比較中可以看出，PE 管在拖管過程中基本呈現(xiàn)向上漂移的趨勢。為了掌握定向鉆地下傳感發(fā)射探頭和地上手持定位儀的定位精度，選擇3 處穿越點(diǎn)通過開挖驗(yàn)證的方式進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證偏差最大為0.5 米，最小為0.3 米，可見定向鉆導(dǎo)向儀的精度在0.5 米左右，具體精度與不同類型的定向鉆導(dǎo)向儀及周邊環(huán)境有關(guān)。

圖1 鉆頭導(dǎo)向軌跡與拖管后PE 管軌跡曲線

因此，通過改進(jìn)的定向鉆導(dǎo)向儀定位技術(shù)可以規(guī)避因PE 管拖管過程中的偏移導(dǎo)致的誤差，定位精度只受定位設(shè)備精度和外界環(huán)境干擾的影響。定向鉆鉆頭的定位方式可探測到地下幾米甚至幾十米的管道位置，因此以定向鉆穿越方式敷設(shè)的PE 管道都可以探測到。

定向鉆導(dǎo)向儀定位數(shù)據(jù)需要與定位系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，將穿越軌跡使用西安80 或大地2000 坐標(biāo)系進(jìn)行絕對坐標(biāo)的定位，尚可完成完整的竣工圖紙及竣工數(shù)據(jù)的收集。

2.3 陀螺定位儀定位

管線陀螺儀定位技術(shù)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分由測量主機(jī)和牽引鋼繩兩部分組成，測量主機(jī)由支架和陀螺儀構(gòu)成。待管道定向鉆穿越施工完成后，將測量主機(jī)放入被測管道內(nèi)部，經(jīng)牽引鋼繩拖動并在管道內(nèi)通行個來回，測量主機(jī)將自動記錄被測管道各點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。測量主機(jī)在管道里面被牽引鋼繩拉動過程中，慣性陀螺儀隨著測量主機(jī)在管道中移動，由于測量主機(jī)移動到不同的位置時，慣性陀螺儀沿旋轉(zhuǎn)軸的垂直方向有力矩作用，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸方向發(fā)生改變，而測量主機(jī)自帶的多組傳感器實(shí)時讀取慣性陀螺儀旋轉(zhuǎn)軸所指示的方向，這樣就能使測量主機(jī)在管道內(nèi)移動的過程中，記錄管道每個連續(xù)點(diǎn)的前后空間位置變化關(guān)系，通過輸入管道兩端的坐標(biāo)（西安80 或大地2000 坐標(biāo)系），就能得到整個管道的三維坐標(biāo)。陀螺定位儀定位數(shù)據(jù)直接為絕對坐標(biāo)，無須與GPS結(jié)合使用。

陀螺定位儀探測方法為管內(nèi)探測法，儀器必須進(jìn)入管道內(nèi)部，需要在穿越完成未合口前進(jìn)行探測，對已投產(chǎn)管線需要停氣斷開管線后方可探測。陀螺定位儀儀器的輪組的可用尺寸范圍為80mm-800mm，管徑過大過小都無法運(yùn)用該儀器測量，只能滿足常規(guī)尺寸的管線測量需要。

陀螺定位儀定位方式是將陀螺原理與計算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起，綜合利用陀螺儀導(dǎo)航技術(shù)、重力場、計算機(jī)矢量計算等交叉學(xué)科原理進(jìn)行定位的與電磁波或磁場無關(guān)，因此不會收到電磁干擾[3]。并且所有數(shù)據(jù)資料，除入口點(diǎn)與出口點(diǎn)利用定位系統(tǒng)等獲得資料之外，其余所有資料皆由慣性定位儀自行運(yùn)算獲得，并非人工計算，消除人為誤差因素，并可進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證。

陀螺定位儀定位精確高（精度可達(dá)千分之2.5）且不受地形影響，不受深度限制，不受電磁干擾，不受管道材質(zhì)影響，是傳統(tǒng)管線定位的一個強(qiáng)有力的補(bǔ)充，也是未來地下管線定位的發(fā)展方向。目前，進(jìn)口陀螺定位儀的市場售價在200 萬人民幣左右，儀器價格昂貴，市場每米定位單價約為100 元，基本與DE110PE 管道定向鉆穿越每米單價持平，這個價格對于一些中小型的城鎮(zhèn)燃?xì)夤具€是難以接受。這種定位方式是一種新型的技術(shù)，目前也是在推廣的過程中，覆蓋面不足，定向鉆施工單位配置陀螺定位儀的較少，單獨(dú)聘請陀螺定位儀測量單位進(jìn)行定位，可能涉及到交叉施工及工程進(jìn)度的影響。

3 不同定位方式優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1 金屬示蹤線定位

優(yōu)點(diǎn)：定位非常方便、價格低廉，封閉與非封閉管線都可使用；缺點(diǎn)：定位精度低，受穿越深度、外界信號干擾、示蹤線質(zhì)量等多種因素影響，對于深度較深和外界信號干擾大的定向鉆穿線管線經(jīng)常出現(xiàn)探測不到數(shù)據(jù)的情況。使用該種方式需注意：①選擇合適的金屬示蹤線材料；②接口處理良好，保證導(dǎo)電性；③埋設(shè)深度不超過2.5 米；④示蹤線兩端應(yīng)留出地面1 米以上，便于探測時施加電流信號。

3.2 定向鉆導(dǎo)向儀定位（改進(jìn)后）

優(yōu)點(diǎn)：①無須增加成本，定位方便；②定位可以由定向鉆施工單位完成，不會出現(xiàn)交叉施工及延誤工期情況；③定位精度較高，可達(dá)到0.5 米以內(nèi)；④定位不受敷設(shè)深度影響；缺點(diǎn)：無法對有較強(qiáng)施工干擾的地區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)地位。使用該方式需注意：①500 米以內(nèi)的地下管線拖管完成后可以借助穿線器予以穿線，單鉆長度大于500 米的，拖管完成后探測設(shè)備穿線是一個較大的考驗(yàn)，需要在定向鉆拖管施工過程中預(yù)穿牽引線，這項(xiàng)工作必須要施工單位的配合才能完成，前期工作量比較大。②受鉆頭內(nèi)的地下探測設(shè)備尺寸限制，DE63 以下的PE 管線，探測設(shè)備無法進(jìn)入管道內(nèi)，只能以導(dǎo)向軌跡作為管道軌跡。

3.3 陀螺定位儀

優(yōu)點(diǎn)：①定位精度高，可達(dá)到0.15 米；②不受電磁波干擾，不受地面環(huán)境、交通、天氣、光線等影響；③不受管道材質(zhì)和周圍環(huán)境的干擾；④不受敷設(shè)深度影響[3]。缺點(diǎn)：①定位成本較高；交叉施工，可能影響到工程進(jìn)度；數(shù)據(jù)量大，軟件操作復(fù)雜。使用該方式需注意：陀螺定位儀儀器僅僅適用于非封閉的管道，運(yùn)行中的封閉管線沒辦法使用該儀器來測量；②500 米以內(nèi)的地下管線后期可以借助穿線器給其穿線，大于500 米的牽引管對后期穿線是一個考驗(yàn)，需要在牽引管施工過程中預(yù)穿牽引線，這項(xiàng)工作必須要施工單位的配合才能完成，前期工作量大；③儀器的輪組的可用尺寸范圍為80mm-800mm，管徑過大過小都無辦法運(yùn)用該儀器測量，只能滿足常規(guī)尺寸的管線測量需要。

4 結(jié)論

目前金屬示蹤線探測技術(shù)僅僅依靠金屬示蹤線的方式對定向鉆敷設(shè)PE 管很難取到精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，但金屬示蹤線一直隨管線敷設(shè)，如施工過程中取得的定位數(shù)據(jù)丟失，還可以通過示蹤線追蹤PE 管道位置，因此金屬示蹤線探測技術(shù)作為一項(xiàng)輔助定位技術(shù)可以與定向鉆軌跡探測、陀螺定位儀探測技術(shù)結(jié)合使用。

PE 管拖管完成后定向鉆導(dǎo)向探測儀定位數(shù)據(jù)精度雖然低于陀螺定位儀定位精度，但其定位精度足以滿足燃?xì)夤芫€常規(guī)定位需求，可清楚掌握地下燃?xì)夤芫€位置，實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤芫€常態(tài)化運(yùn)行管理需求，并且定向鉆施工過程中直接取得無須增加施工成本和施工周期。作者認(rèn)為這種定位方式在沒有較強(qiáng)施工干擾的地區(qū)可以優(yōu)先考慮使用。

陀螺定位儀定位方式是一種新型的定位技術(shù)，定位精度最高，定位成本高，施工不受外界環(huán)境影響。作者認(rèn)為這種定位方式適用于對燃?xì)夤芫€定位精度有較高要求并且能夠承擔(dān)較高定位成本的燃?xì)夤尽?/p>

以上為作者對水平定向鉆敷設(shè)燃?xì)釶E 管道三種不同定位方式的施工方式、定位原理及優(yōu)缺點(diǎn)分析，燃?xì)夤究筛鶕?jù)各公司實(shí)際情況選擇適合自己的定位方式。作者建議可采用以下兩種探測方式，一是金屬示蹤線固定PE管與定向鉆導(dǎo)向儀定位技術(shù)（改進(jìn)后導(dǎo)向儀）結(jié)合，兩種方式結(jié)合可以解決后期定向鉆軌跡數(shù)據(jù)丟失，或運(yùn)行中的管線（封閉管線）無法使用定向鉆軌跡探測的情況。這兩種方式結(jié)合可供對施工成本比較敏感且對定位精度要求在0.5米以上的燃?xì)夤具x擇使用。二是金屬示蹤線固定PE 管與陀螺定位儀探測結(jié)合，兩種方式結(jié)合可以解決后期陀螺定位儀數(shù)據(jù)丟失或運(yùn)行中的管線（封閉管線）無法使用陀螺定位儀探測的情況。這兩種方式結(jié)合可供對施工成本不敏感且對定位精度要求在0.5 米以內(nèi)的燃?xì)夤具x擇使用。不推薦單獨(dú)使用三種探測方式的任何一種形式，只使用金屬示蹤線纏繞方式，定位精度低且受外界環(huán)境干擾較大；僅使用定向鉆軌跡或陀螺定位儀定位方式，如出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或運(yùn)行中的管線（封閉管線）無法進(jìn)行管線定位，不利于后期運(yùn)行管理。