柴佳麗CHAI Jia-li;江文JIANG Wen
(①東營(yíng)華潤(rùn)燃?xì)庥邢薰?,東營(yíng) 257091;②華潤(rùn)燃?xì)猓暇┦姓こ逃邢薰?,南?210000)
水平定向鉆穿越施工是在不開挖地表面的條件下,通過(guò)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(huì)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(lái),在世界各國(guó)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(lái)越多。雖然這種施工方式帶來(lái)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(méi)有有效的辦法可以實(shí)現(xiàn)在地面上直接測(cè)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(lái)非常大的困難。
因?yàn)槿細(xì)獾奶厥庑约拔kU(xiǎn)性,燃?xì)夤緦?duì)燃?xì)夤艿赖木珳?zhǔn)定位要求較高,如無(wú)精準(zhǔn)的定位數(shù)據(jù),經(jīng)常會(huì)發(fā)生第三方管道施工破壞,出現(xiàn)挖斷PE 管道的情況,會(huì)造成重大燃?xì)馐鹿什槿細(xì)夤救粘Q矙z、運(yùn)營(yíng)帶來(lái)較多問(wèn)題。為了解決水平定向鉆敷設(shè)PE 燃?xì)夤艿谰珳?zhǔn)定位問(wèn)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(duì)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。
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(guò)示蹤線探測(cè)儀對(duì)金屬示蹤線進(jìn)行定位,二是通過(guò)定向鉆導(dǎo)向儀進(jìn)行定位,三是通過(guò)陀螺定位儀進(jìn)行定位。
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(shí)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(shí),給金屬示蹤線加上一定強(qiáng)度的交變電流信號(hào),通過(guò)金屬探測(cè)儀探測(cè)磁場(chǎng)中心位置來(lái)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(jià)格低廉,但是該種定位方式會(huì)受多種因素影響,可能導(dǎo)致探測(cè)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(guò)小的金屬示蹤線,容易在穿越過(guò)程中被拖斷和產(chǎn)生電磁信號(hào)不足,導(dǎo)致無(wú)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(huì)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(hào),會(huì)導(dǎo)致探測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn);四是金屬示蹤線加載信號(hào)段及末端的接地措施,如未做好接地,會(huì)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(hào)電流未流經(jīng)金屬示蹤線,出現(xiàn)末端無(wú)法探測(cè)到數(shù)據(jù)的結(jié)果[1]。五是敷設(shè)深度,金屬示蹤線探測(cè)方法對(duì)于敷設(shè)深度在2.5 米以下管線精度尚可,對(duì)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(cè)誤差大,甚至出現(xiàn)無(wú)法正常探測(cè)的情況[1]。
該種定位方式因?yàn)槭芨鞣N因素影響,對(duì)金屬示蹤線材料、施工及周邊環(huán)境要求較高,導(dǎo)致探測(cè)精度低。
金屬示蹤線探測(cè)到的管道位置還需與定位系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合,將探測(cè)到的數(shù)據(jù)使用西安80 或大地2000 坐標(biāo)系進(jìn)行絕對(duì)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。
定向鉆導(dǎo)向儀定位常用的方法就是對(duì)定向鉆鉆進(jìn)過(guò)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(gè)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(huì)根據(jù)PE 管道的管徑進(jìn)行多次擴(kuò)孔,擴(kuò)孔完成后會(huì)進(jìn)行PE 管的拖管,拖管的過(guò)程因?yàn)闋恳Φ拇嬖冢瑫?huì)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(guò)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(guò)地上手持定位儀進(jìn)行跟蹤定位,通過(guò)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(duì)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(duì)PE 管道拖管過(guò)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(zhǎng)度為132 米的PE 管道管徑為DE250 的一處定向鉆,對(duì)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(duì)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(guò)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(guò)程中基本呈現(xiàn)向上漂移的趨勢(shì)。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(guò)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(guò)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(guò)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(cè)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(cè)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(duì)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。
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(cè)量主機(jī)和牽引鋼繩兩部分組成,測(cè)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(cè)量主機(jī)放入被測(cè)管道內(nèi)部,經(jīng)牽引鋼繩拖動(dòng)并在管道內(nèi)通行個(gè)來(lái)回,測(cè)量主機(jī)將自動(dòng)記錄被測(cè)管道各點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。測(cè)量主機(jī)在管道里面被牽引鋼繩拉動(dòng)過(guò)程中,慣性陀螺儀隨著測(cè)量主機(jī)在管道中移動(dòng),由于測(cè)量主機(jī)移動(dòng)到不同的位置時(shí),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(cè)量主機(jī)自帶的多組傳感器實(shí)時(shí)讀取慣性陀螺儀旋轉(zhuǎn)軸所指示的方向,這樣就能使測(cè)量主機(jī)在管道內(nèi)移動(dòng)的過(guò)程中,記錄管道每個(gè)連續(xù)點(diǎn)的前后空間位置變化關(guān)系,通過(guò)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(gè)管道的三維坐標(biāo)。陀螺定位儀定位數(shù)據(jù)直接為絕對(duì)坐標(biāo),無(wú)須與GPS結(jié)合使用。
陀螺定位儀探測(cè)方法為管內(nèi)探測(cè)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(cè),對(duì)已投產(chǎn)管線需要停氣斷開管線后方可探測(cè)。陀螺定位儀儀器的輪組的可用尺寸范圍為80mm-800mm,管徑過(guò)大過(guò)小都無(wú)法運(yùn)用該儀器測(cè)量,只能滿足常規(guī)尺寸的管線測(cè)量需要。
陀螺定位儀定位方式是將陀螺原理與計(jì)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(chǎng)、計(jì)算機(jī)矢量計(jì)算等交叉學(xué)科原理進(jìn)行定位的與電磁波或磁場(chǎng)無(wú)關(guān),因此不會(huì)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(jì)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(gè)強(qiáng)有力的補(bǔ)充,也是未來(lái)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(chǎng)售價(jià)在200 萬(wàn)人民幣左右,儀器價(jià)格昂貴,市場(chǎng)每米定位單價(jià)約為100 元,基本與DE110PE 管道定向鉆穿越每米單價(jià)持平,這個(gè)價(jià)格對(duì)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(guò)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(qǐng)陀螺定位儀測(cè)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。
優(yōu)點(diǎn):定位非常方便、價(jià)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(hào)干擾、示蹤線質(zhì)量等多種因素影響,對(duì)于深度較深和外界信號(hào)干擾大的定向鉆穿線管線經(jīng)常出現(xiàn)探測(cè)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(guò)2.5 米;④示蹤線兩端應(yīng)留出地面1 米以上,便于探測(cè)時(shí)施加電流信號(hào)。
優(yōu)點(diǎn):①無(wú)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(huì)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(wú)法對(duì)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(zhǎng)度大于500 米的,拖管完成后探測(cè)設(shè)備穿線是一個(gè)較大的考驗(yàn),需要在定向鉆拖管施工過(guò)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(cè)設(shè)備尺寸限制,DE63 以下的PE 管線,探測(cè)設(shè)備無(wú)法進(jìn)入管道內(nèi),只能以導(dǎo)向軌跡作為管道軌跡。
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(méi)辦法使用該儀器來(lái)測(cè)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(duì)后期穿線是一個(gè)考驗(yàn),需要在牽引管施工過(guò)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(guò)大過(guò)小都無(wú)辦法運(yùn)用該儀器測(cè)量,只能滿足常規(guī)尺寸的管線測(cè)量需要。
目前金屬示蹤線探測(cè)技術(shù)僅僅依靠金屬示蹤線的方式對(duì)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(guò)程中取得的定位數(shù)據(jù)丟失,還可以通過(guò)示蹤線追蹤PE 管道位置,因此金屬示蹤線探測(cè)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(cè)、陀螺定位儀探測(cè)技術(shù)結(jié)合使用。
PE 管拖管完成后定向鉆導(dǎo)向探測(cè)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(guò)程中直接取得無(wú)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(méi)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(duì)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(duì)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(cè)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(wú)法使用定向鉆軌跡探測(cè)的情況。這兩種方式結(jié)合可供對(duì)施工成本比較敏感且對(duì)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(cè)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(wú)法使用陀螺定位儀探測(cè)的情況。這兩種方式結(jié)合可供對(duì)施工成本不敏感且對(duì)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(cè)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(wú)法進(jìn)行管線定位,不利于后期運(yùn)行管理。