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水平定向鉆穿越（HDD）問題

穿越位置與在役管道最近距離

由于此管道處于商業(yè)繁華、人口稠密的區(qū)域，且泰國土地私有，用大開挖方式施工需要大量的征地協(xié)調(diào)工作以及高額賠償費(fèi)用，因此最 佳方式為水平定向鉆穿越（HDD），但該項(xiàng)目大部分區(qū)域地下埋有多條在役管道，對(duì)HDD控向精度能力要求高，控向偏差大可能導(dǎo)致“撞管”事故，后果不堪設(shè)想。項(xiàng)目業(yè)主要求HDD橫向精度偏差為±0.5m，已超出常規(guī)HDD施工精度要求。

影響HDD精度的主要原因分析

從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)（5M1E）六個(gè)方面，篩選出導(dǎo)致HDD施工中控向精度不準(zhǔn)確的主要因素有以下三個(gè)。


鄰近在役管道的電磁干擾

由于新建管道穿越位置與在役管道最 小距離只有2m，對(duì)施工來講，不僅安全風(fēng)險(xiǎn)很高，而且在役管道屬于鋼制管道，會(huì)影響探測(cè)精度。為了探測(cè)在役管道對(duì)檢測(cè)精度的影響，進(jìn)行了現(xiàn)場模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證現(xiàn)有系統(tǒng)對(duì)外界電磁干擾的抗干擾性。首先利用現(xiàn)有穿越系統(tǒng)，用鋼套管模擬外界干擾，先后在探頭附近放置管徑分別為1in、4in（1in=25.4mm）的鋼管，檢驗(yàn)對(duì)探測(cè)器的干擾（在無干擾的情況下，讀取探測(cè)器讀數(shù)為：方位角212.6°，引力角91.7°）。鋼管在不同距離處對(duì)探測(cè)精度的干擾數(shù)據(jù)如表所示。

鄰近在役管道距離對(duì)探測(cè)精度的干擾數(shù)據(jù)

可以看出，探測(cè)精度會(huì)受到鄰近在役管道的影響，方位角會(huì)發(fā)生不同程度的偏移，管徑越大影響越大。管徑1in管道在2m范圍內(nèi)對(duì)探測(cè)精度有影響，管徑4in管道在3m范圍內(nèi)對(duì)探測(cè)精度有影響，而在役管道管徑為28in和36in，對(duì)探測(cè)精度影響范圍更大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出項(xiàng)目業(yè)主要求的HDD橫向精度±0.5m。


外部隨機(jī)干擾

在現(xiàn)場檢查過程中發(fā)現(xiàn)，探測(cè)儀的數(shù)據(jù)在某些情況下會(huì)突然發(fā)生變化，其變化程度偏離了正常值。經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)異常多是由于外界隨機(jī)干擾造成的，通過監(jiān)測(cè)外部環(huán)境發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外界有重型車輛經(jīng)過或電壓不穩(wěn)時(shí)，便容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)波動(dòng)。因此，如何處理好外部隨機(jī)干擾因素，是獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。


數(shù)據(jù)處理手段

在數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)：在測(cè)量同一點(diǎn)的五組數(shù)中，假設(shè)實(shí)際位置點(diǎn)為0，采集圍繞0點(diǎn)位置的波動(dòng)數(shù)據(jù)，若有異常點(diǎn)，會(huì)出現(xiàn)如圖1所示偏差，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將異常數(shù)據(jù)剔除。但在外界有干擾的情況下，所有數(shù)據(jù)（包括異常點(diǎn)）會(huì)出現(xiàn)如圖2所示偏差，在此情況下會(huì)干擾控向人員判斷。

圖1 數(shù)據(jù)采集（剔除異常點(diǎn)）

圖2 數(shù)據(jù)采集（保留所有點(diǎn)）

除此之外，技術(shù)人員還分析了其他可能影響因素，如鉆鋌是否被磁化、雷雨天氣是否影響定位精度、GPS測(cè)量儀器精度是否不足、人工磁場布設(shè)是否不準(zhǔn)確等，問題都被一一排除。

解決方案的制定和實(shí)施

通過參考借鑒泰國PTT-NS項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)（該項(xiàng)目共計(jì)65條定向鉆，出土點(diǎn)橫向偏差均有效地控制在±0.5m以內(nèi)），制定了相應(yīng)對(duì)策和方案。采用新一代控向系統(tǒng)

選用新一代的控向系統(tǒng)——Paratrack系統(tǒng)，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式較為先進(jìn)，數(shù)據(jù)分析模塊采用時(shí)域及頻域分析，降低了干擾信號(hào)，同時(shí)配合使用人工磁場布置，大大提高了數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)采集速率。此外，該系統(tǒng)另有直接測(cè)量成像工具，增加了許多視覺功能，可以更準(zhǔn)確地顯示和規(guī)劃鉆進(jìn)路徑曲線。

為驗(yàn)證Paratrack系統(tǒng)精度，采用了兩套相同規(guī)格的穿越設(shè)備進(jìn)行精度模擬實(shí)驗(yàn)。其中一組探棒A已在施工中應(yīng)用過，另一組B是全新探棒。驗(yàn)證結(jié)果表明，地磁場環(huán)境下相對(duì)誤差都不超過0.5m；若在人工磁場環(huán)境下二者的偏差不超過0.2m。

模擬實(shí)驗(yàn)及偏差

另外，在定向鉆所需定位線圈選擇上直接選用了交流線圈，有效抑 制了干擾，線圈定位偏差如圖所示，偏差基本控制在0.1m。

交流線圈定位偏差

應(yīng)用現(xiàn)場表明：采用Paratrack技術(shù)以及交流線圈，成功將HDD施工控向偏差降低到了±0.2m，滿足項(xiàng)目技術(shù)規(guī)范要求。探測(cè)在役管道與鉆頭的實(shí)時(shí)相對(duì)位置

1 引進(jìn)水鉆確認(rèn)管道位置

水鉆定位的工作原理是借助水的動(dòng)能破開土壤，當(dāng)水流撞擊到在役管道時(shí)，可以通過測(cè)定回聲確定管道位置。水鉆探測(cè)法具有定位精度高、設(shè)備體積小、使用靈活、工期短、費(fèi)用低、對(duì)交通及居民生活無干擾等特點(diǎn)，最深可測(cè)得地面以下17m的管道。

水鉆工作機(jī)理

通過電機(jī)提供動(dòng)力，將水箱內(nèi)的水泵出并加壓至金屬探管中（管徑有兩種：0.5in和4in），探管前端有篩狀堵頭，布滿2~3mm直徑的小孔，在壓力作用下，水速可達(dá)300m/s。當(dāng)水流沖開地層達(dá)到管道位置處時(shí)，水流沖擊管道的聲音會(huì)通過金屬管傳遞回來，此時(shí)即可判定管道位置。然后通過GPS（RTK）進(jìn)行地面高程測(cè)量，減去深入地下管道的長度，即可算出埋地管道的具體位置。通過引進(jìn)水鉆，完成了在役管道位置的地上探測(cè)，精度偏差在0.1m以內(nèi)。

2 采用地下線圈實(shí)時(shí)探測(cè)在疫

   管道與鉆頭之間的相對(duì)位置

一般情況下，都是在管道穿越曲線的頂部布置人工磁場線圈對(duì)線圈的坐標(biāo)和高程進(jìn)行測(cè)量，在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)時(shí)，通過探頭接收地面線圈的磁信號(hào)，通過系統(tǒng)軟件分析計(jì)算出鉆頭的位置，當(dāng)鉆頭偏離設(shè)計(jì)曲線時(shí)，司鉆調(diào)整鉆進(jìn)角度，以實(shí)現(xiàn)精 確控向的目的。

在施工過程中，人工磁場產(chǎn)生的電磁場同樣會(huì)受到在役管道的干擾，可采用給在役管道通電的方式布設(shè)新的磁場。

地下線圈示意

與地表線圈形成的磁場相比，鉆頭與新磁場的距離更近，精度會(huì)更高。因此通過陰保樁對(duì)在役管道通電，形成一條埋地的人工磁場，利用前期測(cè)得的在役管道坐標(biāo)信息，作為地下線圈的參數(shù)輸入，確定了鉆頭與在役管道的相對(duì)位置，確定了鉆頭位置，降低了穿越偏差甚至“撞管”等嚴(yán)重事故的風(fēng)險(xiǎn)。

陰保樁通電

應(yīng)用結(jié)果表明：采用水鉆進(jìn)行在役管道定位，可以準(zhǔn)確判定在役管道的位置和走向；結(jié)合地下人工磁場的采用，在穿越過程中隨時(shí)觀察鉆頭與在役管道的相對(duì)位置，保證了穿越安全順利進(jìn)行。

在役管道及鉆頭相對(duì)位置

結(jié)束語

針對(duì)影響HDD精度的主要因素所采取的對(duì)策保證了在狹小地域內(nèi)HDD安全施工，有效避免了因穿越精度低造成的“撞車”風(fēng)險(xiǎn)和損失。同時(shí)，引進(jìn)了更新版本的控向系統(tǒng)，降低了導(dǎo)向孔穿越偏差，可為類似HDD穿越項(xiàng)目提供借鑒和參考。

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