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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用，因此最 佳方式為水平定向鉆穿越（HDD），但該項目大部分區(qū)域地下埋有多條在役管道，對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、料、法、環(huán)、測（5M1E）六個方面，篩選出導(dǎo)致HDD施工中控向精度不準確的主要因素有以下三個。


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，對施工來講，不僅安全風(fēng)險很高，而且在役管道屬于鋼制管道，會影響探測精度。為了探測在役管道對檢測精度的影響，進行了現(xiàn)場模擬實驗，驗證現(xiàn)有系統(tǒng)對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，檢驗對探測器的干擾（在無干擾的情況下，讀取探測器讀數(shù)為：方位角212.6°，引力角91.7°）。鋼管在不同距離處對探測精度的干擾數(shù)據(jù)如表所示。

鄰近在役管道距離對探測精度的干擾數(shù)據(jù)

可以看出，探測精度會受到鄰近在役管道的影響，方位角會發(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)對探測精度有影響，管徑4in管道在3m范圍內(nèi)對探測精度有影響，而在役管道管徑為28in和36in，對探測精度影響范圍更大，遠遠超出項目業(yè)主要求的HDD橫向精度±0.5m。


外部隨機干擾

在現(xiàn)場檢查過程中發(fā)現(xiàn)，探測儀的數(shù)據(jù)在某些情況下會突然發(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干擾造成的，通過監(jiān)測外部環(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，便容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)波動。因此，如何處理好外部隨機干擾因素，是獲得準確數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。


數(shù)據(jù)處理手段

在數(shù)據(jù)測量時發(fā)現(xiàn)：在測量同一點的五組數(shù)中，假設(shè)實際位置點為0，采集圍繞0點位置的波動數(shù)據(jù)，若有異常點，會出現(xiàn)如圖1所示偏差，此時系統(tǒng)會自動將異常數(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）會出現(xiàn)如圖2所示偏差，在此情況下會干擾控向人員判斷。

圖1 數(shù)據(jù)采集（剔除異常點）

圖2 數(shù)據(jù)采集（保留所有點）

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測量儀器精度是否不足、人工磁場布設(shè)是否不準確等，問題都被一一排除。

解決方案的制定和實施

通過參考借鑒泰國PTT-NS項目經(jīng)驗（該項目共計65條定向鉆，出土點橫向偏差均有效地控制在±0.5m以內(nèi)），制定了相應(yīng)對策和方案。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，數(shù)據(jù)分析模塊采用時域及頻域分析，降低了干擾信號，同時配合使用人工磁場布置，大大提高了數(shù)據(jù)處理準確性和數(shù)據(jù)采集速率。此外，該系統(tǒng)另有直接測量成像工具，增加了許多視覺功能，可以更準確地顯示和規(guī)劃鉆進路徑曲線。

為驗證Paratrack系統(tǒng)精度，采用了兩套相同規(guī)格的穿越設(shè)備進行精度模擬實驗。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。驗證結(jié)果表明，地磁場環(huán)境下相對誤差都不超過0.5m；若在人工磁場環(huán)境下二者的偏差不超過0.2m。

模擬實驗及偏差

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，滿足項目技術(shù)規(guī)范要求。探測在役管道與鉆頭的實時相對位置

1 引進水鉆確認管道位置

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

水鉆工作機理

通過電機提供動力，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300m/s。當(dāng)水流沖開地層達到管道位置處時，水流沖擊管道的聲音會通過金屬管傳遞回來，此時即可判定管道位置。然后通過GPS（RTK）進行地面高程測量，減去深入地下管道的長度，即可算出埋地管道的具體位置。通過引進水鉆，完成了在役管道位置的地上探測，精度偏差在0.1m以內(nèi)。

2 采用地下線圈實時探測在疫

   管道與鉆頭之間的相對位置

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線圈的坐標(biāo)和高程進行測量，在導(dǎo)向孔鉆進時，通過探頭接收地面線圈的磁信號，通過系統(tǒng)軟件分析計算出鉆頭的位置，當(dāng)鉆頭偏離設(shè)計曲線時，司鉆調(diào)整鉆進角度，以實現(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，精度會更高。因此通過陰保樁對在役管道通電，形成一條埋地的人工磁場，利用前期測得的在役管道坐標(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位置，確定了鉆頭位置，降低了穿越偏差甚至“撞管”等嚴重事故的風(fēng)險。

陰保樁通電

應(yīng)用結(jié)果表明：采用水鉆進行在役管道定位，可以準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，在穿越過程中隨時觀察鉆頭與在役管道的相對位置，保證了穿越安全順利進行。

在役管道及鉆頭相對位置

結(jié)束語

針對影響HDD精度的主要因素所采取的對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)險和損失。同時，引進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穿越項目提供借鑒和參考。

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