集成電路 | 基于精確定向鉆技術的電纜非開挖施工方法研究

摘要：基于非開挖技術的水平定向鉆方法，無線導向技術和傳統(tǒng)直入直出的施工方式已不滿足地下管線復雜、空間狹小的主城區(qū)復雜環(huán)境施工作業(yè)的需求。研究采用精確有線探控技術，革新施工方法流程，繪制管線三維復測圖的施工方式。

1 引言

傳統(tǒng)定向鉆非開挖施工技術在城區(qū)應用多年，主城區(qū)地下埋有大量的電力、煤氣、供水、通信管線，導致后續(xù)非開挖作業(yè)空間有限[1,2]。部分施工項目因出鉆位置空間有限無法安全出鉆，逼著施工單位協(xié)調開挖遷移出入鉆口處的地下管線，導致工期和成本無法控制。2010 年 6 月，廣州番禺區(qū)某工地施工單位施工安全意識淡薄，施工過程盲目大意，強行采用傳統(tǒng)定向鉆技術施工穿越施工，因鉆頭偏離預設路徑 2 m，將出鉆口附近的 110 kV 甲、乙線電纜同時鉆穿，導致附近變電站突然失壓，周邊區(qū)域大面積停電（見圖 1）。

2 研究目標

研究使用 Eclipse 高精度有線探控制一體技術替代無線導向技術，應用三維管道復測技術對實際管線軌跡復核、精確繪圖，對非開挖施工方法進行革新，改進施工流程和施工方法，提高水平定向鉆施工技術的可實施性和后續(xù)施工的可持續(xù)性。從而滿足在地下管線復雜，空間狹窄，安全要求較高的主城區(qū)大跨度、大深度、高精度的電纜項目非開挖水平施工的需求，減少非必要的大開挖施工作業(yè)，確保施工安全，縮短施工工期，降低施工成本，減少對城市道路及周邊環(huán)境的影響。

3 傳統(tǒng)的施工方法

基于無線導向系統(tǒng)的傳統(tǒng)非開挖施工方法已經不適合城區(qū)管線密集區(qū)域的施工需求。

（1）工作范圍小。傳統(tǒng)定向鉆技術采用的無線導向系統(tǒng)分為信號發(fā)生器、電池和無線跟蹤儀三個部分組成。信號發(fā)生器采用電池供電，受限于體積原因，電池容量有限，信號發(fā)射裝置功率較小，信號穿透力不足。理想狀態(tài)探深在 10～15 m，電池供電最長不超過 36 h，但在地下管線密集或干擾較大的環(huán)境中使用，實測探深一般不超過 9 m，干擾嚴重時縮短至 5 m 左右，電池持續(xù)供電時間在 20 h 左右，無法滿足長距離、大深度的穿越。

（2）探測精度差。信號發(fā)生器（探頭）將探測到的信息生成電磁信號發(fā)出，由地面的技術人員手持跟蹤儀接收電磁信號，從而計算獲得鉆頭信息。但儀器的測量精度還受限于操作人員是否嚴格按照儀器制造商的推薦程序和要求操作，手持跟蹤儀垂直于地面。因為任何角度偏轉都可能影響信號接收，進而影響信號的精度。另外，無線系統(tǒng)采用的是電磁信號容易受到城市范圍內各種地下管線（電纜、電信、金屬管道等）和地上構造物（變電站、信號塔等）的電磁干擾，影響精度。當干擾大于信號強度時，甚至會發(fā)生信號丟失，操作員只能盲視施工。實際施工經驗，實際位置與探測位置的誤差可高達 1 m 左右，嚴重時甚至可達 2 m 以上。

（3）對環(huán)境要求高。傳統(tǒng)定向鉆施工技術是一種只能從道路一側鉆入，按照出入鉆位置預設一定角度的拋物線鉆進，從道路另外一側鉆出的施工方式。實際施工中一般要求預設軌跡與鄰近管線保持 2 m 以上的安全距離。受限于無線技術精度限制，當出入鉆口位置的空間狹小，且鄰近管線較近時便無法施工，需要遷移鄰近管線。如強行穿越則很大可能鉆穿鄰近管線。

4 新技術的應用

（1）有線探控一體系統(tǒng)。采用 Eclipse 高精度有線探測、控制一體化系統(tǒng)，系統(tǒng)技術原理基于地磁有線導向測量方法，以地球重力場和地磁場為參考，建立三維參考坐標，導向儀探頭采用航天固態(tài)慣性陀螺儀技術建立測量坐標，傳感器測量的位置與角度數(shù)據(jù)通過信號與供電復合線纜傳輸至地面設備的操作系統(tǒng)，通過計算機自動計算并顯示鉆頭角度與鉆進軌跡。鉆機操作人員可在顯示屏上直接觀察，及時根據(jù)顯示信息控向，對偏移糾正。由于信號通過屏蔽纜直接傳輸（不受干擾）至地面系統(tǒng)，鉆機操作控制人不再需要通過專業(yè)技術人員在危險的路面上手持跟蹤儀獲取鉆頭信息，從而提高施工精度。在穿越長 200 m，深近 20 m 的 110 kV 施工項目跨越河涌段使用，其誤差最大值控制在 0.4 m 以內，明顯比傳統(tǒng)的無線技術精度更高。

（2）三維管道復測。在管道敷設施工完成后，110 kV 電纜敷設前，采用測量型的高精度 GPS 裝置測量定位，將水平定向鉆施工的管口位置與城市坐標對接。測量時使用電動或人工方式牽引第三代高精度管道三維姿態(tài)測量儀器（MEMS 慣性技術）逐條穿越已完成敷設的管道。測量儀器是基于三維陀螺儀技術研發(fā)的，通過實時對自身姿態(tài)與位置進行記錄，最后通過計算機的自動運算，結合城市坐標系還原繪制管道在地下的實際位置與分布姿態(tài)，。三維管道復測技術的使用，能夠真實反映管道實際位置，為后續(xù)施工或搶修作業(yè)及決策提供必要的支撐數(shù)據(jù)。

5 施工方法的改進

精確定向鉆技術非開挖施工方法改變了傳統(tǒng)粗獷的直入直出的施工方法，以下改進建議。

（1）施工前準備工作，現(xiàn)場勘查、核對設計圖紙；接受管線單位安全技術交底；現(xiàn)場復測管線位置。（2）施工場地的圍蔽，設備和管線場地的布置等。（3）在已探明預定出入鉆口目標位置有其他市政管線阻礙的情況，通過人工方式局部掏挖，將預定出入鉆口附近的管線開挖露出并采取臨時保護措施，在現(xiàn)有管線安全距離（見表 1）以外的地方進行接收井開挖與砌筑，將鉆頭出入鉆口移至接收井邊，與現(xiàn)有管線保持足夠安全距離。出入鉆全過程操作由監(jiān)護人員和目視控制，避免因空間狹小或精度誤差等原因損傷鄰近的運行線路。（4）如果預設（可用）空間實在狹小，不能滿足安全距離的時候，采用預埋管道與水平定向鉆管道駁接并重新排序，接引至正常的管線走廊中，然后在新敷設管道和原管線間敷設鋼板或采取其他保護措施，降低日后運維與檢修誤傷鄰近運行管線的可能。（5）鉆進過程分三步：導向孔施工、回擴施工、管道焊接和回拖施工。第一步，設定導向軌跡，從預設入鉆點進行導向孔施工，直至鉆頭到達鉆進終點鉆出或人工掏挖出鉆頭。采用有線探控一體系統(tǒng)水平定向鉆機能最大限度保證實際軌跡與預設軌跡保持一致，不偏移出規(guī)劃紅線范圍。第二步，根據(jù)土質和管徑大?。ㄒ话銥楣芫€ 1.5 倍），采用一次或（建議）多級回擴，采用與地層相匹配的擴孔器和鉆進液流量，可節(jié)約資金和時間。第三步，焊接好管道，根據(jù)土質和孔數(shù)要求，決定一次回拉孔數(shù)，對于孔數(shù)較多的施工，建議分次回拉。（6）完成出入鉆口接收井的砌筑，檢查并確保施工質量滿足電力施工驗收標準的要求。

6 結語

基于上述技術編制的“基于精確定向鉆技術的復合非開挖施工方法”成功在 220 kV 輸變電工程等項目上應用，解決了地下管線密集環(huán)境電纜項目非開挖施工的成本、工期與安全難以兼顧的難題。