水平定向鉆導向記錄在表達測深精度方面的探索

上海煤氣第二管線有限公司 趙官慧

0 概況

水平定向鉆穿越施工具有不會阻礙交通，不會破壞綠地、植被，不會影響商店、醫院、學校和居民的正常生活和工作秩序，解決了傳統開挖施工對居民生活的干擾；同時沒有水上、水下作業，不影響江河通航，不損壞江河兩側堤壩及河床結構，施工不受季節限制，具有施工周期短人員少、成功率高施工安全可靠等特點。在工程施工中越來越多的建設單位及監管部門傾向于水平定向鉆的施工，使得水平定向鉆施工的工程量也越來越多。但隨之而來的是第三方跟測技術的不完善，造成了數不清的定向鉆工程的竣工資料不完善。當需要辦理交底手續時，常常是施工單位施工，有導向施工記錄，但不敢提供給別人，造成現在的施工單位為摸清管線，費盡心思，費時費力。

然而近幾年，基于慣性技術的新設備的出現，在部分行業內已得到實施，也獲得了一定的好評，但其不能解決已有管線的測量問題，特別是不能進行預留空管的行業，如化工管道、燃氣管道、給水管道等；如何摸清已施工的管線位置與深度已成為施工單位的一個難題，將制約定向鉆行業在城市區域內的進一步發展。

現利用慣性技術測量的技術成果，來反向驗證和推演過去 30多年來定向鉆施工的竣工資料的可信度，也給管線運營方在交底時更小的壓力，盡可能地利用寶貴地下空間資源。由于問題較寬泛，我只在一定的地質條件下的D300鋼管的深度方面進行探索。

1 驗證和推演思路

(1)選取某一區域同一土質范圍內的同一口徑、同一材質的若干工程；

(2)對每個工程的導向數據進行分析，將其中測量到角度的部分按實輸入至計算表格；

(3)盲打或信號干擾角度不能獲得的部分可用上下兩角度的平均值作為此處的角度值，也可用導向時的命令值作為此處的角度值；

(4)若一個較大區域內都不能測得角度，則認為其盡可能平滑，利用繪圖的方法，利用距離與兩側的角度計算或繪出其圖形；

(5)將上述數據與慣性技術測量的數據(假定為準確，因為其誤差較小)進行比較，因為慣性技術測量的數據為管道的軌跡，故兩者存在著一定的偏差，找出偏差的規律，則可作為以后其他類似條件下的導向記錄的誤差范圍。

2 驗證和推演過程

(1)金山漕廊公路上4條定向鉆工程，均為D300鋼管。

(2)地質情況見下：場地第 1層雜填土，層厚1.50~2.30 m，結構松散，成分復雜，土質不均勻，具高壓縮性，土性較差。第 2層褐黃色~灰黃色粉質粘土層，厚度1.10~1.90 m，平均厚度1.57 m，中等壓縮性，干強度韌性中等。第3層灰色淤泥質粉質粘土層，厚度7.10~7.30 m，平均厚度7.23 m，流塑狀態，土層分布穩定。第4層灰色淤泥質粘土層，厚度6.70~7.20 m，平均厚度6.90 m，流塑狀態，土層分布穩定。第 5層灰色粘土，層頂標高-13.53~-13.87 m，未穿，為高等壓縮性土層。

(3)數據整理情況：不能測到角度的用灰色背景標出。工程1、4數值以導向命令值代替(見表1、表3)；工程2數值為上下兩數值的平均值(見表2)；工程3全部測出。

表1 工程1的導向記錄

表2 工程2的導向記錄

表3 工程4的導向記錄

(4)分別繪出導向軌跡圖和慣性技術測量數據圖，組合兩圖找出差異。

此處由于鉆機計算鉆桿長度時和慣性技術測量長度是有差異的，此4處工程為第1根長度應為鉆桿長度加導向鉆頭處探棒放置長度減去回拖鉆頭長度和拉頭及兩卸扣總長度，約為4.6 m；故標高應分別向上升0.33 m、0.4 m、0.38 m、0.34 m。

(5)從分析模型(見圖 1)入手，可得到下面幾個論點：

圖1 穿越施工實際管道與理想管道的模型

①實際軌跡在改變角度的情況下，除地質情況外應比設計軌跡的曲率大；

②實際的入、出土角度應小于導向數據；在 4個工程實例中均有所體現；

③由于擴孔直徑為管道直徑的1.5倍，在D300鋼管施工時，一般為300 mm和500 mm回擴兩次，正常偏差應不超過±0.8 m，在超出此范圍的情況應在角度信號不能獲得的點前后開始出現；若重新采集到角度信號時，角度大于設計或命令角度，則實際應較按命令記錄的導向軌跡淺；若重新采集到角度信號時，角度小于設計或命令角度，則實際應較按命令記錄的導向軌跡深；

④無信號區一般采取盲打的方式，盲打區越長則偏差一般越大；

⑤導向軌跡的記錄是每根鉆桿變化的累積，故在較長的盲打后，軌跡由于盲打區的深度累積作用會使后續的深度與設計深度保持一定的穩定偏差。在第四個工程體現的最充分。

(6)分析4個工程圖示

①由無盲打區的工程3先分析：

工程3中由于沒有盲打的區域，其與慣性技術測量數據圖相比較，最大偏差僅為0.29 m，見圖2。說明此地質情況下鋼管基本不上浮或下沉，可以用導向記錄來表示管道的深度。

圖2 工程3中最大偏差

圖3 工程1中最大偏差

③工程2中，其與慣性技術測量數據圖相比較，偏差不是很有規律，只是在出土側偏差較大，且長度比慣性技術測量數據圖長一些，幾乎是平行線，估計是在其中的幾個不能測出的點處的估算角度引起，見圖4。

圖4 工程2出土側與測量圖相對位置

無信號點是估算角度的位置，無信號點2處若角度增加的話(見圖5)，平行部分就可能重合，加上鋼管的剛性，在無信號點2之前的深度就會增加，無信號點1深度增加(見圖6)，從而更加符合實際。

圖5 無信號2點處的相對位置

圖6 無信號1點處的相對位置

④在工程四中有個很有特點的現象：需要將入、出土點的高程驗證一下；

先將入土點作為相對零點，與測量曲線對照，出土側圖示平行偏差為0.7 m，而盲打區相差0.9 m；如圖7、8所示。

圖7 工程4中出土側與實際的最大偏差

圖8 工程4中無信號區各軌跡線與實際的最大偏差

再將出土點作為相對零點，重新與測量曲線對照，入土側圖示平行偏差為0.34 m，而盲打區相差0.5 m；

圖9 工程4中入土側與實際的最大偏差

試將入土點和出土點分別為相對零點的圖畫在一起，無信號區域與兩圖用切點弧連起來，就組成了一個新的圖，見圖8中修正的導向軌跡線，此圖精度更高，故將此圖作為竣工圖應該是符合實際的。

3 結論

從上述的4個工程可以看出，針對模型的論點也能較好的給予驗證和體現；除工程2外，其他3個工程應該還是有一定的規律可尋的，針對鋼管工程大體都有比實測稍淺的特點，不做特殊的處理也可以近似地認為是管道的軌跡，則可認為管道的軌跡利用導向記錄表來表示可信度較高。

對工程4中的問題，說明利用地面高程對記錄表來進行驗證一下，這樣對提高精度也是有利的。

針對工程2中的問題應加強重視曲率半徑偏小的工程，一般總長小的工程易發生此問題，這類問題要考慮到鋼管的剛性會引起深度的連鎖反應。