地磁控向系統在水平定向鉆施工中的應用

上海煤氣第二管線工程有限公司 蔡曉春

在如今的燃氣排管施工中，在城區采取開挖路面埋設新管的方式已無法滿足新形勢下城市建設的要求，而非開挖的施工方法越來越受到人們的重視。水平定向鉆則是其中最具活力的一種非開挖技術，它具有對地面建筑物和設施干擾或損壞小、不影響交通及居民出行、施工設備安裝快、施工效率高、可控制方向、繞避地下障礙及施工精度高等優點。水平定向鉆的施工工藝一般可分為導向孔的鉆進、預擴孔、管線回拖三個步驟。導向孔軌跡的優劣直接影響回拖力的大小，而且定向穿越的風險避讓很大程度體現在導向鉆進這個施工工序上。因此，只有掌握先進的控向技術才能降低風險，確保穿越工程的保質保量的安全完工。

1 控向技術的類別

水平定向鉆控向技術可分為兩類：一類為無線控向技術，常用于中、小型定向穿越工程，其特點是操作簡單、作業時間短、成本較低，但其探測深度一般只能達到15 m以內；若穿越工程最大深度超過15 m，則就需要采用第二類控向技術，即地磁有線控向技術。地磁有線控向技術作為一種抗干擾能力強，探測深度深，適合較長距離、較深深度的控向技術，常用于城市燃氣外環管網及長輸管線等一系列大型非開挖工程。

隨著現在城市燃氣非開挖施工發展，非開挖施工條件越來越復雜，穿越深度超過15 m的非開工程也越來越多，普通的無線控向已無法滿足施工需求，如何將地磁有線控向技術與城市施工常用的小型鉆機配合越來越受到人們的重視。

本文所描述的地磁有線控向技術采用了一套美國雪威(Sharewell)公司的新型磁性有線控向系統(又稱MGS定向系統)。在這套設備的引進初期，如何將此控向設備與我們原有的小型水平定向鉆鉆機進行整合，使其功能得以發揮，成了一個急需解決的問題。下文就以濟陽路天然氣排管工程(穿越川楊河)為例，介紹該技術的使用情況、遇到的問題及解決方案。

2 地磁控向系統介紹

以美國雪威(Sharewell)公司的 MGS定向系統為例，該系統有5個主要組成部分，分別是：探棒、司鉆顯示儀、接口儀、計算機和打印機，如圖1所示，其中，探棒裝在1套無磁組件中，包括1根無磁鉆鋌，1根無磁導向短節和1根帶噴射型鉆具或泥漿馬達鉆頭的無磁造斜短節。

圖1 雪威Sharewell有線控向系統組件

其工作原理是探棒的信號經由控向線傳導到地面，經過接口儀處理后傳輸到司鉆顯示儀及計算機，提供鉆孔控向的實時信息。導向人員可以直接從計算機讀取各種參數，不用再沿鉆進軌跡跟蹤鉆頭。該系統可以打印導向記錄，對于判斷導向孔是否可用以及竣工資料的收集較為方便。

有別于無線控向信號的電磁波發射方式，地磁有線控向是通過電線傳輸信號，故信號更加穩定可靠。在鉆進深度深的情況下使用時，其精確度達到探棒垂直深度的±2%。

3 地磁控向系統的實際應用

3.1 工程概況

上海市濟陽路(前灘)天然氣排管工程是配套前灘高、中壓調壓站專用管線，管材為D325 mm ×8 mm高壓無縫鋼管(20#鋼)，需采用水平定向鉆工藝穿越川楊河。該工程管線出、入土點分別位于川楊河兩側距河口線160 m和140 m處，穿越長度為447 m。其間，經排摸船閘護坡樁標高為－15.7 m，地面以下約20.0 m，最大穿越深度為－27.0 m，地面以下27.0 m(過船閘區域)，距離護坡樁底7.0 m。

該工程的難點主要有兩點，其一，控向的深度深，約27.0 m，因此控向所需的精度要求高；其二，川楊河河道寬約70 m，即有近70 m的水平距離是在水下鉆進，用常規的無線控向系統根本無法進行跟蹤測量。唯一能滿足施工要求的控向方法是采用地磁有線控向技術。

3.2 地磁控向系統與鉆機連接

實際工程施工中，我們使用的鉆機為美國威猛D80 mm×120 mm小型鉆機。該鉆機為美國威猛制造公司(Vermeer)生產，自動化程度高，鉆機的回轉扭矩為16 270 N?m，推進最大回拖力為36 287 kg(約36t)。該鉆機設備長度不超過10 m，非常適合城市燃氣非開挖施工，在施工斷面異常緊張的城鎮燃氣非開挖施工機械中占有一席之地。

在將雪威(Sharewell)有線控向系統與公司現有的小型鉆機(美國威猛D80水平定向鉆機)進行連接時，需要考慮的是在保證連接信號穩定的前提下，盡量減少連接電線的長度和簡潔操作程序。在充分了解該系統工作原理后，首先將探棒裝在一套無磁組件中，探棒尾部的電線從鉆桿中心空隙處穿過，直至鉆機的后部動力頭處；然后通過安裝在動力頭后側的滑環將信號傳送至控向室內的信息處理接口儀器。經處理后得出的數據傳出兩路，一路傳輸給控向室內的計算機控向軟件，提供數據供控向員記錄并下達控向指令；另一路則顯示給鉆機司鉆員指導司鉆工作。圖2為整個系統的連接和工作示意。

圖2 地磁控向系統連接和工作示意

3.3 工藝流程及關鍵點

根據穿越現場的實際情況，穿越入土點場地在申江兩岸的圍墻內，整個鉆機場地占地面積為20 m×30 m。本次穿越采用的鉆具主要有：127 mm S135內部加厚型鉆桿、241 mm的鑲齒三牙輪鉆頭，以及168 mm的無磁鉆鋌。

與其他水平定向鉆施工工藝相比，采用地磁控向系統的工藝流程要增加一個步驟，即測量方位角和布置線圈，具體工藝流程參見圖3。

圖3 采用地磁控向系統的施工工藝流程

區別于無線控向，地磁控向無需控向員實時對鉆頭正上方進行跟測，它的工作原理是通過計算探棒與大地磁場的夾角來確定自身所處的方位。故對于地磁控向技術而言，控向參數(方位角)測量的準確性很大程度上決定了最終控向軌跡的準確性。在該施工測量階段，我們采用在入土點沿中心線多測點取平均值的方法，根據現場實際情況，在穿越中心線上選取 4個點(A、B、C、D)進行方位角的測量，4個點的位置如圖4所示。該工程方位角實測A點176.7°，B點176.4°，C點176.5°和D點176.4°，平均值為176.5°。實際測量獲得最佳控向參數后，做好原始記錄并輸入計算機控向軟件中。

整個工藝流程中，控向鉆進也是一道非常關鍵的工序。在控向階段，控向員與司鉆員緊密配合，控向員根據設計曲線發送指令給司鉆員鉆進導向孔。每鉆進一根鉆桿，控向員需實時監測每根鉆桿的斜角，該斜角在電腦中計算可得出鉆頭實時深度，根據工程所需的深度隨時調整下一根鉆桿的斜角，同時，每鉆進一根鉆桿控向員還需根據之前測得的方位角，控制鉆進的水平偏差，若返回方位角有變化要及時糾偏。綜合考慮后告知司鉆員如何進行下一根鉆桿的控向操作，并如實認真地做好控向施工記錄。

司鉆員則需根據控向員指令操作鉆桿鉆進路線，并根據鉆進參數的變化來判斷地層變化和鉆進阻力情況，及時與控向員交流溝通，以便控向員分析判斷，對鉆進軌跡進行調整。

圖4 方位角的測量

3.4 遇到的問題及解決方法

3.4.1 滑環連接處的改進

該工程在實際控向過程中并非一帆風順，控向過程中多次發生信號差、信號波動及無信號的情況。經過從人員、設備及工藝上查找原因，發現原系統配備的滑環在實際應用中存在缺陷。

滑環位于鉆機動力頭后方，在整套系統中的作用主要有以下兩點：

(1)在從信號棒尾端接出的電線隨鉆桿同步旋轉的過程中，使電線不因鉆桿的轉動而扭斷，起到一個分動的作用。

(2)與正向電流連接，起到信號傳輸的作用。

滑環由2片鐵環組成，中間通過一個碳刷連接。碳刷主要起傳輸電纜信號的作用。在實際使用中碳刷的磨損非常快，而且磨損到一定程度就無法保證信號的傳輸。另外，由于滑環安裝在動力頭的后側，在卸鉆桿時會受到由鉆桿中心噴涌出的泥漿的沖刷，這也會導致接觸不良。

在充分考慮成本和操作實用性上，我們進行了多次的改進試驗，采用彈性好的黃銅片代替碳刷，同時增加銅片與滑環的接觸面，保證信號傳輸的穩定性。另外，在滑環中心上設置一個密封橡膠圈，用于阻擋卸鉆桿時大量泥漿的回沖。此外還定期對黃銅片和密封橡膠圈進行檢查和更換，從而大大提高了控向過程中的信號穩定程度。

3.4.2 電線規格的提升

原使用的連接電線為截面積4 mm2的7股束銅線，在實際使用中因其外皮過于薄，容易破皮導致斷線，使施工停頓造成損失。故最終采用6 mm2規格的7股束銅線作為連接用線，雖然電線成本有所上升，但是牢固程度得到保證。

3.4.3 接線工藝的優化

對原有的接線工藝加以改進，即6 mm2規格電線剝出一段外皮后用銅套兩邊夾緊，放熱收縮套，用吹風機使收縮套均勻收縮在接線處，并保證完全覆蓋，接完后再輕拉兩端確認沒有虛連，保證了接線的質量。

以上這些改進措施均實際應用在濟陽路天然氣排管工程(穿越川楊河)中，且得到了巨大的效果，大大提高了控向工作的效率。

4 結語

地磁有線控向系統，既 MGS系統是雪威(Sharewell)公司在水平定向鉆行業最值得引以為自豪的技術之一，其市場覆蓋率超過80%。在國內也已經有多家企業使用這套系統，這些企業的規模有大有小，搭載這套設備的鉆機也各不相同，在具體的施工應用中，需要結合實際情況進行改進和提升，如此，方能提升水平定向鉆施工中導向信號的穩定性和持續性。

總結經驗，彌補不足。相信隨著城市地下管線的發展，城市建設中將越來越多地運用這項技術，從而提高整體施工的連貫性和鉆進孔的精確性。