多維曲線在城市定向鉆工程中的應用

上海煤氣第一管線工程有限公司 徐 斌

1 工程概況

松安路定向鉆工程屬于深圳城市燃氣管道建設的一部分，燃氣管道自寶安大道與松安路交界處起，沿松安路并在其車行道下敷設。地勘資料顯示，設計管位下有連續(xù)約1 100 m含水量大的淤泥段。設計穿越長度1 100 m、深度8.5 m，入、出土點地面高程4.00 m，將依次穿越人工填土層、淤泥層、膠黏土層和砂巖層。本工程使用的管道為φ508 mm×9.5 mm直縫雙面埋弧焊鋼管，材質(zhì)為L360(X52)，設計壓力1.6 MPa。

受地下構筑物、地層、控制紅線等影響，穿越導向軸線無法像常規(guī)定向鉆呈“U”型，水平上呈10°弧度，規(guī)劃給定的穿越位置距離紅線位置不足2 m，水平位置須與道路同弧度彎曲，縱向上，設計斷面位置分布有箱涵和污水管。縱向軸線須呈“ ”形狀才能有效避讓地下構筑物和不良地層。如何實現(xiàn)空間多維曲線軌跡的控向，使之精確地按照預定軌跡鉆進，是本定向鉆必須解決的難點。本文經(jīng)分析和計算后充分利用管道的彈性極限和鉆機的優(yōu)良性能，通過采取精準的導向措施來解決這一難題。

2 軌跡設計

2.1 設計思路

圖1為 HDD曲線軌跡最優(yōu)化法設計示意，HDD(Horizontal directional drilling，水平定向鉆)鉆孔軌跡設計中會遇到兩種情況：一是要繞過障礙物，如有穿越施工垂直平面的或有平行于施工垂直平面的；二是必須經(jīng)過某些特定的點，如圖1中的B、C點。對于第一種要繞過障礙物的情況，也可看成是經(jīng)過滿足與障礙物距離大于安全距離的一些垂直平面內(nèi)的特定點，如圖1中的Gi、Gi+1和Gi+2點。所以，根據(jù)動態(tài)規(guī)劃方法，可把HDD鉆孔軌跡分為若干個階段，如圖1中GiGi+1為一個階段。每階段分別在垂直平面內(nèi)進行設計，最后由最優(yōu)化遞推方程得到最終的設計鉆孔軌跡[1]。

圖1 HDD曲線軌跡最優(yōu)化法設計示意

2.2 動態(tài)規(guī)劃模型的建立

首先，以入土點為坐標原點建立整體坐標系O-xyz，對標準形式鉆孔軌跡進行設計，但由于地下原有管線眾多，所以預鋪設管線穿越BC段會與障礙物相交，或設計距離小于安全距離。為了繞開障礙物，現(xiàn)在BC段以曲線形式重新設計。若障礙物個數(shù)為n，將其按x坐標值從小到大排序，設B點為G1，C點為Gn，鉆孔軌跡繞過障礙物時穿越點依次為G2，G3，…，Gn－1，則可把BC段鉆孔軌跡設計劃分為n－1個階段：B點到第一個障礙物穿越點為第一階段，第一個障礙物穿越點到第二個障礙物穿越點為第二階段；依次類推，最后一個障礙物穿越點到C點為第n－1階段。即各階段依次為：G1→G2→，…，Gn－1→Gn。

在此，把各階段的起點空間位置作為狀態(tài)變量心。設計過程中，當處于某一階段的某個狀態(tài)時，需要決策下一階段的狀態(tài)，用ui(ti)表示第i個階段的決策變量，則有狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為ui(ti)=ti+1。如決策變量取值范圍圖2所示。

圖2 決策變量取值范圍示意

在滿足埋管深度范圍要求的條件下，鉆孔軌跡繞過障礙物的穿越點可有多種選擇，即決策變量有一定的取值范圍，稱為可行決策集，用Ui(ti)表示。

顯然，ui∈Ui(ti)。

用Ti(ti，ui)表示第i個階段軌跡所需的鉆進臺時數(shù)，則動態(tài)規(guī)劃模型為：

這是一個多階段決策過程。該模型可通過計算機遞推求解。設從第k個階段開始到最后一個階段的最優(yōu)值為fk(tk)，則有：

得出最優(yōu)化遞推方程為

2.3 參數(shù)確定

通過上述分析和計算，確定的軌跡設計參數(shù)見表1，軌跡計算見表2[2]，軌跡模型模擬界面見圖3。

表1 軌跡設計參數(shù)

表2 軌跡計算

圖3 軌跡模型模擬界面

3 控向糾偏及回拖

為順利鉆好導向孔，對控向系統(tǒng)進行選擇，并對定向參數(shù)進行實時控制，以確保鉆進軌跡符合設計要求[3-4]。

3.1 控向系統(tǒng)組成

控向系統(tǒng)由探測器、接口單元、計算機、打印機和鉆機控制臺組成。其中：探測器由定向模件(檢測地磁場和重力場的傳感器)、數(shù)字電路和控制電路組成；接口單元包括電源控制電路、解調(diào)電路和接口電路；計算機最小應有640 kb容量的內(nèi)儲存器，并有并行接口和串行接口；打印機為普通并行打印機；鉆機控制臺包括2個LCD顯示器、驅(qū)動電路和控制電路。

3.2 控向系統(tǒng)工作原理

控向系統(tǒng)的工作原理是利用導航儀的導向作用，使導向鉆頭沿著設計軌跡鉆進，導向鉆孔的實際軌跡與設計軌跡相符。完成導向孔施工后，再實施回拉擴孔鋪管，將工作管道鋪設在設計位置。

具體工作過程如下：給探測器供電后，探測器中的傳感器檢測到地磁場和重力場信號，通過導線傳到接口單元，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、微控制電路、調(diào)制器轉(zhuǎn)換為一系列信息數(shù)據(jù)，經(jīng)過檢波輸入計算機，通過計算機控向程序處理，顯示出定向信息，然后將這些參數(shù)(方位角、方位角模式、偏差、工具面)送到鉆機控制臺。控向人員從計算機顯示的數(shù)據(jù)就可知道鉆頭離地面的深度、實際鉆進距離、左右偏差等情況，從而根據(jù)設計要求進行下一步方向控制，并告訴司鉆人員下一根鉆桿走向，由司鉆人員進行鉆頭行進方向的調(diào)整。

3.3 定向參數(shù)

(1)方位角：鉆桿鉆進方向的角度，即大地方位角，其范圍為0°～360°。

(2)傾角：鉆桿鉆進方向與水平面所成的夾角，其范圍為0°～90°。一般水平定向鉆機入土角約為10°，設計出土角約為9°。

(3)高程：穿越段各點的海拔，為方便起見，用相對高程計算，即穿越段各點與入土點的高程差。

(4)右偏差：鉆進時鉆頭偏離中心線的水平距離，向左偏離中心線數(shù)據(jù)為負，向右偏離中心線數(shù)據(jù)為正。

3.4 導向孔施工

導向孔施工前先用全站儀將鉆孔中心線標在地面上，然后用探測器測量該中心線的方位角。由于穿越出、人土點無法通視，只能通過全站儀進行3點倒站，才將中心線方位在地面上標定出來。全站儀倒站容易產(chǎn)生誤差，一般情況下應盡量減少全站儀的倒站次數(shù)或避免倒站。測量放線完成后就可以進行磁方位測量。

3.5 控導向系統(tǒng)

松安路定向鉆工程中采用美國DCI公司SST?地磁導向定位系統(tǒng)。此導向定位系統(tǒng)免去了費時費力的地面DC柵格的鋪設過程，為其準確快捷地完成施工作業(yè)奠定了堅實的基礎。基于SST?地磁傳感器特有的小尺寸形體，其旋轉(zhuǎn)半徑可以達到極小的數(shù)值。SST?地磁導向定位系統(tǒng)以度數(shù)的形式(360°)實時監(jiān)測鉆頭的方位朝向，并將實際鉆孔路徑與施工設計鉆孔路徑間的深度和橫向位置偏差信息實時顯示在筆記本電腦上，以供司鉆人員參考，快速進行鉆進方位調(diào)整。利用Eclipse?接收器和遠程顯示器，不但可以看到鉆頭的實時位置和深度信息，還可以利用Eclipse?接收器的地面跟蹤定位功能對數(shù)據(jù)進行對比確認。

松安路定向鉆工程中采用美國DCI公司生產(chǎn)的DIGITARK定向系統(tǒng)。該定位儀可通過坡度、鐘點數(shù)、埋深及三點一線技術，確保鉆孔軌跡達到設計要的縱向偏差不大于10 m；橫向偏差不大于2 m，實現(xiàn)了真正意義的引導式鉆進，使無停頓鉆進成為可能。通過從遠程顯示器接收的信號，經(jīng)過專用野外作業(yè)筆記本電腦中的軟件進行計算、分析實時作業(yè)數(shù)據(jù)。司鉆人員根據(jù)電腦分析計算結果及遠程顯示器顯示的實時數(shù)據(jù)進行調(diào)整操作。

3.6 擴孔施工

將導向孔孔徑擴大至所鋪設管徑的1.5倍以上，以滿足穿越土層及擬拖管道的要求。鋪設外徑φ508 mm的鋼管，需要5次預擴孔、1次清孔工作，即φ450 mm、φ550 mm、φ650 mm、φ750 mm、φ850 mm擴孔及φ750 mm清孔。

在擴孔工作中，司鉆手要密切注意司鉆臺各儀表的讀數(shù)變化，充分掌握地下鉆進情況，隨時做好鉆進參數(shù)調(diào)整；泥漿工程師觀察井眼泥漿返出情況，以便準確判斷鉆進過程中的地質(zhì)情況，來決策鉆進泥漿配比及供給；泥漿工程師隨時與司鉆手保持聯(lián)系，確保擴孔成功。

3.7 拖管

拖管過程中不停地注入泥漿，同時鋼管下墊袋裝膨潤土，以減小回拖力防止防腐層被破壞。松安路定向鉆工程中拖管一次成功，過程順利，耗時約8 h，且拖管拉力不大于700 kN，達到了預期目的。

4 結語

在定向鉆管道穿越工程中，無論管道軌跡是平面曲線還是空間曲線或是平面與空間組合的多維曲線，只要對工程進行具體詳盡的分析和研究，針對不同工程情況采取可靠的技術措施進行不同的處理，定向鉆穿越工程成功率將大大提高。