水平定向鉆敷設燃氣PE 管道精準定位方式研究

柴佳麗CHAI Jia-li；江文JIANG Wen

（①東營華潤燃氣有限公司，東營 257091；②華潤燃氣（南京）市政工程有限公司，南京 210000）

1 燃氣PE 管定向鉆穿越施工定位的重要性及難點

水平定向鉆穿越施工是在不開挖地表面的條件下，通過定向鉆進技術和傳統的管線施工方法相結合的施工技術，水平定向鉆穿越施工不會阻礙交通；破壞綠地、植被和周邊建筑物；具有施工速度快、施工精度高、成本低等優點。近年來，在世界各國及各行各業廣泛使用，成為非開挖施工技術中非常重要的一種方式。

利用水平定向鉆施工方式敷設PE 管道在燃氣施工行業應用越來越多。雖然這種施工方式帶來了施工的便利性，但是因為PE 管道（聚乙烯管）具有不導電，不導磁的特點，至今沒有有效的辦法可以實現在地面上直接測試地下PE 管道的位置，尤其是在水平定向鉆穿越后PE 管道深度較深給管線的定位帶來非常大的困難。

因為燃氣的特殊性及危險性，燃氣公司對燃氣管道的精準定位要求較高，如無精準的定位數據，經常會發生第三方管道施工破壞，出現挖斷PE 管道的情況，會造成重大燃氣事故并為燃氣公司日常巡檢、運營帶來較多問題。為了解決水平定向鉆敷設PE 燃氣管道精準定位問題，各燃氣公司、廠家、科研機構積極研發一些新的定位技術，本文對常用到的定位方法的精度、優缺點及成本進行試驗、分析，便于燃氣公司選擇適合的最優方案。

2 水平定向鉆敷設燃氣PE 管道常用定位方法

水平定向鉆敷設燃氣PE 管道常用的定位方法有三種，一是金屬示蹤線固定于燃氣PE 管道上，通過示蹤線探測儀對金屬示蹤線進行定位，二是通過定向鉆導向儀進行定位，三是通過陀螺定位儀進行定位。

2.1 金屬示蹤線定位法

金屬示蹤線定位法是將金屬示蹤線固定在PE 管道上，隨PE 管道一起定向鉆穿越，敷設時應使用金屬示蹤線專用接頭并使接頭保持良好的導電性。水平定向鉆穿越完成后，將兩頭金屬示蹤線留出地面，定位時，給金屬示蹤線加上一定強度的交變電流信號，通過金屬探測儀探測磁場中心位置來確定PE 管道位置的一種方式。

使用金屬示蹤線定位PE 管道是目前常用的一種傳統定位方式，這種定位方式施工比較方便，價格低廉，但是該種定位方式會受多種因素影響，可能導致探測不到數據的情況。主要影響因素有以下幾點：一是金屬示蹤線的選擇，金屬示蹤線產生電磁強度的大小與金屬示蹤線本身采用的材料有關[2]，截面積過小的金屬示蹤線，容易在穿越過程中被拖斷和產生電磁信號不足，導致無法進行定位；二是金屬示蹤線接口的處理，接口如處理不好，會造成導電性降低；三是當周邊的環境有其他金屬管道或電塔等產生干擾信號，會導致探測數據不準；四是金屬示蹤線加載信號段及末端的接地措施，如未做好接地，會導致金屬示蹤線末端與土壤間接地電阻較大，絕大部分信號電流未流經金屬示蹤線，出現末端無法探測到數據的結果[1]。五是敷設深度，金屬示蹤線探測方法對于敷設深度在2.5 米以下管線精度尚可，對于水平定向鉆敷設燃氣PE 管道方式，埋深多大于2.5 米，受周邊金屬管線或土壤介質的影響，導致探測誤差大，甚至出現無法正常探測的情況[1]。

該種定位方式因為受各種因素影響，對金屬示蹤線材料、施工及周邊環境要求較高，導致探測精度低。

金屬示蹤線探測到的管道位置還需與定位系統進行結合，將探測到的數據使用西安80 或大地2000 坐標系進行絕對坐標的標注，尚可完成完整的竣工圖紙及竣工數據的收集。

2.2 定向鉆導向儀定位

定向鉆導向儀定位常用的方法就是對定向鉆鉆進過程中鉆頭的傳感發射探頭的位置利用地面手持定位儀進行跟蹤定位的一種方式。這種方式記錄的是鉆頭的軌跡，定向鉆導向儀定位一般是將這個軌跡認定為PE 管敷設的軌跡。

傳統定位鉆軌跡定位方式定位的是鉆頭導向的軌跡，鉆頭鉆進完成后會根據PE 管道的管徑進行多次擴孔，擴孔完成后會進行PE 管的拖管，拖管的過程因為牽引力的存在，會使PE 管道在一定程度上發生偏移，導致定向鉆鉆頭軌跡與PE 管敷設軌跡并不完全相同，為了獲得燃氣PE 管道更精準的數據，作者通過多年的工程施工及定向鉆定位經驗，將該定位方式進行了優化。具體的定位方法如下：定向鉆拖管完成后，使用穿線器將鉆頭中的地下傳感發射探頭穿進拖管完成后的PE 管內，通過地上手持定位儀進行跟蹤定位，通過這種方式取得的數據為敷設在地下的PE 管道的實際位置數據（基本可認為管底數據），對該數據進行修正（根據不同的管徑換算成管中心數據），避免了傳統鉆頭導向軌跡定位方式中拖管偏移引起的誤差。

為了對PE 管道拖管過程中引起的偏移誤差情況進行分析，作者在本公司施工的工程中進行多次試驗，選擇長度為132 米的PE 管道管徑為DE250 的一處定向鉆，對鉆頭軌跡和拖管后PE 管軌跡深度進行試驗，試驗數據如表1 和圖1。

表1 鉆頭導向軌跡與拖管后PE 管軌跡數據對比分析表

從表1 和圖1 中可以看出，鉆頭導向軌跡與拖管完成后的PE 管軌跡最大偏差為0.8 米，平均偏差為0.3 米，可以證明PE 管在拖管過程中的偏移是存在的。從兩者軌跡圖的比較中可以看出，PE 管在拖管過程中基本呈現向上漂移的趨勢。為了掌握定向鉆地下傳感發射探頭和地上手持定位儀的定位精度，選擇3 處穿越點通過開挖驗證的方式進行驗證，驗證偏差最大為0.5 米，最小為0.3 米，可見定向鉆導向儀的精度在0.5 米左右，具體精度與不同類型的定向鉆導向儀及周邊環境有關。

圖1 鉆頭導向軌跡與拖管后PE 管軌跡曲線

因此，通過改進的定向鉆導向儀定位技術可以規避因PE 管拖管過程中的偏移導致的誤差，定位精度只受定位設備精度和外界環境干擾的影響。定向鉆鉆頭的定位方式可探測到地下幾米甚至幾十米的管道位置，因此以定向鉆穿越方式敷設的PE 管道都可以探測到。

定向鉆導向儀定位數據需要與定位系統進行結合，將穿越軌跡使用西安80 或大地2000 坐標系進行絕對坐標的定位，尚可完成完整的竣工圖紙及竣工數據的收集。

2.3 陀螺定位儀定位

管線陀螺儀定位技術由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分由測量主機和牽引鋼繩兩部分組成，測量主機由支架和陀螺儀構成。待管道定向鉆穿越施工完成后，將測量主機放入被測管道內部，經牽引鋼繩拖動并在管道內通行個來回，測量主機將自動記錄被測管道各點的三維空間坐標。測量主機在管道里面被牽引鋼繩拉動過程中，慣性陀螺儀隨著測量主機在管道中移動，由于測量主機移動到不同的位置時，慣性陀螺儀沿旋轉軸的垂直方向有力矩作用，導致旋轉軸方向發生改變，而測量主機自帶的多組傳感器實時讀取慣性陀螺儀旋轉軸所指示的方向，這樣就能使測量主機在管道內移動的過程中，記錄管道每個連續點的前后空間位置變化關系，通過輸入管道兩端的坐標（西安80 或大地2000 坐標系），就能得到整個管道的三維坐標。陀螺定位儀定位數據直接為絕對坐標，無須與GPS結合使用。

陀螺定位儀探測方法為管內探測法，儀器必須進入管道內部，需要在穿越完成未合口前進行探測，對已投產管線需要停氣斷開管線后方可探測。陀螺定位儀儀器的輪組的可用尺寸范圍為80mm-800mm，管徑過大過小都無法運用該儀器測量，只能滿足常規尺寸的管線測量需要。

陀螺定位儀定位方式是將陀螺原理與計算機技術結合在一起，綜合利用陀螺儀導航技術、重力場、計算機矢量計算等交叉學科原理進行定位的與電磁波或磁場無關，因此不會收到電磁干擾[3]。并且所有數據資料，除入口點與出口點利用定位系統等獲得資料之外，其余所有資料皆由慣性定位儀自行運算獲得，并非人工計算，消除人為誤差因素，并可進行重復驗證。

陀螺定位儀定位精確高（精度可達千分之2.5）且不受地形影響，不受深度限制，不受電磁干擾，不受管道材質影響，是傳統管線定位的一個強有力的補充，也是未來地下管線定位的發展方向。目前，進口陀螺定位儀的市場售價在200 萬人民幣左右，儀器價格昂貴，市場每米定位單價約為100 元，基本與DE110PE 管道定向鉆穿越每米單價持平，這個價格對于一些中小型的城鎮燃氣公司還是難以接受。這種定位方式是一種新型的技術，目前也是在推廣的過程中，覆蓋面不足，定向鉆施工單位配置陀螺定位儀的較少，單獨聘請陀螺定位儀測量單位進行定位，可能涉及到交叉施工及工程進度的影響。

3 不同定位方式優缺點分析

3.1 金屬示蹤線定位

優點：定位非常方便、價格低廉，封閉與非封閉管線都可使用；缺點：定位精度低，受穿越深度、外界信號干擾、示蹤線質量等多種因素影響，對于深度較深和外界信號干擾大的定向鉆穿線管線經常出現探測不到數據的情況。使用該種方式需注意：①選擇合適的金屬示蹤線材料；②接口處理良好，保證導電性；③埋設深度不超過2.5 米；④示蹤線兩端應留出地面1 米以上，便于探測時施加電流信號。

3.2 定向鉆導向儀定位（改進后）

優點：①無須增加成本，定位方便；②定位可以由定向鉆施工單位完成，不會出現交叉施工及延誤工期情況；③定位精度較高，可達到0.5 米以內；④定位不受敷設深度影響；缺點：無法對有較強施工干擾的地區進行精準地位。使用該方式需注意：①500 米以內的地下管線拖管完成后可以借助穿線器予以穿線，單鉆長度大于500 米的，拖管完成后探測設備穿線是一個較大的考驗，需要在定向鉆拖管施工過程中預穿牽引線，這項工作必須要施工單位的配合才能完成，前期工作量比較大。②受鉆頭內的地下探測設備尺寸限制，DE63 以下的PE 管線，探測設備無法進入管道內，只能以導向軌跡作為管道軌跡。

3.3 陀螺定位儀

優點：①定位精度高，可達到0.15 米；②不受電磁波干擾，不受地面環境、交通、天氣、光線等影響；③不受管道材質和周圍環境的干擾；④不受敷設深度影響[3]。缺點：①定位成本較高；交叉施工，可能影響到工程進度；數據量大，軟件操作復雜。使用該方式需注意：陀螺定位儀儀器僅僅適用于非封閉的管道，運行中的封閉管線沒辦法使用該儀器來測量；②500 米以內的地下管線后期可以借助穿線器給其穿線，大于500 米的牽引管對后期穿線是一個考驗，需要在牽引管施工過程中預穿牽引線，這項工作必須要施工單位的配合才能完成，前期工作量大；③儀器的輪組的可用尺寸范圍為80mm-800mm，管徑過大過小都無辦法運用該儀器測量，只能滿足常規尺寸的管線測量需要。

4 結論

目前金屬示蹤線探測技術僅僅依靠金屬示蹤線的方式對定向鉆敷設PE 管很難取到精準數據，但金屬示蹤線一直隨管線敷設，如施工過程中取得的定位數據丟失，還可以通過示蹤線追蹤PE 管道位置，因此金屬示蹤線探測技術作為一項輔助定位技術可以與定向鉆軌跡探測、陀螺定位儀探測技術結合使用。

PE 管拖管完成后定向鉆導向探測儀定位數據精度雖然低于陀螺定位儀定位精度，但其定位精度足以滿足燃氣管線常規定位需求，可清楚掌握地下燃氣管線位置，實現燃氣管線常態化運行管理需求，并且定向鉆施工過程中直接取得無須增加施工成本和施工周期。作者認為這種定位方式在沒有較強施工干擾的地區可以優先考慮使用。

陀螺定位儀定位方式是一種新型的定位技術，定位精度最高，定位成本高，施工不受外界環境影響。作者認為這種定位方式適用于對燃氣管線定位精度有較高要求并且能夠承擔較高定位成本的燃氣公司。

以上為作者對水平定向鉆敷設燃氣PE 管道三種不同定位方式的施工方式、定位原理及優缺點分析，燃氣公司可根據各公司實際情況選擇適合自己的定位方式。作者建議可采用以下兩種探測方式，一是金屬示蹤線固定PE管與定向鉆導向儀定位技術（改進后導向儀）結合，兩種方式結合可以解決后期定向鉆軌跡數據丟失，或運行中的管線（封閉管線）無法使用定向鉆軌跡探測的情況。這兩種方式結合可供對施工成本比較敏感且對定位精度要求在0.5米以上的燃氣公司選擇使用。二是金屬示蹤線固定PE 管與陀螺定位儀探測結合，兩種方式結合可以解決后期陀螺定位儀數據丟失或運行中的管線（封閉管線）無法使用陀螺定位儀探測的情況。這兩種方式結合可供對施工成本不敏感且對定位精度要求在0.5 米以內的燃氣公司選擇使用。不推薦單獨使用三種探測方式的任何一種形式，只使用金屬示蹤線纏繞方式，定位精度低且受外界環境干擾較大；僅使用定向鉆軌跡或陀螺定位儀定位方式，如出現數據丟失或運行中的管線（封閉管線）無法進行管線定位，不利于后期運行管理。