陀螺仪在定向钻穿越工程中的应用

上海煤气第一管线工程有限公司 郑仁俊

非开挖施工方式(如定向钻穿越技术)相对于传统的开沟埋管方式具有速度快、质量佳、安全可靠有利于环境保护等优点，尤其在过公路、高速公路、铁路、大中型河流及湖泊等方面，将管道敷设的不可行变为可行。随着定向钻穿越技术的广泛应用，与之形成强烈反差的是定向钻的管位设计与测量技术的严重缺失。一方面因为缺少有效精准的探测、测量技术，管道施工时无法按照规划管位进行，使得宝贵的城市地下空间资源得不到有效利用；另一方面穿越轨迹记录的不准确也造成了管道投运后时而发生第三方管损事故。

由于定向钻穿越管线一般埋深较深，常规的地面测量方法无法直接应用，在2017年11月1日开工的上海市天然气主管网临港-化工区天然气管道二标工程中，10条DN800大口径管道定向钻穿越施工中全部应用了陀螺仪精准定位技术，解决了传统跟测方法无法解决的非开挖管道深度的探测难题，定位成果达到国际标定的误差范围，即最大水平误差≤2.5‰L，最大深度误差≤1.0‰L，L为管道长度。

1 定向穿越管道的定位技术

1.1 管线探测仪

管线探测仪由发射机和接收机两部分组成，主要采用电磁感应原理，即利用电磁感应原理探测金属管线以及一些带有金属示踪线的非金属管道。

使用管线探测仪的劣势在于无法探测无金属示踪线的非金属管道，在受电磁严重干扰的地方探测误差大或不能够获得准确结果。管道埋深越深，探测结果误差也越大。

1.2 探地雷达

探地雷达是以地下各种介质的介电常数差异为物理条件，通过向地下发射高频电磁波来探测地下介质分布的无损探测仪器。它由发射天线、接收天线和雷达信号分析成像系统三部分组成。

使用探地雷达的劣势在于对环境要求较高，其结果受土壤环境影响大，测深能力较差，尤其是埋深较深的管线，而且探测的灵敏度与深度密切相关，深度越深灵敏度越低。

1.3 陀螺仪

陀螺仪定位技术是一种国际领先的管道精确定位技术，它将陀螺仪原理与计算机三维计算技术整合在一起，巧妙地综合利用陀螺仪导航技术、重力场、计算机矢量计算等交叉学科原理，自动生成基于坐标(x，y，z)的地下管道空间曲线图，从而实现精确定位。其定位精度：平面2.5‰，高程1.0‰，且不受管道材质埋深或周围环境及地质条件限制。

陀螺仪定位技术由硬件和软件两部分组成，硬件部分由测量主机和牵引钢绳两部分组成，测量主机由支架和陀螺仪构成。待管道定向穿越施工完成后，切开管道两端，将测量主机放入被测管道内部，经牵引钢绳拖动并在管道内通行一个来回，从而自动记录被测管道各点的三维空间坐标。

在进行定位技术的改良过程中，陀螺仪定位技术避免了传统的定向穿越管道定位技术的局限，不受电磁、金属、埋设深度、环境等因素影响，探测结果精度提升。尤其在穿越深度较深、地面环境复杂等情况下，陀螺仪定位技术的探测精度能够满足水平定向钻施工的埋地燃气管道位置定位精度要求。在实际运用过程中，陀螺仪定位技术优势也较为明显，定向穿越施工工程的质量也大幅度提高。

2 陀螺仪定位技术的应用实例

2.1 工程概况

为了增加天然气主干管网供应能力和运行稳定性，特别是提高上海化工区用户的供气安全性，满足沿线区域天然气用气市场发展的需求，特建设临港-上海化工区天然气管道工程项目。本工程全线设计压力6.0 MPa，主要管道规格为Ф813×15.9，材质为L415M埋弧焊钢管，设计温度为常温，属于GA1级压力管道，分为三个标段。

其中化工复线二标工程地处上海奉贤区，起点于规划A3公路至规划两港大道，长度为13.96 km。化工复线二标全线共完成 10条定向钻穿越(见表1)，全部采用了陀螺仪三维精准定位技术。其中部分由于场地条件受限等原因，穿越管道只能分二段布管施工，一段回拖后再将第二段焊接上去进行回拖，即“二接一”。

表1 化工复线二标段定向钻工程

2.2 陀螺仪工作流程

陀螺仪设备主要包括惯性陀螺管道测量定位仪DUCT RunnerTmDR-HDD-4.1、接线器、卷扬机、牵引钢丝绳、以及数据下载处理软件X-TRACTION和数据分析软件X-VIEW。

陀螺仪定位工作步骤可概括为以下几个部分：

(1)在定向钻管道回拖前进行陀螺仪穿线，此时需要根据测量管道的口径选择合适的测量单元，将测量单元进行组装，如图1所示；

(2)对惯性陀螺管道测量定位仪 DUCT RunnerTm DR-HDD-4.1进行初始化设定，如图2所示；

(3)将陀螺仪放入被测穿越管内，用卷扬机牵引使其在管道中匀速回拖，如图3所示；

(4)实地对数据进行下载和处理分析，并绘制曲线，如图4所示。

图1 选择适合被测管道的测量单元

图2 初始化设定

图3 在管道中测量

图4 数据下载处理分析

3 存在问题及解决措施

陀螺仪三维精准定位技术在化工区复线二标段定向地下管道的应用实践总体上是可行的，但现场仍需要解决两大难题：一是需要解决大口径管道穿线的问题，二是需要解决二接一回拖接线的问题，解决好这两个问题陀螺仪三维精准定位技术才可能在以后进行推广应用。

3.1 大口径管道穿线问题

陀螺仪应用于≤DN300以下的短距离定向钻穿越管道的深度测量技术是成熟的，但对于≥DN500且较长距离的定向钻穿越时会发生由于传统导杆穿线方法受阻而无法实施测量的情况。该标段中的海农公路定向钻穿越工程，口径DN800，长度650 m，是首个应用陀螺仪的项目，现场发现无法采用传统导杆进行陀螺仪的穿线。经过多次的方案论证，最终设计了管道牵引车爬管器，采用了反向对接技术进行了陀螺仪的穿线。在后续的工程中不断根据现场情况对该爬管器进行了改进，为后续的定向钻工程应用陀螺仪检测奠定了基础。

3.2 二接一回拖接线问题

燃气管线在施工过程中，有时因布管场地的影响，只能将一条定向穿越的管线进行两段的平行布管。在回拖的过程中，等第一段管道回托到一定位置时，再将第二段管道焊接上去，再进行回拖，如“中心河二接一”定向钻穿越工程。

在该工程的回拖中，原来是没有接线器的，接线仅是依靠手工将固定在两根管端的钢丝绳打个“死结”。由于重力的作用，这个钢丝绳“死结”就下垂在管道“六点位”附近。当两段管道组对焊接时，熔融的金属温度存在着将钢丝绳“死结”烧化的风险。在实际施工时，也考虑过钢丝绳“死结”挪在木条上并用砖块垫起后再进行焊接，这种方法虽然能起到增加与焊接的距离达到隔热的目的，但终究治标不治本。综合现场多种情况，我们制作了钢丝绳连接器，如图5所示，两段钢丝绳在打结连接后从连接杆内穿过，由两侧的球形端穿出，再在球形端二头打结绑住，便于陀螺仪测量定位完成后拖拉出定向钻母管。改成球形端后由于小球直径足够大，有一定空间，避免了焊花飞溅烧伤钢丝绳，同时也大大减少了与管壁的摩擦力，遇到小的障碍物，既容易从其上部翻滚过，也便于最后的取出。

图5 钢丝绳连接器

在实际应用中，上述设计既对钢绳采取了有效的保护，避免了在焊接过程中钢丝绳的熔裂，又能确保陀螺仪平稳地穿过管道，并获得准确可靠的穿越管定位数据。

4 应用效果分析

4.1 数据比对

采用陀螺仪进行三维精准定位后的定向穿越工程的管线数据可形成3条曲线，分别为理想状态下的设计数据曲线、导向仪导向过程的数据曲线、穿越管线回拖完成后用陀螺仪检测绘制的数据曲线。其中，导向过程中导向仪测得的数据，即导向成孔位置数据，数据偏差为米级；陀螺仪是管线回拖好，测量定位的数据，数据偏差为厘米级。上述两者与设计数据之间肯定存在偏差，表2中列出了在该标段定向钻穿越工程中的最大偏差值。

表2 陀螺仪定位数据与导向仪定位数据对比

上表中，里程为设计图纸中的桩号。实际入土点和出土点的测量均由地质调查院现场实测而得，一般允许偏差为1 m。表中F09红心港由于施工时引桩错误，造成入土点偏差为1.06 m，出土点偏差为1.28 m。

4.2 数据分析

4.2.1 出入点偏差

对出/入土点的桩位有偏差，主要是施工时存在个别没有复测或复测手段不完善而导致的缺陷。解决对策：非开挖分包加大对定向钻出入土点桩位复核的力度、手段和方法，对桩位有异议的要提前反映给业主，请测绘院重新放桩。

对因避让障碍物造成出土点移位而设计图纸没有及时调整而产生的偏差，其解决对策是在关键部位要及时进行设计变更。

4.2.2 扩孔产生的偏差

在F05大龙港工程中，导向孔轨迹与设计管位最大偏差较大，主要原因是土质不均匀，淤泥土层和沙质土层交叉造成扩孔跑偏，误差加大。解决对策：施工前期要研究地质调研报告，根据不同的土质情况制定相应的工法，控制扩孔的速度方向和用力情况，及时纠偏。

4.2.3 现场条件受限造成偏差

实际施工时经常会受到现场条件的限制而无法布置磁场线圈，从而造成导向数据与设计管位数据偏差看起来不是很大，但最终形成的穿越管位与设计管位之间的偏差较大，如F08中心河工程中遇到安息堂无法布置线圈，里程31+282.81处，导向仪数据偏差＜0.5 m，陀螺仪检测出的管位数据偏差值为1.94 m。

总体而言，陀螺仪检测到的是定向钻穿越回拖后的管位数据和轨迹，能否较真实地反映管道在地下空间实际情况，可以此作为穿越管线施工竣工图。但在测量过程中不可避免会存在误差。为了回拖时数据准确，建议用卷扬机拖动陀螺仪匀速前进，从而得到较稳定的检测数据。同时，也可以根据现场进行多次的对比检测以降低检测中可能存在的系统误差，一般建议定向钻回拖后的管道做 3次陀螺仪检测为佳。

5 结语

综上所述，陀螺仪三维精准定位技术是推动燃气定向钻穿越管线发展的重要技术，尤其是通过化工复线二标定向钻穿越工程中的应用实践，解决了大口径管道穿线和“二接一”回拖结线的两大难题，促进了此项新技术在化工复线三个标段全部共 25条定向钻工程中全部得到成功应用。但在应用陀螺仪三维精准定位技术的过程中还存在着若干问题和不足，这也影响着技术的应用和发展。因此，科研人员应该加强这方面技术的研究，使得陀螺仪三维精准定位技术进一步提高精准度，并加大与导向孔数据的对比度，通过对比来提高导向孔和回拖的精准度，从源头上把关，朝着定向钻穿越回拖技术精准化方向努力，使回拖的管道与设计规划管位尽量相符，从而为城市地下空间利用创造更先进有利的条件。