集成电路 | 基于精确定向钻技术的电缆非开挖施工方法研究

摘要：基于非开挖技术的水平定向钻方法，无线导向技术和传统直入直出的施工方式已不满足地下管线复杂、空间狭小的主城区复杂环境施工作业的需求。研究采用精确有线探控技术，革新施工方法流程，绘制管线三维复测图的施工方式。

1 引言

传统定向钻非开挖施工技术在城区应用多年，主城区地下埋有大量的电力、煤气、供水、通信管线，导致后续非开挖作业空间有限[1,2]。部分施工项目因出钻位置空间有限无法安全出钻，逼着施工单位协调开挖迁移出入钻口处的地下管线，导致工期和成本无法控制。2010 年 6 月，广州番禺区某工地施工单位施工安全意识淡薄，施工过程盲目大意，强行采用传统定向钻技术施工穿越施工，因钻头偏离预设路径 2 m，将出钻口附近的 110 kV 甲、乙线电缆同时钻穿，导致附近变电站突然失压，周边区域大面积停电（见图 1）。

2 研究目标

研究使用 Eclipse 高精度有线探控制一体技术替代无线导向技术，应用三维管道复测技术对实际管线轨迹复核、精确绘图，对非开挖施工方法进行革新，改进施工流程和施工方法，提高水平定向钻施工技术的可实施性和后续施工的可持续性。从而满足在地下管线复杂，空间狭窄，安全要求较高的主城区大跨度、大深度、高精度的电缆项目非开挖水平施工的需求，减少非必要的大开挖施工作业，确保施工安全，缩短施工工期，降低施工成本，减少对城市道路及周边环境的影响。

3 传统的施工方法

基于无线导向系统的传统非开挖施工方法已经不适合城区管线密集区域的施工需求。

（1）工作范围小。传统定向钻技术采用的无线导向系统分为信号发生器、电池和无线跟踪仪三个部分组成。信号发生器采用电池供电，受限于体积原因，电池容量有限，信号发射装置功率较小，信号穿透力不足。理想状态探深在 10～15 m，电池供电最长不超过 36 h，但在地下管线密集或干扰较大的环境中使用，实测探深一般不超过 9 m，干扰严重时缩短至 5 m 左右，电池持续供电时间在 20 h 左右，无法满足长距离、大深度的穿越。

（2）探测精度差。信号发生器（探头）将探测到的信息生成电磁信号发出，由地面的技术人员手持跟踪仪接收电磁信号，从而计算获得钻头信息。但仪器的测量精度还受限于操作人员是否严格按照仪器制造商的推荐程序和要求操作，手持跟踪仪垂直于地面。因为任何角度偏转都可能影响信号接收，进而影响信号的精度。另外，无线系统采用的是电磁信号容易受到城市范围内各种地下管线（电缆、电信、金属管道等）和地上构造物（变电站、信号塔等）的电磁干扰，影响精度。当干扰大于信号强度时，甚至会发生信号丢失，操作员只能盲视施工。实际施工经验，实际位置与探测位置的误差可高达 1 m 左右，严重时甚至可达 2 m 以上。

（3）对环境要求高。传统定向钻施工技术是一种只能从道路一侧钻入，按照出入钻位置预设一定角度的抛物线钻进，从道路另外一侧钻出的施工方式。实际施工中一般要求预设轨迹与邻近管线保持 2 m 以上的安全距离。受限于无线技术精度限制，当出入钻口位置的空间狭小，且邻近管线较近时便无法施工，需要迁移邻近管线。如强行穿越则很大可能钻穿邻近管线。

4 新技术的应用

（1）有线探控一体系统。采用 Eclipse 高精度有线探测、控制一体化系统，系统技术原理基于地磁有线导向测量方法，以地球重力场和地磁场为参考，建立三维参考坐标，导向仪探头采用航天固态惯性陀螺仪技术建立测量坐标，传感器测量的位置与角度数据通过信号与供电复合线缆传输至地面设备的操作系统，通过计算机自动计算并显示钻头角度与钻进轨迹。钻机操作人员可在显示屏上直接观察，及时根据显示信息控向，对偏移纠正。由于信号通过屏蔽缆直接传输（不受干扰）至地面系统，钻机操作控制人不再需要通过专业技术人员在危险的路面上手持跟踪仪获取钻头信息，从而提高施工精度。在穿越长 200 m，深近 20 m 的 110 kV 施工项目跨越河涌段使用，其误差最大值控制在 0.4 m 以内，明显比传统的无线技术精度更高。

（2）三维管道复测。在管道敷设施工完成后，110 kV 电缆敷设前，采用测量型的高精度 GPS 装置测量定位，将水平定向钻施工的管口位置与城市坐标对接。测量时使用电动或人工方式牵引第三代高精度管道三维姿态测量仪器（MEMS 惯性技术）逐条穿越已完成敷设的管道。测量仪器是基于三维陀螺仪技术研发的，通过实时对自身姿态与位置进行记录，最后通过计算机的自动运算，结合城市坐标系还原绘制管道在地下的实际位置与分布姿态，。三维管道复测技术的使用，能够真实反映管道实际位置，为后续施工或抢修作业及决策提供必要的支撑数据。

5 施工方法的改进

精确定向钻技术非开挖施工方法改变了传统粗犷的直入直出的施工方法，以下改进建议。

（1）施工前准备工作，现场勘查、核对设计图纸；接受管线单位安全技术交底；现场复测管线位置。（2）施工场地的围蔽，设备和管线场地的布置等。（3）在已探明预定出入钻口目标位置有其他市政管线阻碍的情况，通过人工方式局部掏挖，将预定出入钻口附近的管线开挖露出并采取临时保护措施，在现有管线安全距离（见表 1）以外的地方进行接收井开挖与砌筑，将钻头出入钻口移至接收井边，与现有管线保持足够安全距离。出入钻全过程操作由监护人员和目视控制，避免因空间狭小或精度误差等原因损伤邻近的运行线路。（4）如果预设（可用）空间实在狭小，不能满足安全距离的时候，采用预埋管道与水平定向钻管道驳接并重新排序，接引至正常的管线走廊中，然后在新敷设管道和原管线间敷设钢板或采取其他保护措施，降低日后运维与检修误伤邻近运行管线的可能。（5）钻进过程分三步：导向孔施工、回扩施工、管道焊接和回拖施工。第一步，设定导向轨迹，从预设入钻点进行导向孔施工，直至钻头到达钻进终点钻出或人工掏挖出钻头。采用有线探控一体系统水平定向钻机能最大限度保证实际轨迹与预设轨迹保持一致，不偏移出规划红线范围。第二步，根据土质和管径大小（一般为管线 1.5 倍），采用一次或（建议）多级回扩，采用与地层相匹配的扩孔器和钻进液流量，可节约资金和时间。第三步，焊接好管道，根据土质和孔数要求，决定一次回拉孔数，对于孔数较多的施工，建议分次回拉。（6）完成出入钻口接收井的砌筑，检查并确保施工质量满足电力施工验收标准的要求。

6 结语

基于上述技术编制的“基于精确定向钻技术的复合非开挖施工方法”成功在 220 kV 输变电工程等项目上应用，解决了地下管线密集环境电缆项目非开挖施工的成本、工期与安全难以兼顾的难题。