摘要：基于非開(kāi)挖技術(shù)的水平定向鉆方法，無(wú)線導(dǎo)向技術(shù)和傳統(tǒng)直入直出的施工方式已不滿足地下管線復(fù)雜、空間狹小的主城區(qū)復(fù)雜環(huán)境施工作業(yè)的需求。研究采用精確有線探控技術(shù)，革新施工方法流程，繪制管線三維復(fù)測(cè)圖的施工方式。

1 引言

傳統(tǒng)定向鉆非開(kāi)挖施工技術(shù)在城區(qū)應(yīng)用多年，主城區(qū)地下埋有大量的電力、煤氣、供水、通信管線，導(dǎo)致后續(xù)非開(kāi)挖作業(yè)空間有限[1,2]。部分施工項(xiàng)目因出鉆位置空間有限無(wú)法安全出鉆，逼著施工單位協(xié)調(diào)開(kāi)挖遷移出入鉆口處的地下管線，導(dǎo)致工期和成本無(wú)法控制。2010 年 6 月，廣州番禺區(qū)某工地施工單位施工安全意識(shí)淡薄，施工過(guò)程盲目大意，強(qiáng)行采用傳統(tǒng)定向鉆技術(shù)施工穿越施工，因鉆頭偏離預(yù)設(shè)路徑 2 m，將出鉆口附近的 110 kV 甲、乙線電纜同時(shí)鉆穿，導(dǎo)致附近變電站突然失壓，周邊區(qū)域大面積停電（見(jiàn)圖 1）。

2 研究目標(biāo)

研究使用 Eclipse 高精度有線探控制一體技術(shù)替代無(wú)線導(dǎo)向技術(shù)，應(yīng)用三維管道復(fù)測(cè)技術(shù)對(duì)實(shí)際管線軌跡復(fù)核、精確繪圖，對(duì)非開(kāi)挖施工方法進(jìn)行革新，改進(jìn)施工流程和施工方法，提高水平定向鉆施工技術(shù)的可實(shí)施性和后續(xù)施工的可持續(xù)性。從而滿足在地下管線復(fù)雜，空間狹窄，安全要求較高的主城區(qū)大跨度、大深度、高精度的電纜項(xiàng)目非開(kāi)挖水平施工的需求，減少非必要的大開(kāi)挖施工作業(yè)，確保施工安全，縮短施工工期，降低施工成本，減少對(duì)城市道路及周邊環(huán)境的影響。

3 傳統(tǒng)的施工方法

基于無(wú)線導(dǎo)向系統(tǒng)的傳統(tǒng)非開(kāi)挖施工方法已經(jīng)不適合城區(qū)管線密集區(qū)域的施工需求。

（1）工作范圍小。傳統(tǒng)定向鉆技術(shù)采用的無(wú)線導(dǎo)向系統(tǒng)分為信號(hào)發(fā)生器、電池和無(wú)線跟蹤儀三個(gè)部分組成。信號(hào)發(fā)生器采用電池供電，受限于體積原因，電池容量有限，信號(hào)發(fā)射裝置功率較小，信號(hào)穿透力不足。理想狀態(tài)探深在 10～15 m，電池供電最長(zhǎng)不超過(guò) 36 h，但在地下管線密集或干擾較大的環(huán)境中使用，實(shí)測(cè)探深一般不超過(guò) 9 m，干擾嚴(yán)重時(shí)縮短至 5 m 左右，電池持續(xù)供電時(shí)間在 20 h 左右，無(wú)法滿足長(zhǎng)距離、大深度的穿越。

（2）探測(cè)精度差。信號(hào)發(fā)生器（探頭）將探測(cè)到的信息生成電磁信號(hào)發(fā)出，由地面的技術(shù)人員手持跟蹤儀接收電磁信號(hào)，從而計(jì)算獲得鉆頭信息。但儀器的測(cè)量精度還受限于操作人員是否嚴(yán)格按照儀器制造商的推薦程序和要求操作，手持跟蹤儀垂直于地面。因?yàn)槿魏谓嵌绕D(zhuǎn)都可能影響信號(hào)接收，進(jìn)而影響信號(hào)的精度。另外，無(wú)線系統(tǒng)采用的是電磁信號(hào)容易受到城市范圍內(nèi)各種地下管線（電纜、電信、金屬管道等）和地上構(gòu)造物（變電站、信號(hào)塔等）的電磁干擾，影響精度。當(dāng)干擾大于信號(hào)強(qiáng)度時(shí)，甚至?xí)l(fā)生信號(hào)丟失，操作員只能盲視施工。實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際位置與探測(cè)位置的誤差可高達(dá) 1 m 左右，嚴(yán)重時(shí)甚至可達(dá) 2 m 以上。

（3）對(duì)環(huán)境要求高。傳統(tǒng)定向鉆施工技術(shù)是一種只能從道路一側(cè)鉆入，按照出入鉆位置預(yù)設(shè)一定角度的拋物線鉆進(jìn)，從道路另外一側(cè)鉆出的施工方式。實(shí)際施工中一般要求預(yù)設(shè)軌跡與鄰近管線保持 2 m 以上的安全距離。受限于無(wú)線技術(shù)精度限制，當(dāng)出入鉆口位置的空間狹小，且鄰近管線較近時(shí)便無(wú)法施工，需要遷移鄰近管線。如強(qiáng)行穿越則很大可能鉆穿鄰近管線。

4 新技術(shù)的應(yīng)用

（1）有線探控一體系統(tǒng)。采用 Eclipse 高精度有線探測(cè)、控制一體化系統(tǒng)，系統(tǒng)技術(shù)原理基于地磁有線導(dǎo)向測(cè)量方法，以地球重力場(chǎng)和地磁場(chǎng)為參考，建立三維參考坐標(biāo)，導(dǎo)向儀探頭采用航天固態(tài)慣性陀螺儀技術(shù)建立測(cè)量坐標(biāo)，傳感器測(cè)量的位置與角度數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)與供電復(fù)合線纜傳輸至地面設(shè)備的操作系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算并顯示鉆頭角度與鉆進(jìn)軌跡。鉆機(jī)操作人員可在顯示屏上直接觀察，及時(shí)根據(jù)顯示信息控向，對(duì)偏移糾正。由于信號(hào)通過(guò)屏蔽纜直接傳輸（不受干擾）至地面系統(tǒng)，鉆機(jī)操作控制人不再需要通過(guò)專業(yè)技術(shù)人員在危險(xiǎn)的路面上手持跟蹤儀獲取鉆頭信息，從而提高施工精度。在穿越長(zhǎng) 200 m，深近 20 m 的 110 kV 施工項(xiàng)目跨越河涌段使用，其誤差最大值控制在 0.4 m 以內(nèi)，明顯比傳統(tǒng)的無(wú)線技術(shù)精度更高。

（2）三維管道復(fù)測(cè)。在管道敷設(shè)施工完成后，110 kV 電纜敷設(shè)前，采用測(cè)量型的高精度 GPS 裝置測(cè)量定位，將水平定向鉆施工的管口位置與城市坐標(biāo)對(duì)接。測(cè)量時(shí)使用電動(dòng)或人工方式牽引第三代高精度管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x器（MEMS 慣性技術(shù)）逐條穿越已完成敷設(shè)的管道。測(cè)量?jī)x器是基于三維陀螺儀技術(shù)研發(fā)的，通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)自身姿態(tài)與位置進(jìn)行記錄，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)運(yùn)算，結(jié)合城市坐標(biāo)系還原繪制管道在地下的實(shí)際位置與分布姿態(tài)，。三維管道復(fù)測(cè)技術(shù)的使用，能夠真實(shí)反映管道實(shí)際位置，為后續(xù)施工或搶修作業(yè)及決策提供必要的支撐數(shù)據(jù)。

5 施工方法的改進(jìn)

精確定向鉆技術(shù)非開(kāi)挖施工方法改變了傳統(tǒng)粗獷的直入直出的施工方法，以下改進(jìn)建議。

（1）施工前準(zhǔn)備工作，現(xiàn)場(chǎng)勘查、核對(duì)設(shè)計(jì)圖紙；接受管線單位安全技術(shù)交底；現(xiàn)場(chǎng)復(fù)測(cè)管線位置。（2）施工場(chǎng)地的圍蔽，設(shè)備和管線場(chǎng)地的布置等。（3）在已探明預(yù)定出入鉆口目標(biāo)位置有其他市政管線阻礙的情況，通過(guò)人工方式局部掏挖，將預(yù)定出入鉆口附近的管線開(kāi)挖露出并采取臨時(shí)保護(hù)措施，在現(xiàn)有管線安全距離（見(jiàn)表 1）以外的地方進(jìn)行接收井開(kāi)挖與砌筑，將鉆頭出入鉆口移至接收井邊，與現(xiàn)有管線保持足夠安全距離。出入鉆全過(guò)程操作由監(jiān)護(hù)人員和目視控制，避免因空間狹小或精度誤差等原因損傷鄰近的運(yùn)行線路。（4）如果預(yù)設(shè)（可用）空間實(shí)在狹小，不能滿足安全距離的時(shí)候，采用預(yù)埋管道與水平定向鉆管道駁接并重新排序，接引至正常的管線走廊中，然后在新敷設(shè)管道和原管線間敷設(shè)鋼板或采取其他保護(hù)措施，降低日后運(yùn)維與檢修誤傷鄰近運(yùn)行管線的可能。（5）鉆進(jìn)過(guò)程分三步：導(dǎo)向孔施工、回?cái)U(kuò)施工、管道焊接和回拖施工。第一步，設(shè)定導(dǎo)向軌跡，從預(yù)設(shè)入鉆點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)向孔施工，直至鉆頭到達(dá)鉆進(jìn)終點(diǎn)鉆出或人工掏挖出鉆頭。采用有線探控一體系統(tǒng)水平定向鉆機(jī)能最大限度保證實(shí)際軌跡與預(yù)設(shè)軌跡保持一致，不偏移出規(guī)劃紅線范圍。第二步，根據(jù)土質(zhì)和管徑大?。ㄒ话銥楣芫€ 1.5 倍），采用一次或（建議）多級(jí)回?cái)U(kuò)，采用與地層相匹配的擴(kuò)孔器和鉆進(jìn)液流量，可節(jié)約資金和時(shí)間。第三步，焊接好管道，根據(jù)土質(zhì)和孔數(shù)要求，決定一次回拉孔數(shù)，對(duì)于孔數(shù)較多的施工，建議分次回拉。（6）完成出入鉆口接收井的砌筑，檢查并確保施工質(zhì)量滿足電力施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

基于上述技術(shù)編制的“基于精確定向鉆技術(shù)的復(fù)合非開(kāi)挖施工方法”成功在 220 kV 輸變電工程等項(xiàng)目上應(yīng)用，解決了地下管線密集環(huán)境電纜項(xiàng)目非開(kāi)挖施工的成本、工期與安全難以兼顧的難題。