水平定向钻敷设燃气PE 管道精准定位方式研究

柴佳丽CHAI Jia-li；江文JIANG Wen

（①东营华润燃气有限公司，东营 257091；②华润燃气（南京）市政工程有限公司，南京 210000）

1 燃气PE 管定向钻穿越施工定位的重要性及难点

水平定向钻穿越施工是在不开挖地表面的条件下，通过定向钻进技术和传统的管线施工方法相结合的施工技术，水平定向钻穿越施工不会阻碍交通；破坏绿地、植被和周边建筑物；具有施工速度快、施工精度高、成本低等优点。近年来，在世界各国及各行各业广泛使用，成为非开挖施工技术中非常重要的一种方式。

利用水平定向钻施工方式敷设PE 管道在燃气施工行业应用越来越多。虽然这种施工方式带来了施工的便利性，但是因为PE 管道（聚乙烯管）具有不导电，不导磁的特点，至今没有有效的办法可以实现在地面上直接测试地下PE 管道的位置，尤其是在水平定向钻穿越后PE 管道深度较深给管线的定位带来非常大的困难。

因为燃气的特殊性及危险性，燃气公司对燃气管道的精准定位要求较高，如无精准的定位数据，经常会发生第三方管道施工破坏，出现挖断PE 管道的情况，会造成重大燃气事故并为燃气公司日常巡检、运营带来较多问题。为了解决水平定向钻敷设PE 燃气管道精准定位问题，各燃气公司、厂家、科研机构积极研发一些新的定位技术，本文对常用到的定位方法的精度、优缺点及成本进行试验、分析，便于燃气公司选择适合的最优方案。

2 水平定向钻敷设燃气PE 管道常用定位方法

水平定向钻敷设燃气PE 管道常用的定位方法有三种，一是金属示踪线固定于燃气PE 管道上，通过示踪线探测仪对金属示踪线进行定位，二是通过定向钻导向仪进行定位，三是通过陀螺定位仪进行定位。

2.1 金属示踪线定位法

金属示踪线定位法是将金属示踪线固定在PE 管道上，随PE 管道一起定向钻穿越，敷设时应使用金属示踪线专用接头并使接头保持良好的导电性。水平定向钻穿越完成后，将两头金属示踪线留出地面，定位时，给金属示踪线加上一定强度的交变电流信号，通过金属探测仪探测磁场中心位置来确定PE 管道位置的一种方式。

使用金属示踪线定位PE 管道是目前常用的一种传统定位方式，这种定位方式施工比较方便，价格低廉，但是该种定位方式会受多种因素影响，可能导致探测不到数据的情况。主要影响因素有以下几点：一是金属示踪线的选择，金属示踪线产生电磁强度的大小与金属示踪线本身采用的材料有关[2]，截面积过小的金属示踪线，容易在穿越过程中被拖断和产生电磁信号不足，导致无法进行定位；二是金属示踪线接口的处理，接口如处理不好，会造成导电性降低；三是当周边的环境有其他金属管道或电塔等产生干扰信号，会导致探测数据不准；四是金属示踪线加载信号段及末端的接地措施，如未做好接地，会导致金属示踪线末端与土壤间接地电阻较大，绝大部分信号电流未流经金属示踪线，出现末端无法探测到数据的结果[1]。五是敷设深度，金属示踪线探测方法对于敷设深度在2.5 米以下管线精度尚可，对于水平定向钻敷设燃气PE 管道方式，埋深多大于2.5 米，受周边金属管线或土壤介质的影响，导致探测误差大，甚至出现无法正常探测的情况[1]。

该种定位方式因为受各种因素影响，对金属示踪线材料、施工及周边环境要求较高，导致探测精度低。

金属示踪线探测到的管道位置还需与定位系统进行结合，将探测到的数据使用西安80 或大地2000 坐标系进行绝对坐标的标注，尚可完成完整的竣工图纸及竣工数据的收集。

2.2 定向钻导向仪定位

定向钻导向仪定位常用的方法就是对定向钻钻进过程中钻头的传感发射探头的位置利用地面手持定位仪进行跟踪定位的一种方式。这种方式记录的是钻头的轨迹，定向钻导向仪定位一般是将这个轨迹认定为PE 管敷设的轨迹。

传统定位钻轨迹定位方式定位的是钻头导向的轨迹，钻头钻进完成后会根据PE 管道的管径进行多次扩孔，扩孔完成后会进行PE 管的拖管，拖管的过程因为牵引力的存在，会使PE 管道在一定程度上发生偏移，导致定向钻钻头轨迹与PE 管敷设轨迹并不完全相同，为了获得燃气PE 管道更精准的数据，作者通过多年的工程施工及定向钻定位经验，将该定位方式进行了优化。具体的定位方法如下：定向钻拖管完成后，使用穿线器将钻头中的地下传感发射探头穿进拖管完成后的PE 管内，通过地上手持定位仪进行跟踪定位，通过这种方式取得的数据为敷设在地下的PE 管道的实际位置数据（基本可认为管底数据），对该数据进行修正（根据不同的管径换算成管中心数据），避免了传统钻头导向轨迹定位方式中拖管偏移引起的误差。

为了对PE 管道拖管过程中引起的偏移误差情况进行分析，作者在本公司施工的工程中进行多次试验，选择长度为132 米的PE 管道管径为DE250 的一处定向钻，对钻头轨迹和拖管后PE 管轨迹深度进行试验，试验数据如表1 和图1。

表1 钻头导向轨迹与拖管后PE 管轨迹数据对比分析表

从表1 和图1 中可以看出，钻头导向轨迹与拖管完成后的PE 管轨迹最大偏差为0.8 米，平均偏差为0.3 米，可以证明PE 管在拖管过程中的偏移是存在的。从两者轨迹图的比较中可以看出，PE 管在拖管过程中基本呈现向上漂移的趋势。为了掌握定向钻地下传感发射探头和地上手持定位仪的定位精度，选择3 处穿越点通过开挖验证的方式进行验证，验证偏差最大为0.5 米，最小为0.3 米，可见定向钻导向仪的精度在0.5 米左右，具体精度与不同类型的定向钻导向仪及周边环境有关。

图1 钻头导向轨迹与拖管后PE 管轨迹曲线

因此，通过改进的定向钻导向仪定位技术可以规避因PE 管拖管过程中的偏移导致的误差，定位精度只受定位设备精度和外界环境干扰的影响。定向钻钻头的定位方式可探测到地下几米甚至几十米的管道位置，因此以定向钻穿越方式敷设的PE 管道都可以探测到。

定向钻导向仪定位数据需要与定位系统进行结合，将穿越轨迹使用西安80 或大地2000 坐标系进行绝对坐标的定位，尚可完成完整的竣工图纸及竣工数据的收集。

2.3 陀螺定位仪定位

管线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。待管道定向钻穿越施工完成后，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个来回，测量主机将自动记录被测管道各点的三维空间坐标。测量主机在管道里面被牵引钢绳拉动过程中，惯性陀螺仪随着测量主机在管道中移动，由于测量主机移动到不同的位置时，惯性陀螺仪沿旋转轴的垂直方向有力矩作用，导致旋转轴方向发生改变，而测量主机自带的多组传感器实时读取惯性陀螺仪旋转轴所指示的方向，这样就能使测量主机在管道内移动的过程中，记录管道每个连续点的前后空间位置变化关系，通过输入管道两端的坐标（西安80 或大地2000 坐标系），就能得到整个管道的三维坐标。陀螺定位仪定位数据直接为绝对坐标，无须与GPS结合使用。

陀螺定位仪探测方法为管内探测法，仪器必须进入管道内部，需要在穿越完成未合口前进行探测，对已投产管线需要停气断开管线后方可探测。陀螺定位仪仪器的轮组的可用尺寸范围为80mm-800mm，管径过大过小都无法运用该仪器测量，只能满足常规尺寸的管线测量需要。

陀螺定位仪定位方式是将陀螺原理与计算机技术结合在一起，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进行定位的与电磁波或磁场无关，因此不会收到电磁干扰[3]。并且所有数据资料，除入口点与出口点利用定位系统等获得资料之外，其余所有资料皆由惯性定位仪自行运算获得，并非人工计算，消除人为误差因素，并可进行重复验证。

陀螺定位仪定位精确高（精度可达千分之2.5）且不受地形影响，不受深度限制，不受电磁干扰，不受管道材质影响，是传统管线定位的一个强有力的补充，也是未来地下管线定位的发展方向。目前，进口陀螺定位仪的市场售价在200 万人民币左右，仪器价格昂贵，市场每米定位单价约为100 元，基本与DE110PE 管道定向钻穿越每米单价持平，这个价格对于一些中小型的城镇燃气公司还是难以接受。这种定位方式是一种新型的技术，目前也是在推广的过程中，覆盖面不足，定向钻施工单位配置陀螺定位仪的较少，单独聘请陀螺定位仪测量单位进行定位，可能涉及到交叉施工及工程进度的影响。

3 不同定位方式优缺点分析

3.1 金属示踪线定位

优点：定位非常方便、价格低廉，封闭与非封闭管线都可使用；缺点：定位精度低，受穿越深度、外界信号干扰、示踪线质量等多种因素影响，对于深度较深和外界信号干扰大的定向钻穿线管线经常出现探测不到数据的情况。使用该种方式需注意：①选择合适的金属示踪线材料；②接口处理良好，保证导电性；③埋设深度不超过2.5 米；④示踪线两端应留出地面1 米以上，便于探测时施加电流信号。

3.2 定向钻导向仪定位（改进后）

优点：①无须增加成本，定位方便；②定位可以由定向钻施工单位完成，不会出现交叉施工及延误工期情况；③定位精度较高，可达到0.5 米以内；④定位不受敷设深度影响；缺点：无法对有较强施工干扰的地区进行精准地位。使用该方式需注意：①500 米以内的地下管线拖管完成后可以借助穿线器予以穿线，单钻长度大于500 米的，拖管完成后探测设备穿线是一个较大的考验，需要在定向钻拖管施工过程中预穿牵引线，这项工作必须要施工单位的配合才能完成，前期工作量比较大。②受钻头内的地下探测设备尺寸限制，DE63 以下的PE 管线，探测设备无法进入管道内，只能以导向轨迹作为管道轨迹。

3.3 陀螺定位仪

优点：①定位精度高，可达到0.15 米；②不受电磁波干扰，不受地面环境、交通、天气、光线等影响；③不受管道材质和周围环境的干扰；④不受敷设深度影响[3]。缺点：①定位成本较高；交叉施工，可能影响到工程进度；数据量大，软件操作复杂。使用该方式需注意：陀螺定位仪仪器仅仅适用于非封闭的管道，运行中的封闭管线没办法使用该仪器来测量；②500 米以内的地下管线后期可以借助穿线器给其穿线，大于500 米的牵引管对后期穿线是一个考验，需要在牵引管施工过程中预穿牵引线，这项工作必须要施工单位的配合才能完成，前期工作量大；③仪器的轮组的可用尺寸范围为80mm-800mm，管径过大过小都无办法运用该仪器测量，只能满足常规尺寸的管线测量需要。

4 结论

目前金属示踪线探测技术仅仅依靠金属示踪线的方式对定向钻敷设PE 管很难取到精准数据，但金属示踪线一直随管线敷设，如施工过程中取得的定位数据丢失，还可以通过示踪线追踪PE 管道位置，因此金属示踪线探测技术作为一项辅助定位技术可以与定向钻轨迹探测、陀螺定位仪探测技术结合使用。

PE 管拖管完成后定向钻导向探测仪定位数据精度虽然低于陀螺定位仪定位精度，但其定位精度足以满足燃气管线常规定位需求，可清楚掌握地下燃气管线位置，实现燃气管线常态化运行管理需求，并且定向钻施工过程中直接取得无须增加施工成本和施工周期。作者认为这种定位方式在没有较强施工干扰的地区可以优先考虑使用。

陀螺定位仪定位方式是一种新型的定位技术，定位精度最高，定位成本高，施工不受外界环境影响。作者认为这种定位方式适用于对燃气管线定位精度有较高要求并且能够承担较高定位成本的燃气公司。

以上为作者对水平定向钻敷设燃气PE 管道三种不同定位方式的施工方式、定位原理及优缺点分析，燃气公司可根据各公司实际情况选择适合自己的定位方式。作者建议可采用以下两种探测方式，一是金属示踪线固定PE管与定向钻导向仪定位技术（改进后导向仪）结合，两种方式结合可以解决后期定向钻轨迹数据丢失，或运行中的管线（封闭管线）无法使用定向钻轨迹探测的情况。这两种方式结合可供对施工成本比较敏感且对定位精度要求在0.5米以上的燃气公司选择使用。二是金属示踪线固定PE 管与陀螺定位仪探测结合，两种方式结合可以解决后期陀螺定位仪数据丢失或运行中的管线（封闭管线）无法使用陀螺定位仪探测的情况。这两种方式结合可供对施工成本不敏感且对定位精度要求在0.5 米以内的燃气公司选择使用。不推荐单独使用三种探测方式的任何一种形式，只使用金属示踪线缠绕方式，定位精度低且受外界环境干扰较大；仅使用定向钻轨迹或陀螺定位仪定位方式，如出现数据丢失或运行中的管线（封闭管线）无法进行管线定位，不利于后期运行管理。