定向鉆施工中示蹤線技術(shù)改進(jìn)

朱凱敏

（中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，成都 610081）

ZHU Kai-min

(Southwest Municipal Engineering Design & Research Institute of China,Chengdu610081,China)

1 引言

聚乙烯（PE）燃?xì)夤艿谰哂袚闲约选⒛透g、質(zhì)輕、施工簡(jiǎn)便、流體流動(dòng)阻力小、抗拉強(qiáng)度高、適宜輸送天然氣等一系列優(yōu)點(diǎn)，并經(jīng)實(shí)踐證明，PE管較鋼管具有工程造價(jià)低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)：一般而言，管徑De315及以下的PE管比鋼管有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，其成本可比鋼管便宜10%～30%；在國(guó)外，PE管最早在20世紀(jì)50年代服役于城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)，我國(guó)使用PE管的歷史也可追溯至20世紀(jì)80年代初[1]。

天然氣的發(fā)展和PE管的諸多優(yōu)勢(shì)使其逐漸取代鑄鐵管和鋼管，成為中壓燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的主流。然而，PE管由于不導(dǎo)電、不導(dǎo)磁而無(wú)法直接用電磁法探測(cè)其空間位置[2]。因此，GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》、CJJ 51—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)施運(yùn)行、維護(hù)和搶修安全技術(shù)規(guī)程》、CJJ 63—2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等技術(shù)規(guī)范都要求燃?xì)釶E管道敷設(shè)時(shí)，須隨管道走向埋設(shè)金屬示蹤線，以準(zhǔn)確探測(cè)PE管的位置和埋深。

在直埋燃?xì)夤艿拦こ虒?shí)踐中，深圳地區(qū)采用2.5mm2的聚乙烯薄膜包裹不銹鋼金屬線示蹤線，有效解決了PE管的探測(cè)問(wèn)題。在定向鉆施工中，示蹤線與PE管一同回拉，存在示蹤線被拉斷或因示蹤線埋設(shè)過(guò)深而導(dǎo)致不能有效探測(cè)PE管的空間位置等問(wèn)題，因此，定向鉆施工中如何有效敷設(shè)示蹤線的問(wèn)題亟待解決。

2 電磁法探測(cè)PE管示蹤線的原理與方法

目前，探測(cè)地下PE管最常用的方法是電磁法。它是以地下管線或?qū)Ь€與周圍介質(zhì)的導(dǎo)電性及導(dǎo)磁性差異為主要物性基礎(chǔ)，根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論和電磁感應(yīng)原理觀測(cè)和研究電磁場(chǎng)空間分布規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)探測(cè)地下管線的目的。

電磁法分被動(dòng)源法和主動(dòng)源法。被動(dòng)源法通過(guò)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生一個(gè)交變電磁場(chǎng)（一次場(chǎng)），以電磁感應(yīng)的方式在金屬管線或示蹤線上產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流再以金屬管線或示蹤線為中心形成另一個(gè)電磁場(chǎng)（二次場(chǎng)），通過(guò)接收機(jī)探測(cè)二次場(chǎng)的中心位置，即可對(duì)金屬管線或示蹤線進(jìn)行定位。該方法操作簡(jiǎn)便，缺點(diǎn)是感應(yīng)信號(hào)弱，易受鄰近地下管線干擾而影響探測(cè)結(jié)果。主動(dòng)源法是發(fā)射機(jī)直接將交變電流加載到金屬管線或示蹤線上產(chǎn)生一個(gè)交變電磁場(chǎng)，接收機(jī)通過(guò)探測(cè)一次場(chǎng)的中心位置來(lái)確定金屬管線或示蹤線的位置和埋深。該方法因具有信號(hào)強(qiáng)、探測(cè)精度高、不受鄰近管線干擾等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛，但要求示蹤線無(wú)斷點(diǎn)，并有接地良好的出露點(diǎn)。

由以上的闡述可知，無(wú)論是被動(dòng)源法還是主動(dòng)源法，接收機(jī)都是通過(guò)探測(cè)示蹤線發(fā)出的交變電磁場(chǎng)（二次場(chǎng)或一次場(chǎng)）實(shí)現(xiàn)對(duì)PE管的定位定深的，故以應(yīng)用廣泛的主動(dòng)源法為例分析示蹤線的探測(cè)方法及影響示蹤線探測(cè)精度的因素。

2.1 示蹤線交變電磁場(chǎng)的產(chǎn)生

當(dāng)示蹤線直徑遠(yuǎn)小于埋深并忽略大地和空氣的介質(zhì)變化時(shí)，示蹤線可視為均勻介質(zhì)中的一條無(wú)限長(zhǎng)的長(zhǎng)直導(dǎo)線，將幅值為I0的交變電流I0sinωt加載到示蹤線上時(shí)，在地面上P點(diǎn)產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)如圖1所示[3]。

圖1 示蹤線產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)

式中：B——磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；μ0——真空磁導(dǎo)率，N/A2；I——交變電流的有效值，滿足示蹤線中心至地面P點(diǎn)的距離，m。

交流電流的大小由發(fā)射機(jī)功率和閉合回路的電阻決定，存在關(guān)系：

式中：P——發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，W；R1——被測(cè)示蹤線的電阻，Ω；R2——示蹤線、發(fā)射機(jī)與大地組成的閉合回路中除R1以外的電阻，Ω。

由電阻定律可知：

式中：ρ——示蹤線的電阻率，Ω·m；L——示蹤線的長(zhǎng)度，m；S——示蹤線的橫截面積，m2。綜合式（1）、（2）、（3）可得：

分析圖2可知，交變電磁場(chǎng)的水平分量和垂直分量分別為：

圖2 交變電磁場(chǎng)的水平分量和垂直分量

式中：β——測(cè)量點(diǎn)的電磁場(chǎng)切線方向與水平線的夾角，rad；x——地面觀測(cè)點(diǎn)到示蹤線在地面投影的水平距離，m；h——示蹤線（PE管管頂）的埋深，m。

2.2 交變電磁場(chǎng)的測(cè)量

Bx與Bz的曲線如圖2所示，在實(shí)際應(yīng)用中，通常借助接收機(jī)測(cè)量Bx（峰值法）或Bz（極小值法）的方式對(duì)示蹤線進(jìn)行定位定深。采用極小值法定位時(shí)，當(dāng)探頭位于示蹤線正上方時(shí)，電磁場(chǎng)垂直分量Bz為零；用45°定深，確定示蹤線位置后，將探頭與地面成45°進(jìn)行垂直示蹤線移動(dòng)測(cè)量，當(dāng)測(cè)得電磁場(chǎng)垂直分量Bz為零時(shí)，零值點(diǎn)與定位點(diǎn)的水平距離即為示蹤線的埋深（見(jiàn)圖 3）。

圖3 極小值法測(cè)量電磁場(chǎng)的方法

交變電磁場(chǎng)的測(cè)量是通過(guò)其在接收機(jī)上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e正比于磁通量對(duì)時(shí)間的變化率，即：

式中：Φ——通過(guò)線圈截面的磁通量，Wb；N——線圈匝數(shù)；A——線圈的面積；α——電磁場(chǎng)方向與線圈平面方向的夾角，rad。

當(dāng)采用極小值法測(cè)量電磁場(chǎng)時(shí)，將（6）代入（7）得：

由上式可知，當(dāng)接收器選定之后，示蹤線埋深越小，示蹤線的電阻越小（電阻率越小，橫截面積越大），示蹤線與大地的接觸電阻越小，則電信號(hào)越強(qiáng)，示蹤線越容易探測(cè)。

3 定向鉆施工中示蹤線技術(shù)改進(jìn)

一般來(lái)說(shuō)，示蹤線要求具有高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、良好耐腐蝕及耐久性等特點(diǎn)，在工程實(shí)踐中，一般采用聚乙烯薄膜包裹1.5～2.5mm2的金屬絲，也有選用塑料膜包裹窄條的鋁箔。深圳地區(qū)的聚乙烯燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)中，選用2.5mm2的不銹鋼金屬絲示蹤線，但在定向鉆施工中，由于上述示蹤線太細(xì)，故存在因拉斷或埋設(shè)太深而不能有效探測(cè)PE管的位置和埋深的問(wèn)題。

深圳燃?xì)夤咀?010年起將2根截面為4mm2的銅芯線應(yīng)用于PE管定向鉆工藝中，施工時(shí)用膠帶將銅芯平行綁于PE管的頂面，隨管道一同回拖，并在兩端出鉆點(diǎn)設(shè)置拉線井，用于將銅芯兩端與直埋敷設(shè)的不銹鋼金屬絲示蹤線可靠地接駁。

采用極小值法測(cè)量電磁場(chǎng)時(shí)，對(duì)式（8）的討論可知，選用電阻率小、橫截面積大的導(dǎo)線，可獲得較強(qiáng)的電磁信號(hào)，而且更高的強(qiáng)度也能有效抵御PE管回拖時(shí)對(duì)示蹤線的破壞。深圳目前采用的2.5mm2的不銹鋼金屬絲示蹤線的電阻率為0.73Ω·mm2/m，抗拉強(qiáng)度為 860MPa，銅芯的電阻率為0.0175Ω·mm2/m，抗拉強(qiáng)度為250MPa。故經(jīng)計(jì)算可知，單位長(zhǎng)度示蹤線的電阻：不銹鋼金屬絲為0.292Ω，銅芯線為0.002Ω；回拖時(shí)能承受的最大拉力：不銹鋼金屬絲為2150N，銅芯線為2400N。

在近期市政燃?xì)夤艿拦こ淌┕ぶ校钲谌細(xì)夤镜?5處定向鉆施工均采用了銅芯線示蹤線，共計(jì)敷設(shè)各種管徑的燃?xì)夤艿?200余米。對(duì)在定向鉆工藝中采用銅芯示蹤線的燃?xì)夤艿拦こ踢M(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，采用英國(guó)雷迪公司的RD4000產(chǎn)品進(jìn)行探測(cè)，結(jié)果顯示能有效地探測(cè)到電磁場(chǎng)信號(hào)。

4 結(jié)論

①電磁法探測(cè)示蹤線的首選方法為主動(dòng)源法，它具有信號(hào)強(qiáng)、探測(cè)精度高、不受鄰近管線干擾等優(yōu)點(diǎn)。②定向鉆工藝中，示蹤線宜選用2根截面積不小于2.5mm2的銅芯。敷設(shè)時(shí)，示蹤線平行管道固定于管頂，不宜纏繞于管道上或兩根示蹤線分散于管道截面圓周敷設(shè)。③定向鉆兩端應(yīng)設(shè)置拉線井，銅芯示蹤線應(yīng)與不銹鋼金屬絲示蹤線可靠連接，并做好絕緣防腐處理。④以定向鉆工藝敷設(shè)的PE管道示蹤線的埋深較大時(shí)，除減小示蹤線電阻、接地電阻、系統(tǒng)電阻外，還應(yīng)提高發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，以提高信號(hào)強(qiáng)度，獲得更好的探測(cè)結(jié)果[4]。