刘可 任树磊 刘维迎

山东港联化管道石油输送有限公司

 

摘要：定向钻穿越技术因其导向准确、施工周期短、综合成本低等优势，被广泛应用于河流、道路及复杂地形区域的管道穿越施工。但因地面情况复杂、现有管线探测仪精度有限等问题，难以准确判断定向钻穿越段的管道埋深及位置，导致其他施工作业频繁损坏穿越段管道。本文基于内检测高程数据与RTK测量相结合的埋深计算方法、“浅点探坑实测埋深+多点位测距模拟穿越弧度+设计施工图对比”三重验证方法，通过双重计算与多重验证相结合的方式能够显著提高管道埋深定位的准确性，为定向钻穿越段管道的安全施工提供有力技术保障。

关键词：定向钻穿越；管道定位；内检测；RTK测量；埋深复核

 

定向钻穿越是一种非开挖管道施工技术，通过导向孔精确引导，实现管道在地下一定深度和曲率范围内的穿越铺设。相比传统的开挖穿越，该技术具有地表破坏小、施工效率高、环境影响低等显著优势，已成为跨越大型河流、铁路、公路及人口密集区的主要施工方式，特别适用于大口径、长距离管道穿越工程。但穿越区域地面情况复杂（如河床变化、地形改造、建筑物占压等），加之现有管线探测仪器在复杂地质条件下精度不足，定向钻穿越段管道的位置和埋深数据往往与原始设计施工资料存在较大偏差，给管道安全管理带来了严重隐患。因此，研究建立一套科学有效的定向钻穿越管道精准定位技术，对于保障管道安全运行、防范第三方施工损坏具有重要的工程应用价值和理论意义。

1  定向钻穿越段管道事故案例

加拿大定向钻施工损坏原油管道事故。2017年2月17日，加拿大GRP公司在开展定向钻施工作业时，因未准确掌握既有在役原油管道的位置及埋深信息，仅依据既有资料规划施工轨迹，导致钻头在穿越过程中损坏原油管道并引发泄漏，造成周边环境严重污染，涉事管道被迫停输抢修，造成巨大经济损失。

大连“7·16”原油管道泄漏事故。2010年7月16日，大连某建设公司在水平定向钻穿越施工中，未对地下既有原油管道进行详细现场勘查，盲目施工导致钻头钻透在役原油管道，不仅造成原油大量泄漏还引发燃烧事故，造成施工人员伤亡、周边环境严重污染，社会影响恶劣。

上述两起事故均源于第三方施工前未准确掌握管道位置和埋深信息，最终导致管道泄漏、污染。因此，管道准确定位是施工安全的核心前提，通过科学、全面的现场勘查或依靠有效的检测方法获取管道的精准定位数据，才能从源头规避事故。

2  定向钻穿越段管道定位的难点分析

2.1  定向钻穿越管道的技术特点

定向钻穿越管道相较于普通埋地管道具有显著特点：①埋深较大。定向钻穿越段管道的埋深通常在地面以下5～50米之间，以适应河流、公路等障碍物的跨越需求。②曲率复杂。管道在采用弹性敷设时，穿越管段曲率半径不宜小于1500倍钢管外径，且不应小于1200倍钢管外径。③穿越距离长。大型定向钻穿越工程的一次性穿越长度可达数千米，如穿越黄河、长江等大型河流的管道，穿越长度往往超过千米级别。④地质条件复杂。定向钻穿越区域通常涉及多种地质条件，包括河床卵石层、砂层、黏土层、高水位区域等，对管道探测信号产生干扰。

2.2  现有管道探测技术的局限性

目前，管道运营单位普遍采用管线探测仪进行管道位置和埋深检测。①电磁感应法管线探测仪。利用发射机向管道施加特定频率的电磁信号，通过接收机检测管道产生的电磁异常来确定管道位置。该方法在管道埋深较大、金属管道规格不标准/非连续/非规则的情况下定位精度明显下降。②探地雷达探测法。采用探地雷达向地下发射高频电磁波，通过接收反射信号成像识别管道位置。该方法对土壤含水量敏感，在水位较高的穿越区域（如河床下方）探测效果较差。③声波定位法。通过激发管道振动或声波信号进行定位，但受环境噪声干扰大，在复杂城区或工业区域应用受限。

上述探测方法在普通埋地管道检测中尚能满足精度要求，但因定向钻穿越段管道埋深大、曲率复杂、地质条件特殊等因素，探测误差通常在1～3米甚至更大，难以满足安全施工的精度需求。

2.3  数据偏差的主要成因

定向钻穿越段管道位置和埋深数据出现偏差的主要原因包括：①施工误差。施工过程中的导向控制、扩孔、清管等环节均存在一定误差，管道实际敷设位置与设计轴线之间存在偏差。②地质变化。穿越区域的地质条件在管道运营期间可能发生变化，如河流冲刷、河床下切、地面沉降等，导致管道实际埋深与原始数据不符。③测量基准差异。设计施工阶段与运营管理阶段采用的测量基准可能存在差异，如坐标系统、高程基准的不统一，造成数据比对困难。④资料管理问题。部分早期建设的管道工程资料不全或精度不高，竣工测量数据与实际情况存在出入。

3  定向钻穿越段管道精准定位方法

针对定向钻穿越段管道定位的技术难题，本文系统总结了两套实用的精准定位复核方法，通过实际工程应用验证，能够显著提高管道埋深和位置数据的准确性。

3.1  内检测高程数据+RTK测量法

（1）方法原理

其核心思路是利用管道内检测技术获取的管道高程数据，结合RTK（实时动态载波相位差分技术）现场测量数据，通过两组数据的叠加计算，求得管道在指定点的实际埋深（图 1）。管道内检测器在管道内部运行时，通过自身携带的惯性测量单元（IMU）、里程轮等传感器，可以精确记录管道内每一个检测点相对于某一基准点的高程值，这一高程值表示的是管道中心点相对于某一高程基准面的高度。RTK测量技术则可以实时获取测量点位的三维坐标信息，精度可达厘米级。当已知管道某一点的内检测高程数据后，可以通过RTK技术找到该点在地面上的精确位置，并获取该点的地面高程，最后按照式（1）计算管道实际埋深：

管道实际埋深＝RTK测量地面高程－内检测管道高程（1）

式中：RTK测量地面高程为RTK基准站获取的测量点地面高程（正常高或正高）；内检测管道高程为内检测记录的代表管道中心点的高程数据。

图 1 内检测高程数据+RTK测量法原理示意图

（2）操作步骤

第一步：内检测数据准备。收集管道内检测报告，提取定向钻穿越段的管道高程数据。需要注意的是，内检测数据中的高程通常采用管道里程作为索引，应选取穿越段管道特征点（如入土点、出土点、穿越中点等）的高程数据作为计算基准。

第二步：RTK现场找点。根据内检测数据中的里程位置，使用RTK移动站在管道上方进行定位。由于内检测数据包含了精确的里程信息，可以将RTK移动站调至内检测记录的特征点里程位置，通过不断调整移动站位置，使RTK显示的里程与内检测里程相吻合，此时即找到了内检测记录的特征点在地面上的投影位置。

第三步：高程数据采集。在找到的特征点位置停下RTK移动站，获取该点的地面高程数据。由于RTK测量获取的是WGS84坐标系下的椭球高，需要通过当地坐标转换参数将其转换为正常高（如85国家高程基准）。

第四步：埋深计算。将RTK测量的地面高程与内检测记录的管道高程相减，即可得到该点管道的实际埋深。为提高计算精度，可选取穿越段多个特征点进行计算。

（3）主要优势

数据精度高。内检测高程数据精度可达毫米级，RTK测量精度可达厘米级，两者结合可以获得较高的埋深计算精度。

无需开挖。整个测量过程无需破坏地面或开挖管沟，不影响管道正常运行。

可重复验证。内检测数据和RTK测量数据均可重复获取，便于进行数据校核。

该方法适用于已进行过内检测的管道，特别是内检测数据完整、质量可靠的管道，尚未开展内检测的管道则受限。

3.2  三重验证法

（1）方法原理

三重验证法是一种综合性的管道埋深确认方法，通过三种不同技术手段的交叉验证，确保管道位置和埋深数据的准确可靠。

第一重：阶梯探坑实测埋深。首先在开挖段向定向钻段实测管道埋深，当管线探测仪稳定数值达到测量界限时开挖管道，每向下开挖1米测量一次管道埋深，结合定向钻走向，呈阶梯式逐级向下开挖，确保管线探测仪取值稳定、有效，最终确认需测量的点位（图 2）。该方法是最直接、最可靠的埋深测量方法，但开挖工作量较大。

图 2 阶梯探坑实测埋深法原理示意图

第二重：多点位测距模拟穿越弧度。在管道穿越段上方布设多个测量点位，使用管线探测仪或RTK技术获取各点位管道的水平位置和埋深数据。通过多个点位的数据可以拟合绘制出管道在穿越段的实际轴线形态，模拟管道的弯曲弧度，验证管道埋深数据的合理性。

第三重：设计、施工图对比。将实测数据与管道设计文件、施工竣工图进行比对分析，查找数据差异原因，验证实测数据的准确性和可信度。设计、施工竣工图记录了管道的设计参数和竣工状态，是管道数据的重要参考来源。

（2）操作步骤

第一步：阶梯探坑实测。根据管线探测仪初步定位结果，在管道上方选择适当位置开挖探坑。探坑尺寸以能容纳测量人员下坑操作为宜，坑底应平整。测量管道顶部至第一阶梯地面的垂直距离，记录实测埋深数据。再逐级向下开挖，记录每一阶层的深度，确保每次数值准确，无波动，直至达到需测量点位。

第二步：多点位测距。在穿越段管道上方按照一定间距布设多个测量点位（一般不少于5个点位），使用管线探测仪逐点测量管道的水平位置和相对埋深。将各测点的水平位置和埋深数据录入计算机，绘制管道轴线散点图。通过曲线拟合方法模拟管道的穿越弧度，验证各测点数据的连续性和合理性。

第三步：设计、施工图对比。收集管道穿越段的设计文件、施工竣工图、内检测报告等技术资料，将实测数据与设计施工数据进行逐项比对。分析数据差异的原因，评估实测数据的准确程度。

第四步：综合判定。综合三项验证结果对管道位置和埋深数据进行分析判定。如三项验证结果一致性较好，则数据可信度高；如存在明显差异，应分析原因，必要时补充探测或重新验证。

（3）主要优势

三种方法相互印证，能有效识别和排除异常数据，提高数据可信度。通过综合分析可发现管道可能存在的变形、位移等异常情况，发现问题比较全面。不依赖内检测数据，各类管道均可应用，如各类定向钻穿越段管道的数据复核，特别是对数据精度要求高、地质条件复杂的穿越段。此外，由于包含开挖探坑作业，该方法还适用于需要精确数据的重要穿越段或疑似存在数据偏差的管段。

3.3  双重计算与综合应用

在实际工程应用中，建议将上述两种方法结合使用，形成“双重计算+多重验证”的技术体系，以获得更加可靠和全面的管道位置、埋深数据。具体应用流程：首先收集管道内检测数据、设计施工资料等基础数据；其次采用方法一（内检测+RTK）进行快速定位复核，获取初步计算结果；然后采用方法二（三重验证）对关键点或存在疑问的管段进行详细探测；最后对两种方法的结果进行比对分析，综合判定管道数据的最终结果。

4  应用实例

某长输管道工程穿越某公路采用定向钻施工方式，穿越长度约431米，管道直径713毫米，壁厚13.2毫米，设计埋深（公路下）约13～15米。因地方市政建设需要在管道穿越段附近进行新的管道施工作业，亟需准确掌握既有管道的精确位置和埋深数据。

内检测数据提取。收集该管道内检测报告，提取定向钻穿越段的管道高程数据。根据内检测记录，穿越段管道高程范围为﹣6.6～﹣8.3米（相对于当地高程基准）。

RTK现场测量。根据内检测里程数据，使用RTK移动站在管道上方进行定位测量。在穿越段选取5个特征点进行测量，获取各点的地面高程数据。

三重验证。在管道穿越段选取2个代表性位置进行浅点阶梯探坑开挖，实测埋深分别为8.7米和12.5米，与RTK计算结果基本吻合。同时开展多点位测距，模拟管道穿越弧度，与设计曲线基本一致（表 1）。

表 1 RTK现场测量与三重验证量化对比

综合判定。综合内检测+RTK计算结果与三重验证结果，确定管道在穿越段的实际埋深为13～15米之间，与设计埋深基本相符，为第三方施工单位提供了准确可靠的管道位置和埋深信息，有效指导了施工安全，未发生管道被钻透损坏的事件。

5  结论与建议

针对长输管道定向钻穿越段位置和埋深数据难以准确获取的技术难题，系统总结了两种精准定位复核方法，并通过工程应用验证了其有效性和实用性。基于内检测高程数据与RTK测量相结合的方法，能够充分利用内检测技术的高精度优势，实现管道埋深的快速准确计算，为管道数据复核提供了有效技术手段。“阶梯探坑实测埋深+多点位测距模拟穿越弧度+设计施工图对比”的三重验证方法，通过多种技术手段的交叉验证，能够全面提高数据可靠性，适用于各类定向钻穿越管道的数据复核。双重计算与多重验证相结合的技术体系，能够从不同角度、不同层面对管道数据进行校核验证，形成完整可靠的数据成果，为定向钻穿越段管道的安全施工管理提供有力技术支撑。

随着管道智能化技术的发展，建议进一步开展相关技术研究工作。一是智能化探测技术，研发适用于复杂地质条件的高精度管道探测装备，提高定向钻穿越段管道探测的自动化和智能化水平。二是数字孪生管道，建立管道数字孪生模型，集成内检测、外检测、实时监测等多源数据，实现管道全生命周期的数据管理和可视化展示。三是预警监测系统，基于物联网和大数据技术，建立管道周边施工活动的智能预警监测系统，实现第三方施工风险的主动防控。

 

作者简介：刘可，1997年生，本科，中级工程师，主要从事管道完整性管理及管道保护工作。联系方式：13012401320，584825317@qq.com。