基于BIM技术的水平定向钻机在复杂地质燃气管道铺设中的精准控制研究

前言：

随着全国居民用气需求的飞速上升，燃气管道铺设工程规模持续扩大。水平定向钻机技术是从石油钻井领域发展起来的先进技术，可以在地表不挖槽的情况下回转钻进成孔，广泛应用于燃气管道施工领域。研究基于BIM 技术的水平定向钻机的精准控制，可以突破复杂地质限制，提高燃气管道铺设效率。但是，当前关于 BIM技术的水平定向钻处于实践初期，相关经验不足。因此，探究复杂地质燃气管道铺设中基于 BIM 技术的水平定向钻机精准控制具有非常重要的意义。

1 基于BIM 技术的水平定向钻机在复杂地质燃气管道铺设中的精准控制背景

一燃气管道铺设工程全长为34.2km，设计管径为711mm，压力为8MPa，输送能力为33³108m3/年。工程沿线区域地貌以黄土塬、梁为主，局部管段穿越耕地、灌木林地、湿地以及河流。施工要求以水平定向钻形式穿越铺管，管段地下水埋深为 7m～9m ，管道埋设位于地下水位之上，地质条件高度复杂。

2 基于BIM 技术的水平定向钻机在复杂地质燃气管道铺设中的精准控制要点

2.1 无人机倾斜摄影

无人机倾斜摄影是基于 BIM 技术的水平定向钻机精准控制的依据，负责还原燃气管道铺设场地复杂地貌。在无人机倾斜摄影前，围绕燃气管道铺设场地，依据 70^∘ ±10^∘ 的主航线角度，设置若干密集飞行航线，便于无人机自动往返采集图片，每条航线拍摄约150 张照片。

在无人机倾斜摄影时，设定旁向重叠率、航拍重叠率分别为 80%、90%，倾斜航向重叠率、旁向重叠率均为80%，调整无人机起飞速度为 10m/s ，拍照高度为100m，航线飞行速度为5m/s。在无人机倾斜摄影后，将每条航线拍摄照片导入Dji Terra 软件，选择高辨识率的三维模型，生成精准控制的燃气管道铺设地貌模型。紧接着，从Dji Terra 软件中导出obj 格式的燃气管道铺设地貌文件，经3DsMax 软件转换为.ifc 格式。

2.2 平面图导入 BIM 软件

在获得.ifc 格式的燃气管道铺设场地地貌文件后，链接至BIM 软件（多为Revit 软件或Micro Station 软件、Civil3D）内，精准整合燃气管道 地原始地貌与BIM 模型 。同时，在世界坐标系内，将燃气管道铺设路径、水平定向钻机钻进轮廓线、 及详勘钻孔点位信息整合到 CA （Computer Aided Design，计算机辅助设计）平面图内，将平面图导 在导入 ⋯m^′′ ”，定位选择“中心到中心”，便于后续添加燃气管道铺设场地图形无 钻孔点位，则按梅花形布置，间距为 2m，补充勘查点位按正多边形布置，间距为5m，深度均为深入燃气管道铺设底板下3m

2.3 建立多类型 BIM 模型

1）在燃气管道铺设场地平面图导入BIM 软件后，进入施工现场，核对燃气管道铺设走向、埋深，采集燃气管道坐标点位，结合设计方提供的场地周边燃气管网 CAD 图纸资料，构建与现场一致的燃气管道 BIM 模型。在BIM 模型界面俯视图内，利用闭合线条拉伸的方式，绘制周边建筑物、构筑物、道路等场景，并标注燃气管线标高、图层，获得燃气管道铺设周边环境原始模型。同理，在 BIM 模型界面正视图中，利用放样命令，绘制燃气管道断面轮廓，并利用不同颜色区分，获得带管道信息的BIM 模型。

2）在带管道信息的 BIM 模型内，整合区间详勘钻孔纵断面图、线路纵剖图和带钻孔编号的平面图。随后，拉伸燃气管道铺设场地每层地层，设置不同的图层颜色。在整合后，分别在俯视图、正视图内，绘制燃气管道铺设线条标高、断面轮廓，并借助放样命令自动识别燃气管道铺设线路，获得带周边环境、复杂地层和燃气管道铺设位置的位置关系模型。

3）在带位置关系的BIM 模型内，利用“中心到中心”的方式，自动重合CAD 平面图详勘钻孔点位与补勘点位。随后，基于“点－面－体”的模式，利用高低不规则的钻孔取芯信息，集成地质钻孔数据、原始测量数据，排除异常点，借助 BIM 软件曲面创建功能，将纵断面、装配与燃气管道铺设平面路线信息归整到地质层曲面。在生成三维地形曲面后，利用不同颜色标注不同图层，获得现场详勘与周边环境结合的BIM 模型。

3 基于BIM 技术的水平定向钻机在复杂地质燃气管道铺设中的精准控制实践

3.1 精准控制燃气管道铺设结构

在燃气管道铺设 BIM 模型构建后，结合复杂地质燃气管道铺设过程监测方案，分别在燃气管道铺设截面顶部、底部与腰部建立速度传感器模型、位移传感器模型，实现基于 BIM 技术的复杂地质燃气管道铺设信息化无死角监测。比如，前文所述燃气管道铺设全长为 34.2km，可以借助BIM 模型加载速度传感器模型、位移传感器模型，沿着燃气管道铺设壁施加随时间变化的压力荷载，全程监测交叉段管道铺设截面顶部、底部、腰部的位置，分析水平定向钻机施工对燃气管道铺设结构的影响，为施工过程精准控制提供依据。

3.2 水平定向钻进碰撞检测

在水平定向钻进过程中，以传感器图元为输入，将传感器图元提取监测信息导入 BIM 软件，自动对比监测值与控制值，及时发现水平定向钻机碰撞风险，并自动保存预警视图，为水平定向钻机钻进方案的优化提供依据。比如，将详勘、补勘与燃气管道铺设周边其他地下管线模型导入Navisworks 软件内，开始水平定向钻机钻进碰撞检测，观察高亮显示碰撞点，记录碰撞图元编号，调整相应编号的施工方案，避免水平定向钻机钻孔与周边环境管线碰撞问题。

总结：

综上所述，燃气管道铺设地质复杂，不仅需要穿越耕地、灌木林地，而且需要穿越河流。在复杂地质燃气管道铺设前，可以借助无人机倾斜摄影还原地质地貌，将无人机倾斜摄影图片与 CAD 信息导入 BIM 软件，构建现场 BIM 模型，在模型内分析燃气管道铺设结构，开展水平定向钻机钻进过程的碰撞分析，实现燃气管道铺设过程三维精准定位、控制，确保施工安全质量达标。

参考文献：

[1] 黄少烈, 赵亚军, 吕朋, 等.BIM 辅助多管线场地溶洞钻孔填充管控技术[J]. 施工技术( 中英文),2024,53(13):120-126.

[2]戴成林,孔丹丹,庞浩,等.水平定向钻在穿越复杂地质条件下的纠偏技术研究[J].现代工程科技,2025,4(12):81-84.

[3] 陈敏捷, 王创, 楚兴华, 等.BIM 技术在隧道施工仿真及信息化监测中的应用研究[J]. 市政技术,2022,40(08):177-182.

作者简介：李洪松（1987.6-）；男；汉族；山东泰安人；本科；泰安阿吉斯管线工程有限公司