管道工程數(shù)字測繪關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用
——以西氣東輸配套燃?xì)夤こ虨槔?/h1>
2020-03-24 08:54:46謝裕群
資源導(dǎo)刊(信息化測繪) 2020年2期
謝裕群
(平遠(yuǎn)縣自然資源局，廣東 平遠(yuǎn) 514600)
1 引言
近年來，國家大型天然氣、石油等長輸管道工程建設(shè)為管道測繪的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間。管道測繪從單一的地面測量轉(zhuǎn)變?yōu)楹娇諗z影測量、衛(wèi)星遙感與地面測量并用的模式[1]。管道數(shù)字化測繪是發(fā)展智慧化管道的重要基礎(chǔ)，管道位置信息是建設(shè)數(shù)字化管道的重要內(nèi)容[2]。然而，長輸管道途經(jīng)城市人口密集區(qū)、河流、公路、鐵路，安全風(fēng)險(xiǎn)管控難度大，如果管道失效，發(fā)生泄漏、爆炸等事故，會(huì)造成巨大損失，污染水源和自然環(huán)境[3]。因此，摸清管道規(guī)模、位置關(guān)系、功能屬性、產(chǎn)權(quán)歸屬、運(yùn)行年限等基本信息是智能化管線建設(shè)的基礎(chǔ)。本文以西氣東輸工程某管道工程測繪項(xiàng)目為例，研究總結(jié)了管道工程測繪尤其是施工測繪的基本內(nèi)涵和關(guān)鍵技術(shù)，以期為同類工程的實(shí)施提供參考和借鑒。
2 管道測繪關(guān)鍵方法及技術(shù)
2.1 控制測量
天然氣管道工程控制測量包括平面控制測量和高程控制測量。平面控制測量包括首級(jí)平面控制測量和線路平面控制測量。根據(jù)《工程測量規(guī)范》（GB 50026—2007）及相關(guān)測量規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，采用GNSS 進(jìn)行平面靜態(tài)觀測。在天然氣線路控制測量中，當(dāng)國家等級(jí)點(diǎn)密度不能滿足線路聯(lián)測需要時(shí)，先進(jìn)行國家等級(jí)點(diǎn)加密控制測量，加密控制網(wǎng)可視為線路的首級(jí)控制網(wǎng)。首級(jí)控制網(wǎng)沿線路按點(diǎn)對(duì)布設(shè)，構(gòu)成四邊形或大地四邊形組成的帶狀網(wǎng)。點(diǎn)對(duì)間的距離一般為8 ～15 km，最長不超過20 km；組成點(diǎn)對(duì)的兩點(diǎn)間相互通視，間距不小于400 m[4-5]。線路控制測量，以GNSS 加密點(diǎn)或國家四等及以上的等級(jí)點(diǎn)為起算點(diǎn)布網(wǎng)，線路GNSS 控制點(diǎn)的間距通常是200 ～500 m。其測量精度等級(jí)滿足《油氣輸送管道工程測量規(guī)范》（GB/T 50539—2009）中規(guī)定的E 級(jí)要求[6]。
高程控制測量主要有三角高程測量和水準(zhǔn)測量兩種方式。在地勢(shì)起伏較大的地方，可以采用三角高程測量代替水準(zhǔn)測量，以提高作業(yè)效率；對(duì)于地勢(shì)平坦、通視良好區(qū)域，采用水準(zhǔn)測量方法能夠保證較高精度。相關(guān)研究表明，通過改進(jìn)儀器、作業(yè)流程和方法，三角高程測量可以替代二等水準(zhǔn)測量，在特定條件下能達(dá)到一等水準(zhǔn)測量的要求[7-8]。
2.2 投影坐標(biāo)系到工程坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換
控制測量成果多采用投影坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系，通常沿管道前進(jìn)方向和垂直管道前進(jìn)方向建立工程坐標(biāo)系，以便施工放樣。因而，需要確定這兩套坐標(biāo)系的關(guān)系，建立投影坐標(biāo)系到工程坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型[8]。施工坐標(biāo)與測量坐標(biāo)的換算如圖1 所示。
圖1 施工坐標(biāo)與測量坐標(biāo)的換算
設(shè)P點(diǎn)的施工坐標(biāo)為投影坐標(biāo)系坐標(biāo)為（xP，yP），θ為放樣直線段的方位角，則兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如公式（1）所示。
通常情況下，在保證變形最小的前提下，可以采用最小二乘法原理計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。工程中可靈活計(jì)算各樁點(diǎn)的工程坐標(biāo)，便于開展開槽口放樣、坡度控制、頂管測量、斷面測量等工作。
2.3 槽口放線
利用RTK 和全站儀相結(jié)合的方法進(jìn)行槽口放線。橫斷面比較平坦時(shí)，設(shè)中線到開挖邊線的距離為B（稱為槽口半寬），則槽口寬度2B可按公式（2）計(jì)算。平坦槽口開挖示意圖如圖2所示。
橫斷面高度變化較大時(shí)，中線兩側(cè)槽口寬度不一致，如果溝槽開挖較深，則常需變坡分級(jí)開挖，開槽寬度如公式（3），坡度較大槽口開挖示意圖如圖3所示。
2.4坡度控制標(biāo)志的測設(shè)
坡度板法是坡度控制標(biāo)志測設(shè)常用的方法，通過控制中線和構(gòu)筑物的位置，掌握管道設(shè)計(jì)高程，從而進(jìn)行跨槽埋設(shè)。（1）設(shè)置坡度板。根據(jù)工程進(jìn)度要求及時(shí)埋設(shè)坡度板，當(dāng)槽深在2.5 m 以內(nèi)時(shí)，應(yīng)于開槽前在槽口每隔10～15 m 埋設(shè)一塊。（2）投測中線。坡度板埋好后用經(jīng)緯儀將管道中心線投測到板頂面，并釘中線釘。其中，中線釘連線即為管道的中線方向。通過在中線釘或其連線上懸掛垂球?qū)⒅芯€位置投影到管溝內(nèi)。（3）測設(shè)坡度釘。為控制管道埋深，根據(jù)施工場地附近水準(zhǔn)點(diǎn)，測定各坡度板頂面高程H板頂。再結(jié)合管底設(shè)計(jì)標(biāo)高H管底和預(yù)先確定的下返系數(shù)c，計(jì)算每個(gè)板頂應(yīng)向下或向上的調(diào)整數(shù)δ，根據(jù)δ值在高程板上釘設(shè)坡度釘，使之到管底設(shè)計(jì)標(biāo)高的垂距為c。
當(dāng)δ為“+”時(shí)，自坡度板頂向上調(diào)整；反之向下調(diào)整，并釘坡度釘，及時(shí)掌握槽底和基礎(chǔ)面施工高程。
2.5頂管施工測量
在管道穿越鐵路、公路、河流或建筑物時(shí)，由于不能或不允許開槽施工，故采用頂管施工。首先，建立施工段面地上和地下控制測量系統(tǒng)。其次，根據(jù)待施工管道設(shè)計(jì)施工圖提供的坐標(biāo)，利用光學(xué)經(jīng)緯儀控制頂管軸線方位，用GNSS或全站儀確定工作坑位置和頂管起止點(diǎn)，利用水準(zhǔn)儀和全站儀三角高程聯(lián)合測量地下頂管推進(jìn)高程[9]。同時(shí)，在每一步的測量中，結(jié)合使用動(dòng)態(tài)測量不斷復(fù)核預(yù)頂進(jìn)軸線和靜態(tài)測量，跟蹤測量激光點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行糾偏，校正頂進(jìn)方向[10]。
2.6基于AutoCAD的線路縱斷面測量
根據(jù)燃?xì)夤艿揽v斷面的繪制要求及AutoCAD軟件的特點(diǎn)，本文縱斷面繪制的框架主要有參數(shù)設(shè)置、采樣點(diǎn)繪制、縱斷面數(shù)據(jù)、縱斷面繪制[11]。（1）縱斷面繪制參數(shù)主要有表格設(shè)置（如表頭樣式、文字高度、內(nèi)容格式等）、斷面比例尺和線條顏色設(shè)置、地面標(biāo)高和埋深錄入設(shè)置等。（2）采樣點(diǎn)繪制用于表達(dá)燃?xì)夤芫€屬性及空間位置，如原始地面高程、管頂高程、管徑、埋深、距離等。（3）數(shù)據(jù)錄入時(shí)將外業(yè)測量的基本數(shù)據(jù)錄入即可，其他屬性項(xiàng)可根據(jù)各屬性項(xiàng)之間的關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。（4）獲取所有采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)并根據(jù)配置信息繪制斷面表格、斷面線、標(biāo)注等元素。
3 應(yīng)用實(shí)例
3.1 項(xiàng)目概況
某市西氣東輸中段某支線配套天然氣管道于2017年5 月開工建設(shè)，管線設(shè)計(jì)壓力為10 MPa，傳輸介質(zhì)為鋼管，管徑為600 mm，管線埋深1.5 m 左右，穿越城市主要干道及建筑物時(shí)頂管鋪設(shè)，部分地區(qū)開槽鋪設(shè)和架空鋪設(shè)，實(shí)現(xiàn)管道工程合理化運(yùn)營。
3.2 GNSS 控制測量
根據(jù)燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)路線，合理布局覆蓋該任務(wù)區(qū)的D 級(jí)GNSS 控制網(wǎng)。其中，使用四臺(tái)徠卡GNSS 接收機(jī)，通過靜態(tài)測量觀測1 個(gè)時(shí)段60 分鐘。同時(shí)做好觀測記錄和點(diǎn)之記。對(duì)觀測結(jié)果進(jìn)行基線解算和無約束平差，獲得WGS84 坐標(biāo)成果，若匹配成果精度滿足相關(guān)要求，則輸出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，以便后期RTK 測量使用[12]。根據(jù)《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》，使用高程擬合的方法獲得高程。項(xiàng)目通過靜態(tài)觀測聯(lián)測13 個(gè)GNSS首級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行平差[12]，精度如表1 所示；聯(lián)測7 個(gè)已知點(diǎn)進(jìn)行經(jīng)典三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，精度如表2 所示。
表1 精度統(tǒng)計(jì)
表2 精度統(tǒng)計(jì)
為了后期施工方便，需要將加密控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換為工程坐標(biāo)用于后續(xù)放樣過程。
3.3 管道地形及縱斷面測量
管道工程地形測量過程中一般采用多元化測繪模式，測圖比例尺為1∶2000 ～1∶500，其技術(shù)要求同油氣田地形圖測繪一致。獲取的基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)應(yīng)用在可行性研究、初步設(shè)計(jì)到施工圖設(shè)計(jì)等各個(gè)階段，多種測繪產(chǎn)品的應(yīng)用給管道線路選擇和優(yōu)化、施工圖設(shè)計(jì)及施工招標(biāo)提供了豐富的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)。
線路縱斷面測量在管道鋪設(shè)前及鋪設(shè)過程中采用GNSS-RTK 直接測量原始地形平面坐標(biāo)及高程信息，并記錄此點(diǎn)的埋深、管徑等信息。在AutoCAD 中錄入采樣點(diǎn)，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，使用LongitudinalSection 命令快速繪制縱斷面圖，如圖4 所示。
4 結(jié)語
圖4 管線縱斷面圖（局部）
隨著城市地下空間的發(fā)展，地下管線的數(shù)量及種類不斷增多，合理選擇管道測量方法及技術(shù)至關(guān)重要。本文對(duì)管道工程開槽鋪設(shè)和頂管鋪設(shè)的數(shù)字測繪各項(xiàng)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和探討，并以西氣東輸支線某標(biāo)段配套工程為例，對(duì)各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，效果良好，為地下管線的科學(xué)配套鋪設(shè)提供借鑒，促進(jìn)城市管線工程的穩(wěn)定發(fā)展。
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2 管道測繪關(guān)鍵方法及技術(shù)
2.1 控制測量
天然氣管道工程控制測量包括平面控制測量和高程控制測量。平面控制測量包括首級(jí)平面控制測量和線路平面控制測量。根據(jù)《工程測量規(guī)范》（GB 50026—2007）及相關(guān)測量規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，采用GNSS 進(jìn)行平面靜態(tài)觀測。在天然氣線路控制測量中，當(dāng)國家等級(jí)點(diǎn)密度不能滿足線路聯(lián)測需要時(shí)，先進(jìn)行國家等級(jí)點(diǎn)加密控制測量，加密控制網(wǎng)可視為線路的首級(jí)控制網(wǎng)。首級(jí)控制網(wǎng)沿線路按點(diǎn)對(duì)布設(shè)，構(gòu)成四邊形或大地四邊形組成的帶狀網(wǎng)。點(diǎn)對(duì)間的距離一般為8 ～15 km，最長不超過20 km；組成點(diǎn)對(duì)的兩點(diǎn)間相互通視，間距不小于400 m[4-5]。線路控制測量，以GNSS 加密點(diǎn)或國家四等及以上的等級(jí)點(diǎn)為起算點(diǎn)布網(wǎng)，線路GNSS 控制點(diǎn)的間距通常是200 ～500 m。其測量精度等級(jí)滿足《油氣輸送管道工程測量規(guī)范》（GB/T 50539—2009）中規(guī)定的E 級(jí)要求[6]。
高程控制測量主要有三角高程測量和水準(zhǔn)測量兩種方式。在地勢(shì)起伏較大的地方，可以采用三角高程測量代替水準(zhǔn)測量，以提高作業(yè)效率；對(duì)于地勢(shì)平坦、通視良好區(qū)域，采用水準(zhǔn)測量方法能夠保證較高精度。相關(guān)研究表明，通過改進(jìn)儀器、作業(yè)流程和方法，三角高程測量可以替代二等水準(zhǔn)測量，在特定條件下能達(dá)到一等水準(zhǔn)測量的要求[7-8]。
2.2 投影坐標(biāo)系到工程坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換
控制測量成果多采用投影坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系，通常沿管道前進(jìn)方向和垂直管道前進(jìn)方向建立工程坐標(biāo)系，以便施工放樣。因而，需要確定這兩套坐標(biāo)系的關(guān)系，建立投影坐標(biāo)系到工程坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型[8]。施工坐標(biāo)與測量坐標(biāo)的換算如圖1 所示。
圖1 施工坐標(biāo)與測量坐標(biāo)的換算
設(shè)P點(diǎn)的施工坐標(biāo)為投影坐標(biāo)系坐標(biāo)為（xP，yP），θ為放樣直線段的方位角，則兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如公式（1）所示。
通常情況下，在保證變形最小的前提下，可以采用最小二乘法原理計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。工程中可靈活計(jì)算各樁點(diǎn)的工程坐標(biāo)，便于開展開槽口放樣、坡度控制、頂管測量、斷面測量等工作。
2.3 槽口放線
利用RTK 和全站儀相結(jié)合的方法進(jìn)行槽口放線。橫斷面比較平坦時(shí)，設(shè)中線到開挖邊線的距離為B（稱為槽口半寬），則槽口寬度2B可按公式（2）計(jì)算。平坦槽口開挖示意圖如圖2所示。
橫斷面高度變化較大時(shí)，中線兩側(cè)槽口寬度不一致，如果溝槽開挖較深，則常需變坡分級(jí)開挖，開槽寬度如公式（3），坡度較大槽口開挖示意圖如圖3所示。
2.4坡度控制標(biāo)志的測設(shè)
坡度板法是坡度控制標(biāo)志測設(shè)常用的方法，通過控制中線和構(gòu)筑物的位置，掌握管道設(shè)計(jì)高程，從而進(jìn)行跨槽埋設(shè)。（1）設(shè)置坡度板。根據(jù)工程進(jìn)度要求及時(shí)埋設(shè)坡度板，當(dāng)槽深在2.5 m 以內(nèi)時(shí)，應(yīng)于開槽前在槽口每隔10～15 m 埋設(shè)一塊。（2）投測中線。坡度板埋好后用經(jīng)緯儀將管道中心線投測到板頂面，并釘中線釘。其中，中線釘連線即為管道的中線方向。通過在中線釘或其連線上懸掛垂球?qū)⒅芯€位置投影到管溝內(nèi)。（3）測設(shè)坡度釘。為控制管道埋深，根據(jù)施工場地附近水準(zhǔn)點(diǎn)，測定各坡度板頂面高程H板頂。再結(jié)合管底設(shè)計(jì)標(biāo)高H管底和預(yù)先確定的下返系數(shù)c，計(jì)算每個(gè)板頂應(yīng)向下或向上的調(diào)整數(shù)δ，根據(jù)δ值在高程板上釘設(shè)坡度釘，使之到管底設(shè)計(jì)標(biāo)高的垂距為c。
當(dāng)δ為“+”時(shí)，自坡度板頂向上調(diào)整；反之向下調(diào)整，并釘坡度釘，及時(shí)掌握槽底和基礎(chǔ)面施工高程。
2.5頂管施工測量
在管道穿越鐵路、公路、河流或建筑物時(shí)，由于不能或不允許開槽施工，故采用頂管施工。首先，建立施工段面地上和地下控制測量系統(tǒng)。其次，根據(jù)待施工管道設(shè)計(jì)施工圖提供的坐標(biāo)，利用光學(xué)經(jīng)緯儀控制頂管軸線方位，用GNSS或全站儀確定工作坑位置和頂管起止點(diǎn)，利用水準(zhǔn)儀和全站儀三角高程聯(lián)合測量地下頂管推進(jìn)高程[9]。同時(shí)，在每一步的測量中，結(jié)合使用動(dòng)態(tài)測量不斷復(fù)核預(yù)頂進(jìn)軸線和靜態(tài)測量，跟蹤測量激光點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行糾偏，校正頂進(jìn)方向[10]。
2.6基于AutoCAD的線路縱斷面測量
根據(jù)燃?xì)夤艿揽v斷面的繪制要求及AutoCAD軟件的特點(diǎn)，本文縱斷面繪制的框架主要有參數(shù)設(shè)置、采樣點(diǎn)繪制、縱斷面數(shù)據(jù)、縱斷面繪制[11]。（1）縱斷面繪制參數(shù)主要有表格設(shè)置（如表頭樣式、文字高度、內(nèi)容格式等）、斷面比例尺和線條顏色設(shè)置、地面標(biāo)高和埋深錄入設(shè)置等。（2）采樣點(diǎn)繪制用于表達(dá)燃?xì)夤芫€屬性及空間位置，如原始地面高程、管頂高程、管徑、埋深、距離等。（3）數(shù)據(jù)錄入時(shí)將外業(yè)測量的基本數(shù)據(jù)錄入即可，其他屬性項(xiàng)可根據(jù)各屬性項(xiàng)之間的關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。（4）獲取所有采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)并根據(jù)配置信息繪制斷面表格、斷面線、標(biāo)注等元素。
3 應(yīng)用實(shí)例
3.1 項(xiàng)目概況
某市西氣東輸中段某支線配套天然氣管道于2017年5 月開工建設(shè)，管線設(shè)計(jì)壓力為10 MPa，傳輸介質(zhì)為鋼管，管徑為600 mm，管線埋深1.5 m 左右，穿越城市主要干道及建筑物時(shí)頂管鋪設(shè)，部分地區(qū)開槽鋪設(shè)和架空鋪設(shè)，實(shí)現(xiàn)管道工程合理化運(yùn)營。
3.2 GNSS 控制測量
根據(jù)燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)路線，合理布局覆蓋該任務(wù)區(qū)的D 級(jí)GNSS 控制網(wǎng)。其中，使用四臺(tái)徠卡GNSS 接收機(jī)，通過靜態(tài)測量觀測1 個(gè)時(shí)段60 分鐘。同時(shí)做好觀測記錄和點(diǎn)之記。對(duì)觀測結(jié)果進(jìn)行基線解算和無約束平差，獲得WGS84 坐標(biāo)成果，若匹配成果精度滿足相關(guān)要求，則輸出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，以便后期RTK 測量使用[12]。根據(jù)《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》，使用高程擬合的方法獲得高程。項(xiàng)目通過靜態(tài)觀測聯(lián)測13 個(gè)GNSS首級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行平差[12]，精度如表1 所示；聯(lián)測7 個(gè)已知點(diǎn)進(jìn)行經(jīng)典三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，精度如表2 所示。
表1 精度統(tǒng)計(jì)
表2 精度統(tǒng)計(jì)
為了后期施工方便，需要將加密控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換為工程坐標(biāo)用于后續(xù)放樣過程。
3.3 管道地形及縱斷面測量
管道工程地形測量過程中一般采用多元化測繪模式，測圖比例尺為1∶2000 ～1∶500，其技術(shù)要求同油氣田地形圖測繪一致。獲取的基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)應(yīng)用在可行性研究、初步設(shè)計(jì)到施工圖設(shè)計(jì)等各個(gè)階段，多種測繪產(chǎn)品的應(yīng)用給管道線路選擇和優(yōu)化、施工圖設(shè)計(jì)及施工招標(biāo)提供了豐富的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)。
線路縱斷面測量在管道鋪設(shè)前及鋪設(shè)過程中采用GNSS-RTK 直接測量原始地形平面坐標(biāo)及高程信息，并記錄此點(diǎn)的埋深、管徑等信息。在AutoCAD 中錄入采樣點(diǎn)，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，使用LongitudinalSection 命令快速繪制縱斷面圖，如圖4 所示。
4 結(jié)語
圖4 管線縱斷面圖（局部）
隨著城市地下空間的發(fā)展，地下管線的數(shù)量及種類不斷增多，合理選擇管道測量方法及技術(shù)至關(guān)重要。本文對(duì)管道工程開槽鋪設(shè)和頂管鋪設(shè)的數(shù)字測繪各項(xiàng)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和探討，并以西氣東輸支線某標(biāo)段配套工程為例，對(duì)各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，效果良好，為地下管線的科學(xué)配套鋪設(shè)提供借鑒，促進(jìn)城市管線工程的穩(wěn)定發(fā)展。
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