管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x在非開(kāi)挖電纜頂管測(cè)量中的應(yīng)用

曾文鋒 王 偉 田 磊（深圳供電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 深圳 518000）

0.引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定地增長(zhǎng)，城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，我國(guó)的地下管線的敷設(shè)量也在逐年增加[1,2]。城市交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下管線復(fù)雜的背景下，電纜管道敷設(shè)施工常采用非開(kāi)挖頂管技術(shù)，而非開(kāi)挖頂管敷設(shè)的電纜管道通常埋深較深，傳統(tǒng)的測(cè)量方法不能滿足竣工驗(yàn)收測(cè)量的需要，無(wú)法獲得電纜管道準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)，導(dǎo)致后期運(yùn)維困難，在后續(xù)施工中安全隱患多，導(dǎo)致管道施工事故的發(fā)生[3,4]。目前，非開(kāi)挖頂管準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)測(cè)量還沒(méi)有可靠性強(qiáng)的方法，為此我們采用管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x應(yīng)用于非開(kāi)挖頂管的三維坐標(biāo)測(cè)量，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和具體的工程案例探討該方法的可靠性及有效性。

1.管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x的基本原理及工作流程

1.1 管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x的基本原理

對(duì)于非開(kāi)挖頂管的測(cè)量多采用管線探測(cè)儀或?qū)騼x，探地雷達(dá)等，由于城市地下管線近間距并行管線較多，電磁信號(hào)常常耦合到非目標(biāo)管線上去，使定位發(fā)生誤差。這些方法受電磁場(chǎng)、管線材質(zhì)、埋設(shè)深度等較多因素的影響，無(wú)法在復(fù)雜的地下管線中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，非開(kāi)挖頂管測(cè)量的精度往往無(wú)法保證。因此，非開(kāi)挖電纜頂管的三維坐標(biāo)測(cè)量，采集連續(xù)準(zhǔn)確的三維空間位置和形狀，已經(jīng)是行業(yè)內(nèi)技術(shù)研究的難題之一。

管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x是基于慣導(dǎo)原理的慣性陀螺儀，無(wú)論是金屬管線或非金屬管線、超深管線探測(cè)中都可以應(yīng)用，對(duì)于管線的埋設(shè)深度目前已知的都可以探測(cè)，精度達(dá)到厘米級(jí)甚至到毫米級(jí)。DT-GXY-200是基于MEMS慣性測(cè)量單元的三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x器，該儀器在管道內(nèi)穿行過(guò)程中可對(duì)自身三軸姿態(tài)角、當(dāng)前加速度，行進(jìn)里程進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)積分算法對(duì)這些姿態(tài)量進(jìn)行分析和計(jì)算以最終獲得管道的三維坐標(biāo)，儀器測(cè)量效率高、數(shù)據(jù)連續(xù)，且測(cè)量過(guò)程不受管道埋設(shè)深度、管道材質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾的影響。

圖1 管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x三維系統(tǒng)

慣性測(cè)量單元(IMU)包含三軸的陀螺儀、三軸加速度計(jì),其軌跡測(cè)量原理，慣性定位基于簡(jiǎn)單的原理：即通過(guò)加速的雙重積分確認(rèn)其位置。

式中，a(t)為當(dāng)前加速度。陀螺儀在管道內(nèi)勻速前行時(shí)，記錄陀螺儀按照125Hz的頻率記錄其在管道的各類姿態(tài)數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)于儀器自帶的儲(chǔ)存設(shè)備中，儀器在管道內(nèi)勻速運(yùn)行一個(gè)來(lái)回后，將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用軟件內(nèi)結(jié)合管道端點(diǎn)（入口和出口）的基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)解算。

1.2 管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x的工作流程

管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)量主要包括現(xiàn)場(chǎng)踏勘，確定測(cè)量方案、管道中心線起點(diǎn)和終點(diǎn)三維坐標(biāo)測(cè)量（基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量）、牽引線穿管、調(diào)節(jié)前后支架、慣導(dǎo)陀螺儀測(cè)量、檢查數(shù)據(jù)與精度分析、繪制平斷面圖等主要流程，管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)量的工作示意圖及工作流程（如圖2、圖3所示）：

圖2 管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)量的工作示意圖

圖3 管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)量工作流程圖

2.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用的儀器是“DT-GXY-200”管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x,為了驗(yàn)證管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)量的精度及可靠性，本次實(shí)驗(yàn)在空曠的場(chǎng)地模擬非開(kāi)挖頂管的空間形態(tài)分布，管道參數(shù)為：材質(zhì)HDPE、管內(nèi)徑150mm、長(zhǎng)度84.25m。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法和過(guò)程

(1)為保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，利用GPS-RTK測(cè)量控制點(diǎn)作為起算依據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，設(shè)置相互通視的3個(gè)控制點(diǎn)作為管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)量及全站儀測(cè)量的共同參考點(diǎn)。

(2)將管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x從管道起點(diǎn)和終點(diǎn)來(lái)回牽引測(cè)量2個(gè)測(cè)回，并對(duì)測(cè)回內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到管道中心線的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

(3)采用傳統(tǒng)的全站儀測(cè)量方式，用極坐標(biāo)法以5m為間隔采集管道中心線的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

用全站儀測(cè)量的三維坐標(biāo)與管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)量的三維坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，得到表1。從表中可以看出管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)量的平面最大誤差為0.13m，埋深最大誤差為0.13m，最大埋深為4.5m,。因此，結(jié)合本次比對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析得出，管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x精度較高，誤差值較小，應(yīng)用效果較好。根據(jù)CJJ61-2017《城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)范規(guī)定，管道三維測(cè)量隱蔽管線點(diǎn)的水平位置限差不大于±0.05h； 埋深限差不大于±0.075h（h為管線中心埋深值，單位為m，當(dāng)h<1m時(shí)，取h=1m）的要求，管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x探測(cè)成果滿足非開(kāi)挖管線工程探測(cè)要求。

表1 管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x與全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比表

3.工程案例

3.1 工程概況

廣東省深圳市南山區(qū)某110kV電纜竣工驗(yàn)收測(cè)量項(xiàng)目，A3～A4段電力管線采用非開(kāi)挖頂管方法穿越敷設(shè)，長(zhǎng)度約80m，管線埋深由淺至深約在1.5m-7.0m。由于埋深較深、地質(zhì)情況不佳，傳統(tǒng)探測(cè)方法較難測(cè)量其準(zhǔn)確位置，且頂管穿越市政道路，交通繁忙，無(wú)地面作業(yè)條件，因此采用管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)量管道的三維坐標(biāo)。

3.2 管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)量流程

（1）開(kāi)井：打開(kāi)管道工作井，為慣性定位測(cè)量提供工作空間。

（2）穿管：選擇未施放管線的管孔作為作業(yè)對(duì)象，使用穿管器將牽引繩從管道一端穿至另一端。

（3）端點(diǎn)測(cè)量：確定作業(yè)管孔后，量取作業(yè)管孔的內(nèi)外徑、管塊的寬和高，用RTK接收機(jī)或者全站儀測(cè)量管道中心線起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)并記錄。

（4）調(diào)節(jié)前后支架：分別將儀器里程輪端與后端操作面板端）支架螺母朝外調(diào)節(jié)到支架臂松弛狀態(tài)，并將儀器后端放入管道，前端輪也放入管道，朝內(nèi)調(diào)節(jié)支架螺母至彈簧開(kāi)始收縮并受力，三個(gè)輪子貼緊管壁。

（5）慣性定位測(cè)量：將管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x連接牽引繩上在管道內(nèi)拖動(dòng)進(jìn)行軌跡測(cè)量及獲得管道精確三維坐標(biāo)。

（6）檢查數(shù)據(jù)：將數(shù)據(jù)拷貝到電腦檢查其完整性，重復(fù)慣性定位測(cè)量，以提高測(cè)量結(jié)果的置信度。

3.3 數(shù)據(jù)處理及成果

管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)量完成，將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)出到筆記本電腦，利用管道三維測(cè)量?jī)x處理軟件，計(jì)算得到所測(cè)管道的三維坐標(biāo)（如圖4所示）：

圖4 電纜管道三維圖

3.4 自符合精度檢查

平面最大彌散量為0.056m，高程最大彌散量為0.022m；平面相對(duì)中誤差0.03%L，高程相對(duì)中誤差0.01%L，滿足測(cè)量規(guī)范精度要求。

3.5 繪制平斷面圖

利用地下管線制圖軟件，將測(cè)量的管道三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，繪制平斷面圖。

圖5 電纜管道平斷面圖

4.結(jié)束語(yǔ)

管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x是采用慣導(dǎo)原理的慣性陀螺儀，該測(cè)量技術(shù)無(wú)需操作人員于地面上進(jìn)行跟蹤定位，將測(cè)量主機(jī)及輪組置于電纜管道中，利用牽引繩將測(cè)量主機(jī)在管道中來(lái)回拖動(dòng)，即可采集到測(cè)量數(shù)據(jù)。在目前已知的非開(kāi)挖頂管電纜通道測(cè)量技術(shù)中，其測(cè)量精度最高。

（1）采用管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x能夠比較準(zhǔn)確地測(cè)量出非開(kāi)挖頂管電纜管道三維坐標(biāo)，測(cè)量結(jié)果不受環(huán)境因素，管道埋深等干擾，測(cè)量數(shù)據(jù)比較可靠，準(zhǔn)確度高。

（2）管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)量電纜管道三維坐標(biāo)，只需管道兩端點(diǎn)的已知坐標(biāo)，即可計(jì)算出管道所有點(diǎn)位的坐標(biāo)，最小可以達(dá)到0.1m/個(gè)。

（3）采用管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)量技術(shù)能夠解決非開(kāi)挖頂管電纜管道的三維坐標(biāo)準(zhǔn)確定位的探測(cè)問(wèn)題，定位準(zhǔn)確度和精度全能夠滿足電纜管道竣工驗(yàn)收測(cè)量的要求，為后期運(yùn)維提供數(shù)據(jù)保障，是值得推廣的非開(kāi)挖頂管管道三維坐標(biāo)測(cè)量的方法。

（4）管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x在應(yīng)用中有一定的局限性，該方法要求儀器能在管道內(nèi)順利拖拉，因此更適合于新建非開(kāi)挖頂管的管道測(cè)量。對(duì)于現(xiàn)有運(yùn)行管線，必須有預(yù)留空管才能測(cè)量，否則該方法不適用；如有預(yù)留空管，需保證管道內(nèi)無(wú)淤泥堵塞，管道內(nèi)壁順暢，否則同樣不能進(jìn)行測(cè)量。