PE燃氣管道定位儀在PE燃氣管道探測的應用

王 東

(北京市煤氣熱力工程設計院有限公司,北京100032)

1 概述

根據(jù)住建部《2021年城市建設統(tǒng)計年鑒》,2021年我國城市天然氣管道長度為929 087.71 km。在中低壓城市天然氣管道中,PE天然氣管道占比最高。由于PE燃氣管道施工便捷、工程造價相對較低、不存在腐蝕泄漏、柔韌性好、對燃氣介質(zhì)污染小等優(yōu)點,在城市燃氣管網(wǎng)中被廣泛應用。由于一些PE燃氣管道沒有準確的竣工測量數(shù)據(jù)、施工時未安裝示蹤裝置[1],在日常PE燃氣管道巡檢、搶修、確定新建燃氣管道的接氣點位置過程中很難快速準確對PE燃氣管道進行定位[2]。為此燃氣公司為了獲得這些PE燃氣管道的準確位置,大都對這些管道進行補測[3]。以前依據(jù)設計圖與竣工圖配合巡線人員現(xiàn)場指認并開挖獲得PE燃氣管道的位置數(shù)據(jù),此方式速度緩慢、成本高、效率低,存在破壞PE燃氣管道的風險及造成地面沉降的危害。為此,PE燃氣管道定位儀在PE燃氣管道的定位中應用越來越廣泛。

2 PE燃氣管道定位儀組成及工作原理[4]

① 組成

PE燃氣管道定位儀由發(fā)射機部分、接收機部分組成。發(fā)射機部分包括發(fā)射機、氣體振動器。接收機部分包括接收機主機、拾音探頭、手持PAD。PE燃氣管道定位儀見圖1。

② 工作原理

開始工作時,找到PE燃氣管道上的放散閥,并將氣體振動器與放散閥連接,發(fā)射機為氣體振動器供電并控制氣體振動器聲波信號輸出到PE燃氣管道內(nèi)。當氣體振動器驅(qū)動管道內(nèi)氣體振動時,會產(chǎn)生一種特定頻率的聲波信號,該聲波信號順著燃氣氣流沿著管道雙向傳輸并垂直傳遞到地面上。用接收機在地面探測到信號的最強處(以下稱為信號強點),即為管道正上方。

3 現(xiàn)場探測

3.1 項目概況

此項目為某燃氣公司中壓PE燃氣管道補測,其管道直徑為110～315 mm,管道長度約30 km,管道大多位于道路兩側(cè)綠地、方磚步道及路面下。

補測依據(jù)設計圖和竣工圖,配合巡線人員現(xiàn)場指認并開挖,以獲得PE燃氣管道的位置數(shù)據(jù)。同時為了提高開挖準確性,在開挖前利用PE燃氣管道定位儀對需要開挖的PE燃氣管道進行探測,確定開挖管道位置,待PE燃氣管道挖出后,進行現(xiàn)場測量以獲得該管道的三維位置數(shù)據(jù)。

3.2 項目依據(jù)

PE燃氣管道探測依據(jù)GB 50026—2020《工程測量標準》、CJJ 61—2017《城市地下管線探測技術規(guī)程》及相關企業(yè)標準。

3.3 管道探測

3.3.1控制測量

在測區(qū)周邊,連接當?shù)剡B續(xù)運行衛(wèi)星定位服務參考站(CORS),采用GNSS網(wǎng)絡RTK技術布設覆蓋測區(qū)的首級控制點,并解算得到坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)。然后利用該參數(shù)采用RTK技術對PE燃氣管道進行測量,得到該管道的平面位置數(shù)據(jù)[5-6]。

在測區(qū)內(nèi)利用水準儀布設水準路線,對水準點進行加密并測量燃氣管道的管頂高程。

3.3.2PE燃氣管道探測

① 探測設備

本項目中PE燃氣管道探測采用PE燃氣管道定位儀,以獲取管道在地面的實地位置,并在現(xiàn)場進行標記。

② 管道探測方法

PE燃氣管道定位儀在探測時,發(fā)射機部分與閥井放散閥、調(diào)壓箱排污口、調(diào)壓箱法蘭盤、入戶立管上的閥門等管道外露處連接。在接收聲波信號定位管道位置時,首先根據(jù)管道外露部分判斷管道大致走向。由已知到未知,將管道橫截面上信號強點作為管道位置點,然后依次找出下一個位置點,并做出標記[7-8]。

在無法確定管道大致走向時,以接入點(發(fā)射機的位置)為圓心,3～5 m為半徑,利用手持PAD的粗探功能沿著圓周盲探,快速找到管道的大概位置,然后再利用手持PAD的精確定位方式,找出信號強點,標記為管道第1位置點,將接入點與第1位置點連接,即可判斷管道大致走向。在沿著管道探測時,也是先粗探再精確定位。如果管道走向出現(xiàn)輕微彎曲,在彎曲附近應當減小探測間距,進行細致探測。

由于不同的土壤環(huán)境與管道埋深,信號強度會有所不同。在確定管道走向的情況下,選擇相對信號強點作為管道位置點。為了確保管道位置點的準確性,通常至少選取3個點來判斷[9]。不同土壤管道探測示例見圖2,圖中黑圈表示接收機位置,百分數(shù)表示接收信號強度。圖5表達方式與圖2相同。

圖2 不同土壤管道探測示例

③ 彎頭的確定方法[10]

在探測過程中,如果遇到彎頭,繼續(xù)沿初始方向探測,聲波信號會突然減弱直至消失。此時應當回到初始方向最后一個信號強點,以此點為圓心、1 m為半徑沿圓周盲探。在測出下一個相對信號強點后,將此點與圓心連成直線作為管道假設走向。如果能在假設走向上繼續(xù)探測出更多信號強點,則利用新探測的管道走向與原管道走向進行相交,從而得到管道的拐點。彎頭探測見圖3。此外,如果在初始信號強點沿圓周盲探時,沒有遇到信號強點,可以判定此點為管道終點或管道埋深(本文指管底埋深)超出儀器探測范圍。

圖3 彎頭探測

④ 三通的確定方法

在探測過程中,如果遇到三通,聲波信號強度會有所減弱,且根據(jù)分支管道的管徑不同減弱程度不同。如果分支過多會導致信號強度驟減,造成傳輸距離縮短,從而增加定位難度。

探測三通時,可采用間接幾何交匯法。當發(fā)現(xiàn)疑似三通時(通常在遇到三通時,沿主管道走向信號有所減弱),在分支管道上找出兩個信號強點,將兩點連成一條直線,并延長至主管道,從而交匯出三通的位置。三通探測見圖4。

圖4 三通探測

⑤ 管道探測示例

在此項目PE燃氣管道探測中,對于直管段探測,PE燃氣管道定位儀的探測信號,在土壤密實度大致相同的情況下,隨著探測距離(探測點距發(fā)射機的距離)增加信號逐漸減弱,直至超出儀器探測范圍。在管道出現(xiàn)彎頭時,探測信號沿管道走向在彎頭兩側(cè)變化不大。當管道出現(xiàn)三通時,沿主管道走向和分支管道走向的管道探測信號均有所減弱,有時甚至出現(xiàn)信號丟失的情況。直管段、彎頭及三通管道探測示例見圖5。圖5中,信號強點距兩側(cè)信號點距離不超過0.3 m。圖5a中,管道直管段上探測點A、B、C探測距離分別為50、100、150 m。圖5b中,管道上探測點A—G各相鄰點間距約為3～5 m。圖5c中,主管道及分支管道上探測點A—E相鄰點間距及C1、C2間距為3～5 m。

圖5 管道探測示例

⑥ 探測注意事項

在現(xiàn)場探測過程中,由于PE管道抗壓性較差,過路管道常加裝套管,在遇到套管時,聲波信號會突然消失,此時可沿管道走向,在路面另一側(cè)繼續(xù)尋找信號強點。兩個信號強點相連,即可確定管道走向。

出現(xiàn)信號丟失時,也可能是此處土壤太過疏松,地下填埋建筑垃圾夯土不實,導致信號衰減很大?，F(xiàn)場探測時,可沿管道走向向前3～5 m繼續(xù)尋找信號強點進行探測。

當管道埋設較淺時,會造成信號逸散而無法確定信號強點,此時可適當?shù)亟档徒邮諜C信號放大倍數(shù)來獲得一個比較好的探測結(jié)果。

地下管線錯綜復雜,地質(zhì)環(huán)境多變,聲波信號在不同的傳播環(huán)境下,會有不同程度的衰減。有時在復雜的外界噪聲影響下,定位也會變成一個難題。因此在探測過程中要盡量詳細地收集管線資料,結(jié)合實際情況確定管道的走向和管道位置,這樣能減少工作量,提高工作效率。

3.4 管道測量及成果生成

① 管道測量[11-12]

由于PE燃氣管道定位儀僅能確定管道的平面位置,不能探測管道的埋深,因此需要對管道進行部分開挖,對其進行管徑測量、位置測量、高程測量,進而獲得燃氣管道三維坐標數(shù)據(jù)。

② 成果生成

根據(jù)PE燃氣管道定位儀探測數(shù)據(jù)及開挖數(shù)據(jù),繪制燃氣管道圖。

4 探測成果分析

4.1 探測成果簡介

該項目共完成PE燃氣管道探測30 km,開挖1 000處,其中970處挖到PE燃氣管道,其余30處未挖到燃氣管道。未挖到燃氣管道的探測點,基本為燃氣管道埋深較大、管道埋設介質(zhì)復雜或定向鉆入(出)土點等探測困難處。PE燃氣管道探測儀無法探測管道埋深,建議采用雷達[13-14]等探測方法或進行實地開挖。

4.2 成果分析

通過對970處燃氣管道開挖數(shù)據(jù)與探測數(shù)據(jù)進行對比分析,可以得到PE燃氣管道定位儀探測精度(以下簡稱探測精度)。同時,考慮探測距離、管道埋深、管道埋設介質(zhì)等影響因素,可得到各影響因素與管道探測精度之間的關系。

① 探測精度分析

依據(jù)項目中燃氣管道開挖位置與探測管道位置較差(在地面上管道開挖位置與探測位置的距離),將探測精度分為A、B、C、D共4個等級。970處燃氣管道開挖數(shù)據(jù)與探測數(shù)據(jù)對比分析見表1。

表1 970處燃氣管道開挖數(shù)據(jù)與探測數(shù)據(jù)對比分析

② 探測距離對探測精度的影響

探測距離對探測精度的影響見表2。

表2 探測距離對探測精度的影響

③ 管道埋深對探測精度的影響

管道埋深對探測精度的影響見表3。

表3 管道埋深對探測精度的影響

④ 埋設介質(zhì)對探測精度的影響

埋設介質(zhì)對探測精度的影響見表4。

表4 埋設介質(zhì)對探測精度的影響

在表2～4中,以表2中A級占比83.7%為例,A級占比指當探測距離小于等于100 m時,探測精度A級數(shù)量占A、B、C、D共4個等級數(shù)量之和的比例為83.7%。

由表2～4可以看出,探測精度隨探測距離、管道埋深的增加而降低。疏松土壤探測精度低于密實土壤。

5 結(jié)論

① 探測精度隨探測距離、管道埋深增加而降低。

② 管道埋深大于2.0 m時,對探測精度影響較大。管道埋深太大,會導致無法接收聲波信號,無法探測到燃氣管道位置。

③ 疏松土壤探測精度低于密實土壤。