管道工程數字測繪關鍵技術研究與應用
——以西氣東輸配套燃氣工程為例

謝裕群

(平遠縣自然資源局，廣東 平遠 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為管道測繪的發展提供了廣闊的發展空間。管道測繪從單一的地面測量轉變為航空攝影測量、衛星遙感與地面測量并用的模式[1]。管道數字化測繪是發展智慧化管道的重要基礎，管道位置信息是建設數字化管道的重要內容[2]。然而，長輸管道途經城市人口密集區、河流、公路、鐵路，安全風險管控難度大，如果管道失效，發生泄漏、爆炸等事故，會造成巨大損失，污染水源和自然環境[3]。因此，摸清管道規模、位置關系、功能屬性、產權歸屬、運行年限等基本信息是智能化管線建設的基礎。本文以西氣東輸工程某管道工程測繪項目為例，研究總結了管道工程測繪尤其是施工測繪的基本內涵和關鍵技術，以期為同類工程的實施提供參考和借鑒。

2 管道測繪關鍵方法及技術

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平面控制測量和線路平面控制測量。根據《工程測量規范》（GB 50026—2007）及相關測量規范標準，采用GNSS 進行平面靜態觀測。在天然氣線路控制測量中，當國家等級點密度不能滿足線路聯測需要時，先進行國家等級點加密控制測量，加密控制網可視為線路的首級控制網。首級控制網沿線路按點對布設，構成四邊形或大地四邊形組成的帶狀網。點對間的距離一般為8 ～15 km，最長不超過20 km；組成點對的兩點間相互通視，間距不小于400 m[4-5]。線路控制測量，以GNSS 加密點或國家四等及以上的等級點為起算點布網，線路GNSS 控制點的間距通常是200 ～500 m。其測量精度等級滿足《油氣輸送管道工程測量規范》（GB/T 50539—2009）中規定的E 級要求[6]。

高程控制測量主要有三角高程測量和水準測量兩種方式。在地勢起伏較大的地方，可以采用三角高程測量代替水準測量，以提高作業效率；對于地勢平坦、通視良好區域，采用水準測量方法能夠保證較高精度。相關研究表明，通過改進儀器、作業流程和方法，三角高程測量可以替代二等水準測量，在特定條件下能達到一等水準測量的要求[7-8]。

2.2 投影坐標系到工程坐標系的轉換

控制測量成果多采用投影坐標系或地方坐標系，通常沿管道前進方向和垂直管道前進方向建立工程坐標系，以便施工放樣。因而，需要確定這兩套坐標系的關系，建立投影坐標系到工程坐標系的轉換模型[8]。施工坐標與測量坐標的換算如圖1 所示。

圖1 施工坐標與測量坐標的換算

設P點的施工坐標為投影坐標系坐標為（xP，yP），θ為放樣直線段的方位角，則兩者之間的轉換關系如公式（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算轉換參數，以實現坐標轉換。工程中可靈活計算各樁點的工程坐標，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 和全站儀相結合的方法進行槽口放線。橫斷面比較平坦時，設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，中線兩側槽口寬度不一致，如果溝槽開挖較深，則常需變坡分級開挖，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坡度控制標志的測設

坡度板法是坡度控制標志測設常用的方法，通過控制中線和構筑物的位置，掌握管道設計高程，從而進行跨槽埋設。（1）設置坡度板。根據工程進度要求及時埋設坡度板，當槽深在2.5 m 以內時，應于開槽前在槽口每隔10～15 m 埋設一塊。（2）投測中線。坡度板埋好后用經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將中線位置投影到管溝內。（3）測設坡度釘。為控制管道埋深，根據施工場地附近水準點，測定各坡度板頂面高程H板頂。再結合管底設計標高H管底和預先確定的下返系數c，計算每個板頂應向下或向上的調整數δ，根據δ值在高程板上釘設坡度釘，使之到管底設計標高的垂距為c。

當δ為“+”時，自坡度板頂向上調整；反之向下調整，并釘坡度釘，及時掌握槽底和基礎面施工高程。

2.5頂管施工測量

在管道穿越鐵路、公路、河流或建筑物時，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。其次，根據待施工管道設計施工圖提供的坐標，利用光學經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，利用水準儀和全站儀三角高程聯合測量地下頂管推進高程[9]。同時，在每一步的測量中，結合使用動態測量不斷復核預頂進軸線和靜態測量，跟蹤測量激光點的移動進行糾偏，校正頂進方向[10]。

2.6基于AutoCAD的線路縱斷面測量

根據燃氣管道縱斷面的繪制要求及AutoCAD軟件的特點，本文縱斷面繪制的框架主要有參數設置、采樣點繪制、縱斷面數據、縱斷面繪制[11]。（1）縱斷面繪制參數主要有表格設置（如表頭樣式、文字高度、內容格式等）、斷面比例尺和線條顏色設置、地面標高和埋深錄入設置等。（2）采樣點繪制用于表達燃氣管線屬性及空間位置，如原始地面高程、管頂高程、管徑、埋深、距離等。（3）數據錄入時將外業測量的基本數據錄入即可，其他屬性項可根據各屬性項之間的關系進行相應計算。（4）獲取所有采樣點數據并根據配置信息繪制斷面表格、斷面線、標注等元素。

3 應用實例

3.1 項目概況

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，管線設計壓力為10 MPa，傳輸介質為鋼管，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頂管鋪設，部分地區開槽鋪設和架空鋪設，實現管道工程合理化運營。

3.2 GNSS 控制測量

根據燃氣管道設計路線，合理布局覆蓋該任務區的D 級GNSS 控制網。其中，使用四臺徠卡GNSS 接收機，通過靜態測量觀測1 個時段60 分鐘。同時做好觀測記錄和點之記。對觀測結果進行基線解算和無約束平差，獲得WGS84 坐標成果，若匹配成果精度滿足相關要求，則輸出坐標轉換模型，以便后期RTK 測量使用[12]。根據《全球定位系統（GPS）測量規范》，使用高程擬合的方法獲得高程。項目通過靜態觀測聯測13 個GNSS首級控制點進行平差[12]，精度如表1 所示；聯測7 個已知點進行經典三維坐標轉換，精度如表2 所示。

表1 精度統計

表2 精度統計

為了后期施工方便，需要將加密控制點轉換為工程坐標用于后續放樣過程。

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，其技術要求同油氣田地形圖測繪一致。獲取的基礎地形數據應用在可行性研究、初步設計到施工圖設計等各個階段，多種測繪產品的應用給管道線路選擇和優化、施工圖設計及施工招標提供了豐富的基礎空間數據。

線路縱斷面測量在管道鋪設前及鋪設過程中采用GNSS-RTK 直接測量原始地形平面坐標及高程信息，并記錄此點的埋深、管徑等信息。在AutoCAD 中錄入采樣點，設置相關參數，使用LongitudinalSection 命令快速繪制縱斷面圖，如圖4 所示。

4 結語

圖4 管線縱斷面圖（局部）

隨著城市地下空間的發展，地下管線的數量及種類不斷增多，合理選擇管道測量方法及技術至關重要。本文對管道工程開槽鋪設和頂管鋪設的數字測繪各項應用關鍵技術進行總結和探討，并以西氣東輸支線某標段配套工程為例，對各項技術進行驗證，效果良好，為地下管線的科學配套鋪設提供借鑒，促進城市管線工程的穩定發展。