管道三維姿態測量儀在非開挖電纜頂管測量中的應用

曾文鋒 王 偉 田 磊（深圳供電規劃設計院有限公司,廣東 深圳 518000）

0.引言

隨著我國經濟持續穩定地增長，城市化進程的進一步加快，我國的地下管線的敷設量也在逐年增加[1,2]。城市交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下管線復雜的背景下，電纜管道敷設施工常采用非開挖頂管技術，而非開挖頂管敷設的電纜管道通常埋深較深，傳統的測量方法不能滿足竣工驗收測量的需要，無法獲得電纜管道準確的三維坐標，導致后期運維困難，在后續施工中安全隱患多，導致管道施工事故的發生[3,4]。目前，非開挖頂管準確的三維坐標測量還沒有可靠性強的方法，為此我們采用管道三維姿態測量儀應用于非開挖頂管的三維坐標測量，結合實驗驗證和具體的工程案例探討該方法的可靠性及有效性。

1.管道三維姿態測量儀的基本原理及工作流程

1.1 管道三維姿態測量儀的基本原理

對于非開挖頂管的測量多采用管線探測儀或導向儀，探地雷達等，由于城市地下管線近間距并行管線較多，電磁信號常常耦合到非目標管線上去，使定位發生誤差。這些方法受電磁場、管線材質、埋設深度等較多因素的影響，無法在復雜的地下管線中實現精準定位，非開挖頂管測量的精度往往無法保證。因此，非開挖電纜頂管的三維坐標測量，采集連續準確的三維空間位置和形狀，已經是行業內技術研究的難題之一。

管道三維姿態測量儀是基于慣導原理的慣性陀螺儀，無論是金屬管線或非金屬管線、超深管線探測中都可以應用，對于管線的埋設深度目前已知的都可以探測，精度達到厘米級甚至到毫米級。DT-GXY-200是基于MEMS慣性測量單元的三維姿態測量儀器，該儀器在管道內穿行過程中可對自身三軸姿態角、當前加速度，行進里程進行測量，通過積分算法對這些姿態量進行分析和計算以最終獲得管道的三維坐標，儀器測量效率高、數據連續，且測量過程不受管道埋設深度、管道材質及現場電磁干擾的影響。

圖1 管道三維姿態測量儀三維系統

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

式中，a(t)為當前加速度。陀螺儀在管道內勻速前行時，記錄陀螺儀按照125Hz的頻率記錄其在管道的各類姿態數據，并存儲于儀器自帶的儲存設備中，儀器在管道內勻速運行一個來回后，將采集的數據導入專用軟件內結合管道端點（入口和出口）的基準點坐標解算。

1.2 管道三維姿態測量儀的工作流程

管道三維姿態測量儀測量主要包括現場踏勘，確定測量方案、管道中心線起點和終點三維坐標測量（基準點測量）、牽引線穿管、調節前后支架、慣導陀螺儀測量、檢查數據與精度分析、繪制平斷面圖等主要流程，管道三維姿態測量儀測量的工作示意圖及工作流程（如圖2、圖3所示）：

圖2 管道三維姿態測量儀測量的工作示意圖

圖3 管道三維姿態測量儀測量工作流程圖

2.實驗驗證

2.1 實驗環境

實驗過程中采用的儀器是“DT-GXY-200”管道三維姿態測量儀,為了驗證管道三維姿態測量儀測量的精度及可靠性，本次實驗在空曠的場地模擬非開挖頂管的空間形態分布，管道參數為：材質HDPE、管內徑150mm、長度84.25m。

2.2 實驗方法和過程

(1)為保證觀測數據的質量，利用GPS-RTK測量控制點作為起算依據。根據現場情況，設置相互通視的3個控制點作為管道三維姿態測量儀測量及全站儀測量的共同參考點。

(2)將管道三維姿態測量儀從管道起點和終點來回牽引測量2個測回，并對測回內的數據進行擬合，得到管道中心線的三維坐標數據。

(3)采用傳統的全站儀測量方式，用極坐標法以5m為間隔采集管道中心線的三維坐標數據。

2.3 實驗數據對比分析

用全站儀測量的三維坐標與管道三維姿態測量儀測量的三維坐標進行對比，得到表1。從表中可以看出管道三維姿態測量儀測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，結合本次比對實驗數據綜合分析得出，管道三維姿態測量儀精度較高，誤差值較小，應用效果較好。根據CJJ61-2017《城市地下管線探測技術規程》的規范規定，管道三維測量隱蔽管線點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h<1m時，取h=1m）的要求，管道三維姿態測量儀探測成果滿足非開挖管線工程探測要求。

表1 管道三維姿態測量儀與全站儀測量數據對比表

3.工程案例

3.1 工程概況

廣東省深圳市南山區某110kV電纜竣工驗收測量項目，A3～A4段電力管線采用非開挖頂管方法穿越敷設，長度約80m，管線埋深由淺至深約在1.5m-7.0m。由于埋深較深、地質情況不佳，傳統探測方法較難測量其準確位置，且頂管穿越市政道路，交通繁忙，無地面作業條件，因此采用管道三維姿態測量儀測量管道的三維坐標。

3.2 管道三維姿態測量儀測量流程

（1）開井：打開管道工作井，為慣性定位測量提供工作空間。

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

（3）端點測量：確定作業管孔后，量取作業管孔的內外徑、管塊的寬和高，用RTK接收機或者全站儀測量管道中心線起點和終點坐標并記錄。

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

（5）慣性定位測量：將管道三維姿態測量儀連接牽引繩上在管道內拖動進行軌跡測量及獲得管道精確三維坐標。

（6）檢查數據：將數據拷貝到電腦檢查其完整性，重復慣性定位測量，以提高測量結果的置信度。

3.3 數據處理及成果

管道三維姿態測量儀測量完成，將測量數據導出到筆記本電腦，利用管道三維測量儀處理軟件，計算得到所測管道的三維坐標（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；平面相對中誤差0.03%L，高程相對中誤差0.01%L，滿足測量規范精度要求。

3.5 繪制平斷面圖

利用地下管線制圖軟件，將測量的管道三維坐標數據導入，繪制平斷面圖。

圖5 電纜管道平斷面圖

4.結束語

管道三維姿態測量儀是采用慣導原理的慣性陀螺儀，該測量技術無需操作人員于地面上進行跟蹤定位，將測量主機及輪組置于電纜管道中，利用牽引繩將測量主機在管道中來回拖動，即可采集到測量數據。在目前已知的非開挖頂管電纜通道測量技術中，其測量精度最高。

（1）采用管道三維姿態測量儀能夠比較準確地測量出非開挖頂管電纜管道三維坐標，測量結果不受環境因素，管道埋深等干擾，測量數據比較可靠，準確度高。

（2）管道三維姿態測量儀測量電纜管道三維坐標，只需管道兩端點的已知坐標，即可計算出管道所有點位的坐標，最小可以達到0.1m/個。

（3）采用管道三維姿態測量儀測量技術能夠解決非開挖頂管電纜管道的三維坐標準確定位的探測問題，定位準確度和精度全能夠滿足電纜管道竣工驗收測量的要求，為后期運維提供數據保障，是值得推廣的非開挖頂管管道三維坐標測量的方法。

（4）管道三維姿態測量儀在應用中有一定的局限性，該方法要求儀器能在管道內順利拖拉，因此更適合于新建非開挖頂管的管道測量。對于現有運行管線，必須有預留空管才能測量，否則該方法不適用；如有預留空管，需保證管道內無淤泥堵塞，管道內壁順暢，否則同樣不能進行測量。