慣性陀螺儀定位技術在非開挖燃氣管道定位的應用

黃福

摘要：本文介紹了慣性陀螺儀定位技術的原理，適用范圍等，通過對傳統非開挖地下管線定位技術的分析，指出傳統定位技術的不足。結合在燃氣管道水平定向鉆施工中的應用實例，凸顯慣性陀螺儀定位技術在非開挖管線定位中的精度優勢，為今后地下深埋的燃氣管線精準定位識別提升到了一個全新的探測高度。

關鍵詞：慣性陀螺儀;非開挖;地下管線

一、前言

隨著城市建設的飛速發展，燃氣、排水、電力、化工、通訊等行業常常需要穿越鐵路、公路、河流等障礙物敷設管道，基于對城市市容環境的考慮，在城市建成區利用水平定向鉆非開挖施工技術敷設管線的情況也越來越多，而常規的管線探測儀等由于自身的局限性（探測深度淺、易受電磁干擾、場地地形可通達的條件差等）無法獲得較準確的管線位置信息，導致后期第三方交叉施工時破壞事故頻發，極易釀成人員傷亡事故且破壞后修復成本高。因此地下管線定位數據的精準度就顯得尤為重要。

二、傳統地下管線定位技術

現今常規探測埋地燃氣管線位置的技術有：電磁法、電磁波法（探地雷達）、地震波法和紅外線輻射法等等。一般探測的非開挖鋼制燃氣管線主要采用電磁法;探測非開挖聚乙烯燃氣管道主要采用敷設金屬示蹤線結合電磁法的方式，電磁波法（探地雷達）探測聚乙烯管道的較為少見。

（一） 電磁法探測金屬示蹤線

在利用電磁法探測金屬示蹤線時，其原理是：通過對金屬示蹤線加上一定強度的電流信號或者電磁信號，使之產生電電場或磁場，通過接收機在地面測量金屬示蹤線電流產生的磁場信號強度來確定金屬示蹤線的空間位置，進而確定埋地PE燃氣管道的空間位置，見圖1。

這種探測方法優點是探測速度快、簡單易操作、對于埋深較淺的管線探測誤差小;缺點是在復雜電磁干擾的區域或埋深較大探測誤差較大。

（二） 探地雷達

探地雷達是以地下各種介質的介電常數差異為物理條件，通過向地下發射高頻電磁波探測地下介質分布的無損探測儀器。其原理是：通過在地面移動的發射天線向地下發射高頻電磁波，當電磁波遇到不用介質的電性界面時，就會發生反射、投射及折射，反射到地面的電磁波被與發射天線同步移動的接收天線接收后，精確記錄下反射回波的時間、相位、振波、波長等參數，再通過信號處理系統處理后，獲得地下剖面的CT掃描圖像，最后通過雷達圖像的識別，可以得到地下管線的分布位置和狀態。探地雷達的優點是對地下土壤層掃描成像，直觀的反應地層物質差異，探測結果準確、直觀。缺點是探測的靈敏度與深度密切相關，深度越大靈敏度越低;受土壤環境影響較大且管徑越小的管道探測難度越大。

（三） 小結

以上介紹的探測方法均為目前城市非開挖燃氣管道常用的定位技術，但均會受到電磁、管道材質、埋設深度、土壤環境等等因素影響，探測結果的精度往往事與愿違。由此，尋找一種不受地質條件制約且具備高精度測量結果的測量儀器或者方法是具有十分重要的工程應用價值與現實意義。

三、 慣性陀螺儀定位技術

管道陀螺儀-GXY-200管道三維姿態測量儀，該測量儀器主要由MEMS（微機械）陀螺、測量主體、信號分析處理軟件三部分組成。其原理是三軸陀螺儀和三軸加速度計分別測量定位儀的相對慣性空間的3個轉角速度和3個線加速度沿定位儀坐標系的分量（見圖2），經過坐標轉換，把加速度信息轉化為沿導航坐標系的加速度，并運算出定位儀的位置、速度、航向和水平姿態;其次采用GPS等手段獲得管道起點和終點的地理坐標;根據起終地理坐標將慣性定位儀獲取的坐標信息轉換到地理坐標系中，從而得到管道的三維地理信息。

慣性陀螺儀定位技術優點具體體現在如下3個方面：

1） 慣性陀螺儀導航測量能夠比較準確地測量出定向鉆施工敷設的埋地燃氣管道位置（X、Y、Z坐標），測量結果不受環境因素與管道埋深影響，準確度較高（一般1-2小時內就能完成測量工作，水平誤差≯0.25%L，垂直誤差≯0.1%L）;

2） 只要知道被測管道兩端點的坐標，通過測量儀在管道內的行走即可得到整條管道的軌跡坐標數據，坐標點的密度可以在一個點/0.1m任意設定的數據之上任意設置;

3） 由于管道坐標數據永久不變，任地表基樁如何變化，都能夠通過該坐標快速定位查找管道位置 當管道附近進行第三方施工時，由于能確定該管道的實際位置，可以有效避免第三方施工破壞。

缺點：慣性陀螺儀定位技術只能對正在施工的管道進行測量，但在運行的管道無法進行測量。

適用范圍：適應各種材質、口徑管道測量。

四、應用實例

本文介紹的案例是2018年11月份桂林港華委托了南京地龍測繪有限公司對機場路（世紀立交至兩江機場）定向鉆穿越桂柳高速燃氣工程的管道進行的三維定位，該項目管材選用PE管，規格為De250，管道總長約為214m。測量坐標系統采用：北京54坐標系統，1985國家高程基準。

（一）測量步驟：

1）測量環境要求：被測管道內全空無阻礙，兩端管口敞開。測量前穿好拉線（現場使用直徑6mm鋼絲繩）。

2）根據管道口徑，調節伸縮支架，使伸縮支架滾輪與管道管壁貼合，在拉力作用下，支架滾輪能良好轉動。

3）支架調整完畢后，啟動慣性陀螺儀電源開關，當電源指示燈紅燈閃爍、綠燈長明時），將測量儀放入管道，靜止1min后，拉動設備。

4）在管道另一端拉動測量儀均勻通過管道，進行測量。為保證測量準確，牽引速度保持1.5m/s左右。

5）設備運行至管道末端管口處靜止1min，關閉測量儀電源，連接電腦、導出數據。

（二） 測量成果

（1）測量坐標成果表（10米取一點）：

說明：

1）、管道測量數據為管道中心的坐標。

2）、測量坐標成果表中0與22兩個測點序號為單獨列出的管道端口中心起點、終點坐標，1～21測點序號為每隔10米測取一個數據。

（2）俯視圖：

（3）縱斷面圖

（三） 數據分析

本次測量該市區機場路（世紀立交至兩江機場）燃氣PE管道，現場共測得2組數據。導入電腦計算得到測量最大彌散量為：平面范圍為0.55m高程范圍為0.06m;管道測得的俯視圖及縱斷面圖，真實的反應了管道的起伏變化，特殊點（管道的最深點、拐點等）。

五、 結論

通過實際工程案例介紹了慣性陀螺儀在城市燃氣非開挖管道的應用，發現慣性陀螺儀的定位精度遠高于傳統的管線探測儀器，其結果精度高、可靠性極強、不受外部環境影響等特點，為以后管道運行及監管形成可靠的技術資料，減少第三方破壞事故的發生。該技術可在城市燃氣地下管線測量中值得廣泛推廣。

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