三維慣性陀螺定位技術(shù)在非開挖地下管線高精度探測中的應(yīng)用研究

程銘宇，陳友良

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，主要道路下的管網(wǎng)已是十分密布、趨于飽和，對地下管線探測技術(shù)提出了極大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的管線探測技術(shù)大多是基于地球物理勘探的原理，通過一套完整的發(fā)射-接收系統(tǒng)，分析地下管線和周圍介質(zhì)的物性差異，以此推斷其空間位置和埋設(shè)深度。由于地下管線的復(fù)雜性和地下介質(zhì)的多樣性，探測精度受到很大的影響，對于一些重要管線的建設(shè)和維護帶來很大的安全隱患。近年來，三維慣性陀螺定位技術(shù)日趨成熟，在地下管線高精度探測中得到了越來廣泛的應(yīng)用。本文將結(jié)合比利時REDUCT公司生產(chǎn)的陀螺儀管道定位系統(tǒng)在廣東的應(yīng)用實例，簡要介紹三維慣性陀螺定位技術(shù)的原理和工作方法，并探討該技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢。

2 三維慣性陀螺定位技術(shù)的原理

陀螺儀是用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置，陀螺儀在角動量守恒原則下，具有兩大特性——定軸性和進動性，在航天航空的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。

受慣性導(dǎo)航和示蹤探頭法探測地下管線的啟發(fā)，綜合運用陀螺儀和慣性定位技術(shù)，三維慣性陀螺定位儀應(yīng)運而生，并在管線探測中得到了有效的應(yīng)用。三維慣性陀螺定位儀主要有陀螺儀組件和加速度計組件組成，如圖1所示，分別測量定位儀的相對慣性空間的3個轉(zhuǎn)角速度和3個線加速度沿定位儀坐標(biāo)系的分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換，把加速度信息轉(zhuǎn)化為沿導(dǎo)航坐標(biāo)系的加速度，并運算出定位儀的位置、速度、航向和水平姿態(tài)，如圖2所示。

圖1 慣性陀螺定位儀結(jié)構(gòu)圖

圖2 慣性陀螺定位儀工作原理示意圖

3 REDUCT陀螺儀管道定位系統(tǒng)簡介

國內(nèi)學(xué)者和科研機構(gòu)在2005年左右開始三維慣性陀螺定位技術(shù)的研究，在產(chǎn)品化和商業(yè)應(yīng)用方面有了一定的進展。目前，在地下管線探測領(lǐng)域常用的是比利時REDUCT公司生產(chǎn)的陀螺儀管道定位系統(tǒng)，它由慣性定位儀(OMU)和輪組系統(tǒng)組成，如圖3所示，并配備專用的計算機和數(shù)據(jù)處理軟件。

圖3 REDUCT陀螺儀管道定位測繪系統(tǒng)

REDUCT管道定位測繪系統(tǒng)操作簡便，具體工作步驟如下：

(1)起訖點測量：打開管線工作井，測量管段起訖點的坐標(biāo)，量取管道內(nèi)外徑；

(2)管道疏通：使用穿管器將牽引繩施放在管道內(nèi)，將管道牛連接在牽引繩上，在管道內(nèi)來回拖動，以確定儀器可以在管道內(nèi)正常行走；

(3)陀螺定位測量：將陀螺儀連接牽引繩上在管道內(nèi)拖動；

(4)坐標(biāo)解算：將測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用計算機，輸入管道起訖點坐標(biāo)等測量參數(shù)進行坐標(biāo)解算。

4 精度實驗驗證

為了驗證REDUCT陀螺儀管道定位系統(tǒng)的測量精度，搭建專用的測試管道，管道采用內(nèi)徑 90 mm的PVC管道，長度 66 m，如圖4所示。

圖4 精度實驗測試場地

采用全站儀取軸線方向均勻取點測量，與REDUCT管道定位測繪系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)進行擬合對比，對比結(jié)果如圖5、圖6所示。經(jīng)分析精度，最大水平偏差 0.06 m，最大垂直偏差 0.04 m，精度符合要求。

圖5 管線三維形態(tài)圖

圖6 管道平面圖

5 應(yīng)用實例

為獲取佛山市110 kV東牽線、平林線等輸電線路定向鉆施工管線的準(zhǔn)確空間位置坐標(biāo)，采用REDUCT陀螺儀管道定位系統(tǒng)，共測量管線20段，總計長度約 3 686 m，經(jīng)4次重復(fù)測量、部分檢測點的釬探、開挖、綜合物探驗證，探測精度優(yōu)良，最終形成綜合探測報告、地下管線平面圖、縱斷面圖、三維效果圖、管線點成果表等一系列完整的管線高精度定位資料，為管線的建設(shè)和維護提供了保障。

以丹桂路口(金沙郵局旁)電力管線段為例，該段管線為管徑 200 mm的塑料管，全長約 170 m，橫跨丹桂路和立交橋。采用REDUCT陀螺儀管道定位系統(tǒng)進行測量，最終生成三維效果圖、平面位置關(guān)系圖、縱斷面圖，并以 1 m為間隔生成管線點成果表，如圖7、圖8所示。

圖7 現(xiàn)場作業(yè)照片

圖8 丹桂路口(金沙郵局旁)管線測量三維效果圖、平面圖、斷面圖及部分成果表

根據(jù)測量結(jié)果，本段管線埋深最大為 10.17 m，用常規(guī)的管線探測儀很難準(zhǔn)確探測出管線的平面位置和埋深。為了驗證慣性陀螺儀定位的精度，選取6個埋深在 4 m內(nèi)的管線點用常規(guī)的RD8000管線探測儀進行了對比分析(表4)，結(jié)果顯示平面位置偏差最大為 0.25 m，埋深最大偏差在 0.54 m。

慣性陀螺定位儀與常規(guī)管線儀探測結(jié)果對比分析 表1

6 結(jié) 論

三維慣性陀螺定位技術(shù)在非開挖地下管線高精度探測中取得了良好的效果，結(jié)合實際操作，得出如下結(jié)論：

三維慣性陀螺定位技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)探測技術(shù)依賴于目標(biāo)體物性差異的限制，具有精度高、性能穩(wěn)定、受地下介質(zhì)和外界條件干擾較小的特點，為地下管線精確定位提供了有效的解決方案。

由于陀螺定位儀需要在管道內(nèi)拖動，要確保管道暢通，較適宜新建管線的高精度探測，對于已投入使用的管線必須要有預(yù)留的空管。

目前常見的輪組以 90 mm～ 500 mm為主，對于較大管徑的管線探測需要定制專用的輪組。