慣性陀螺測量技術在非開挖燃氣工程中的應用

戢 丹

杭州港華燃氣有限公司 浙江 杭州 310000

燃氣管道作為特種管道，輸送可燃性氣體，是工業發展的動力源，也是千家萬戶灶臺里的點點星火。由于可燃性氣體的特殊性，注定它也是風險較高的一類管道。在現代城市燃氣管道建設中，非開挖燃氣管道埋深大，地表無痕跡，傳統探測技術難以準確探測其位置與深度，給運營維護帶來了巨大的安全隱患。為保障燃氣管道安全運營，基礎工作就是明確燃氣的位置和埋深，即可防范第三方破壞，也能在破壞時迅速找到事故點進行維修。因此我們迫切需要一種可靠的、精準的非開挖燃氣管道探測技術解決這一難題。

1 非開挖燃氣管道建設和探測現狀

1.1 施工工藝

城市燃氣管道大量是采用采用定（導）向鉆進技術進行鋪設。僅以杭州港華燃氣公司為例，每年鋪設的非開挖管道長度約為30km，約占當年新建管道總長的15%。

非開挖管道施工時，鉆機按設計線路鉆出一個倒拋物線鉆孔，鉆頭出土后連接上擴孔器進行回拖擴孔。經過一次或多次擴孔，將鉆孔大小擴至設計要求，再將管線拉入鉆孔，完成管線敷設。

非開挖管道大多穿越河流、湖泊、道路等區域，地面環境復雜，地面無明顯痕跡，施工監管和運維難度較大。

1.2 非開挖燃氣管道探測技術分析

1.2.1 傳統探測技術

城市非開挖燃氣管道主要采用PE管材，管徑主要為110～355mm，長度多在150～350m之間，最大埋深多在8～15m之間。這是傳統物探技術探測的難點。

對于新建非開挖管道竣工測繪，傳統方法有通過測量導向時地面標記再結合導向深度資料編制，但是資料不全，精度不準確，容易出現誤差而導致事故。

對于已有非開挖管道探測，地面無標記可測量，管材多為PE材質，目前物探方法均無法探測。電磁感應法無法應用于非金屬管線探測；探地雷達法探測深部管線需采用低頻天線（100MHz或50MHz），分辨率較低，不能判別出小管徑管線；跨孔物探法需基本明確待測管線的大致位置和埋深，對于位置埋深不明的非開挖地下管線，風險極大。所以在研究對比了多種技術，最終選定了慣性陀螺測量技術完成非開挖燃氣管道的測量。竣工測量時，管道未通氣、兩端開放，可直接使用此技術測量。對已有管道則需要停氣割管后再進行測量，盡管手續復雜、成本增加，但其高精度的測量成果可充分保障管道安全。

1.2.2 慣性陀螺測量技術

慣性陀螺測量技術是一種新興的管道測量技術。它基于慣性陀螺導航技術研制，通過測量儀器在待測管線中的運行軌跡，以確定管線的三維坐標。測量時，使用牽引繩拖曳儀器在管線內由進口穿行至出口，儀器自動記錄航向、姿態、距離、速度等信息。根據進、出口三維坐標計算出管線內的行進軌跡，即為待測管線的連續三維坐標。

慣性陀螺測量技術是一種直接測量技術，不受地表環境、地質條件和電磁輻射影響，與管線種類、材質和埋深無關[1]。只要儀器能在管線內部穿行，就能進行高精度的管線測量。測量精度只與管線長度相關，標稱精度平面優于0.25%L，高程優于0.10%L（L為管線的三維長度）。

圖1 慣性陀螺測量示意圖

2 慣性陀螺測量原理及流程

2.1 技術原理

慣性陀螺導航技術是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航技術。其主要的算法是航位推算（Dead Reckoning，DR），航位推算就是從已知的坐標位置開始，根據運動載體在該點的航向、航速和航行時間，推算下一時刻坐標位置的導航過程。

在二維空間中，運動載體的已知初始位置S0(N0,E0)，每一段航行時間內航向角θk，運動距離dk=vktk（航速乘以航行時間)，則可推算載體的任意時刻坐標Sk(Nk,Ek)。

航位推算的實現是以牛頓力學定律為基礎，從一個已知位置連續測量運動載體在慣性參考系的角速度和線加速度。角速度對時間進行積分得到航向，線加速度對時間進行積分得到航速，根據航向、航速和航行時間即可推算出運動載體的每一時刻的實時位置。

陀螺儀測量其在慣性參照系的角速度，以載體在慣性參照系中的初始方向為起算方位角，將角速度對時間進行積分，就可以得到運動載體當前時刻的瞬時方位角[2]。加速度計用于測量運動載體在慣性參照系中相對于運動方向的線加速度，根據陀螺儀測得的載體瞬時方位角，即可求得載體的瞬時加速度向量，將α分解到慣性坐標系X，Y，Z三軸上可得各自的加速度分量αx，αy，αz。將加速度對時間進行二次積分即可得到載體在X，Y，Z三方向上位移，與初始坐標相加即可得定位系統的當前坐標位置。

2.2 工作流程

慣性陀螺測量非開挖燃氣管道的主要流程見圖2。

圖2 慣性陀螺測量工程流程

3 慣性陀螺測量數據應用

本章將以典型案例說明慣性陀螺測量數據的應用情況。

3.1 工程案例

杭州市余杭區穿南苕溪段非開挖燃氣管道是某國家級實驗室的保障項目。該項目計劃南北向下穿南苕溪，設計長度約280m，設計最深深度為河床下6m。同時該項目附近有正在施工的湖杭高速鐵路橋梁，設計時也考慮了線位避讓橋墩的措施。

因為管位和埋深受其他工程影響，該項目要求施工單位嚴格按設計方案施工。施工完成必須準確測量燃氣管道的管位和埋深，和設計方案進行對比，并提供給附近工程施工方，保障管道安全。

施工完成后，采用慣性陀螺技術測量非開挖管道，測量出管長為275m。

測量時以返往各測量一次為一個測回，共測量三個測回6組數據。6組數據進行平差計算后，其誤差為：

平面最大偏差為0.94m，平面最大彌散值為0.17%L，符合標稱精度0.25%L;

高程最大偏差為0.12m，高程最大彌散值為0.02%L，符合標稱精度0.10%L。

平差后，平面誤差為0.47m，高程誤差為0.06m。

3.2 施工監管上的應用

（1）施工質量監管

慣性陀螺儀精確反映管線的三維位置，可判定非開挖施工單位是否按設計線位和設計深度施工[3]。上述案例施工完成后，慣性陀螺測量結果與設計管位相比較，平面最大偏差為0.9m，高程最大偏差為1m，考慮到各種誤差影響，施工基本按照設計施工，施工質量合格。通過慣性對比結果直觀清晰，易于施工監管和質量控制。

（2）厘清實際工作量

非開挖燃氣管道的施工涉及管道安裝單位（負責組隊管道）和非開挖施工單位（導向、擴孔及拖管）。

安裝單位一般認為非開挖管道長度就是其組隊長度。非開挖施工單位一般認為非開挖管道長是其完成路徑導向所需的鉆桿總長。單一項目非開挖段和直埋段連接后，非開挖段長度加上直埋段長度與總長屢有出入，非開挖管段越多，出入越大，對建設方和施工方的管理都帶來不便。

第三方測繪采用慣性陀螺測量，可準確測量出非開挖管道的三維長度。以本項目為例，非開挖施工單位上報使用4.5m長的鉆桿63根，總長為283.5m；管道安裝單位上報焊接管道長275m，出現8.5m的長度差。慣性陀螺測量后，明確管長為275m，扣除兩端工作坑長度10m，非開挖長度為265m。此長度為地下管道的三維長度，投影至平面，總長為262.6m。

3.3 管道運維上的應用

慣性陀螺測量出的管道數據是按1m間距的一組三維坐標（包括平面坐標和絕對高程）。不受地表地形變化影響。管道運維單位可有效指導第三方施工，確定安全距離，規避風險[4]。

非開挖燃氣管道附近的第三方施工安全距離可參考以下公式確定：

式中：

D為管道半徑；

L為非開挖管道長度；

S0為燃氣管道工程設計規范中規定的距離相鄰建筑或其他管道的安全間距。

如第三方施工在未批先建的情況下破壞燃氣管道，也可根據慣性陀螺測量成果數據迅速準確定位非開挖管道破損處的位置和埋深，制定修復方案指導施工。

3.4 精度驗證

非開挖燃氣管道的慣性陀螺測量成果的精度驗證主要在兩端較淺處進行開挖驗證，平面精度均優于0.15m。而深部管道的精度驗證則多為事故破壞后確定的。穿南苕溪段非開挖燃氣管道就是這種情況，盡管采取了多項措施，但第三方施工未通報燃氣權屬單位即進行打樁施工破壞了管道，損壞位置地面定位與慣性陀螺測量成果相比較，誤差為0.13m。破損點深度施工方估計為7～8m，通過反查慣性陀螺數據埋深為7.6m，已無開挖修復可能。只能緊急重新施工一條非開挖管道。

4 結束語

慣性陀螺測量技術為非開挖燃氣管道測量提供了一種全新的解決方案。這種技術相較傳統的地球物理方法具有眾多優點，特別是其測量精度之高，令其他方法無法匹敵。

高精度的測量結果對于施工質量管理和運營維護管理均具有重要意義，是保障管道安全運行的重要基礎數據。