呂宏權(quán)

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司， 重慶　401121)

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黃島50萬m3地下液化石油氣水封洞庫庫容測量

呂宏權(quán)

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司， 重慶401121)

摘要：地下水封液化石油氣(LPG)洞庫建成驗(yàn)收后，要對(duì)洞罐的容積進(jìn)行測量。為了測量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的黃島50萬m3LPG地下水封洞庫的庫容容積，首先，確定測量模型，把組成洞庫的單個(gè)洞室或巷道定義為特殊尺寸的隧道并作為測量單元，分析斷面測量過程中影響庫容容積精度的因素；其次，探討高精度自動(dòng)測量Ⅰ級(jí)全站儀、隧道斷面測量系統(tǒng)和三維實(shí)體建模軟件的組合應(yīng)用，根據(jù)采集的斷面點(diǎn)集數(shù)據(jù)，通過人工計(jì)算和建模自動(dòng)計(jì)算的相互驗(yàn)證，并與第三方成果對(duì)比分析；最后，創(chuàng)建洞庫三維模型，水平剖切得到規(guī)定要求的一定深度容積計(jì)量表、切片圖和洞庫三維模型切片儲(chǔ)量報(bào)告。結(jié)果表明： 采用斷面法測量洞庫庫容是一種比較可行的測量方法，易操作，能保證精度要求。

關(guān)鍵詞：黃島地下水封洞庫； 液化石油氣(LPG)洞庫； 庫容測量； 斷面測量； 建模； 測量精度

0引言

地下LPG水封洞庫屬于施工新領(lǐng)域，相關(guān)規(guī)范規(guī)定，洞庫工程驗(yàn)收后，應(yīng)對(duì)洞罐的形狀和容積進(jìn)行測量[1-2]，但目前地下洞罐庫容測量還沒有成熟的測量方法和相關(guān)技術(shù)資料。本文提出把地下洞庫的單個(gè)洞室或巷道作為特殊尺寸的隧道，整個(gè)洞庫單元隧道容積的累加就是洞庫的總庫容，單元隧道的容積可以采用激光斷面法和掃描法測量計(jì)算。在實(shí)際應(yīng)用中，高益健等[3]運(yùn)用激光機(jī)載軟件斷面法進(jìn)行了地鐵隧道的斷面面積測量，盧松耀等[4]運(yùn)用PDA后處理軟件激光斷面法進(jìn)行了地鐵隧道的斷面面積測量，周景全[5]和孫昊等[6]運(yùn)用激光斷面法進(jìn)行了隧道的圍巖收斂測量。三維激光掃描儀法僅用于隧道的變形監(jiān)測[7-8]和常規(guī)斷面面積測量[9-11]，并沒有用于洞庫容積的測量計(jì)算。黃島50萬m3庫容測量采用激光斷面法，結(jié)合現(xiàn)有的常用測量設(shè)備，分析了影響洞庫容積精度的因素，根據(jù)庫容測量原理，制定了切實(shí)可行的測量方案，從而實(shí)現(xiàn)了地下LPG水封洞庫的庫容測量。

1洞庫庫容測量

1.1洞庫庫容測量要求

根據(jù)規(guī)范要求，庫容測量斷面間距不宜大于2 m，環(huán)向測點(diǎn)間距不宜大于0.5 m，2次庫容測量誤差不應(yīng)大于0.5%。

1.2影響洞庫庫容精度因素分析

地下儲(chǔ)庫斷面結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件復(fù)雜，以黃島50萬m3LPG丙烷庫為例，含連接巷道就有7種斷面，見圖1，且斷面開挖粗糙。

圖1　丙烷庫的三視圖

采用斷面法測量洞庫庫容，常規(guī)斷面中，2個(gè)平行斷面間所夾的體積按梯形柱體法計(jì)算。因此，洞庫庫容的中誤差

(1)

由式(1)可得洞庫體積的相對(duì)中誤差為

(2)

由式(2)可以看出，洞庫體積的相對(duì)中誤差主要受斷面面積相對(duì)中誤差和洞庫長度l方向增量的相對(duì)中誤差影響，即影響洞庫總?cè)萘烤鹊闹饕蛩貫閿嗝鏈y量的精度和斷面間距的精度。

1.2.1斷面測量精度

斷面測量時(shí)，斷面上采樣到的每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成了庫容的最基本單元，點(diǎn)的集合決定了洞庫的總庫容，斷面上點(diǎn)位的精度和密度影響著斷面的面積測量精度。斷面測量系統(tǒng)中采集到的每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)都是通過對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行測角、測邊計(jì)算得出來的，可見，斷面的測量精度決定于全站儀的測角、測邊精度和斷面點(diǎn)位密度。

1.2.1.1測邊、測角精度

黃島LPG洞庫主要由城門型和三心圓型2種斷面組成。其中： 城門型斷面主要分布在連接巷道，共計(jì)有7種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的斷面； 三心圓型主要分布在主洞庫，斷面結(jié)構(gòu)參數(shù)只有1種，其最大高度26 m、最大寬度18 m。為方便分析，假設(shè)主洞庫是半徑為R的圓斷面，則有面積S=πR2，設(shè)面積測量中誤差為mS、半徑測量中誤差為mR，根據(jù)誤差傳播定律，可得

(3)

日常使用的全站儀測邊中誤差為±2～±5 mm，洞庫斷面最大高度不超過30 m，則斷面面積測量誤差為1/3 000～1/7 500，小于0.5%的誤差要求。同樣，設(shè)儀器的方向測角中誤差為mβ，則有

(4)

由此可知，日常普遍使用的2～5″級(jí)全站儀，其對(duì)斷面面積測量精度的影響遠(yuǎn)小于0.5%的誤差要求。

1.2.1.2點(diǎn)位密度

點(diǎn)位密度就是測量斷面上點(diǎn)的分布狀態(tài)，在實(shí)際測量過程中，也就是全站儀采樣的點(diǎn)與點(diǎn)之間的間隔距離或相鄰點(diǎn)與點(diǎn)之間的角度分隔值。由于洞庫施工后沒有進(jìn)行二次襯砌，洞壁僅進(jìn)行了初噴，洞壁表面凹凸不平，采樣點(diǎn)就是在粗糙的表面上測量，凹凸的差值大小不一，使斷面采樣存在著代表性誤差問題。對(duì)于整個(gè)洞庫來說，凹凸的差值符合正態(tài)分布規(guī)律，這樣通過約束固定采樣點(diǎn)位的密度就可以解決洞庫庫容的代表性誤差。黃島地下水封洞庫斷面最大半徑為26 m，實(shí)際采集斷面點(diǎn)時(shí)按半徑大小設(shè)定，根據(jù)點(diǎn)的密度增大、點(diǎn)與點(diǎn)之間的曲線(弧長)近似為直線(弦長)的原則，計(jì)算點(diǎn)間距為0.45 m。

1.2.2斷面間距精度

由式(2)可知，斷面間距精度就是垂直于斷面方向的洞庫長度增量的相對(duì)中誤差，實(shí)際是測站點(diǎn)的測量精度，測站點(diǎn)的測量精度主要表現(xiàn)為控制網(wǎng)的測量精度。黃島洞庫庫容測量導(dǎo)線控制網(wǎng)長度為5 325.621 m，測角中誤差為2.06″，導(dǎo)線全長相對(duì)閉合差為1/37 682，優(yōu)于四等導(dǎo)線測量精度。黃島洞庫縱向最大長度322 m，參考實(shí)測的控制網(wǎng)精度和庫容測量誤差不大于0.5%的規(guī)定，斷面間距為1.61 m，滿足規(guī)范對(duì)于庫容測量斷面間距不應(yīng)大于2 m的規(guī)定。

1.3庫容測量原理

黃島LPG洞庫容積測量以洞庫的單個(gè)洞室或巷道作為特殊尺寸的隧道為模型，采用高精度免棱鏡智能型Ⅰ級(jí)全站儀+機(jī)載斷面軟件進(jìn)行斷面測量，沿洞庫方向按照一定間距采集垂直或水平斷面。根據(jù)各斷面實(shí)測的斷面線，計(jì)算出斷面面積和斷面間距，并計(jì)算出各洞庫的容積，然后對(duì)采集的三維測量數(shù)據(jù)借助專業(yè)軟件進(jìn)行洞庫三維空間實(shí)體模型的建立，使得產(chǎn)生的模型形狀可以用來三維可視化，從而計(jì)算出某一水平面高程下的洞庫容積，得到實(shí)體容量報(bào)告。

1.4主要測量設(shè)備

洞庫測量需要一些設(shè)備和軟件來完成三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的采集、測量數(shù)據(jù)的處理和模型的建立等，見表1。

表1　測量設(shè)備軟件一覽表

1.5洞庫庫容測量方案實(shí)施

黃島庫容測量中使用了標(biāo)準(zhǔn)精度為0.5″、1×10-6mm的徠卡TM30和TS30精密測量機(jī)器人，采用了配套的TPS斷面測量系統(tǒng)。庫容測量前，應(yīng)將洞罐以及所有測量部位的粉塵、碎石渣等雜質(zhì)用高壓水沖刷干凈，并保持洞罐及各測量部位底板無積水。

1.5.1建立洞庫測量控制網(wǎng)

以地面控制點(diǎn)或洞內(nèi)施工控制點(diǎn)為基準(zhǔn)，對(duì)整個(gè)洞庫建立統(tǒng)一的測量控制網(wǎng)，在控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上對(duì)需要測量的部位進(jìn)行控制點(diǎn)加密，測量使用精密全站儀依據(jù)四等精度指標(biāo)完成，經(jīng)平差計(jì)算后得到各控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

1.5.2定義TPS隧道斷面測量系統(tǒng)參數(shù)

對(duì)洞庫的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行復(fù)核后，在全站儀的斷面測量系統(tǒng)中依據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)定義平曲線、豎曲線和各測量部位的設(shè)計(jì)斷面參數(shù)，得到閉合的設(shè)計(jì)參考斷面。其中，豎曲線和平曲線的錄入工作相對(duì)較容易，能較快完成錄入和比對(duì)復(fù)核工作；設(shè)計(jì)橫斷面的錄入，要先建立斷面坐標(biāo)系，見圖2。橫斷面曲線要素?cái)?shù)據(jù)根據(jù)右手坐標(biāo)系求得，坐標(biāo)系以線路在斷面里程處設(shè)計(jì)標(biāo)高點(diǎn)為原點(diǎn)，以線路中線前進(jìn)方向右側(cè)法線為X軸，以原點(diǎn)天頂方向?yàn)閅軸，輸入設(shè)計(jì)斷面時(shí)，按照順時(shí)針方向依次輸入每段直線和圓弧。需注意的因素有坐標(biāo)系及原點(diǎn)的確定、大里程方向和順時(shí)針方向； 輸入要素有各線型變化處的坐標(biāo)、線型、半徑和圓心角； 斷面線型有直線及圓，斷面必須要封閉。

圖2　設(shè)計(jì)斷面圖

1.5.3斷面三維數(shù)據(jù)

1.5.3.1數(shù)據(jù)采集

在洞庫(巷道)底板中線附近架設(shè)全站儀并對(duì)中整平，采用自由設(shè)站的方法，可以得到測站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，經(jīng)設(shè)站精度滿足要求和用第3個(gè)點(diǎn)檢核無誤時(shí)，方可置全站儀為無棱鏡模式，選擇平曲線、豎曲線、斷面類型、點(diǎn)間距和斷面間距等設(shè)計(jì)參數(shù)。按照里程方向1 m和垂直方向0.45 m的點(diǎn)間距設(shè)置，然后自動(dòng)開始測量掃描，凹凸點(diǎn)人工加密采集，并記錄斷面里程，測量點(diǎn)的點(diǎn)號(hào)、偏中距、高差和三維坐標(biāo)。洞庫封頭和交叉口斷面的數(shù)據(jù)按照相貫線的畫法逐點(diǎn)加密采集。

1.5.3.2數(shù)據(jù)格式

橫斷面數(shù)據(jù)導(dǎo)出為文本文件，每一斷面以“》”分界，后面緊跟該斷面里程和設(shè)計(jì)標(biāo)高。下一行為測量點(diǎn)信息，分別以點(diǎn)號(hào)、偏中距、高差、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和H高程排列，這樣做的目的是為后續(xù)數(shù)據(jù)域處理帶來方便。

1.5.4洞庫的建模和剖切

1.5.4.1測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理

軟件采用測量數(shù)據(jù)庫來處理測量數(shù)據(jù)。首先把斷面測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成線文件格式(線文件中的每一個(gè)斷面點(diǎn)先組合成段，由一個(gè)洞庫的所有段組成線串)，然后編程對(duì)原始測量數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，采用VB6.0編寫，可以輕松地實(shí)現(xiàn)庫容測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到三維軟件所需的線文件數(shù)據(jù)格式 .str文件。

1.5.4.2洞庫的建模

實(shí)體模型是由一系列相鄰的三角面包裹成內(nèi)外部透氣的實(shí)體。實(shí)體是由一系列在線上的點(diǎn)連成內(nèi)外部透氣的三角網(wǎng)。任何三角面的邊必須有相鄰的三角面，任何三角面的3個(gè)頂點(diǎn)，必須依附在有效的點(diǎn)上，否則實(shí)體是開放的或是無效的。實(shí)體模型中的三角形是個(gè)完全封閉的結(jié)構(gòu)，將其定義成實(shí)心體或者空心體模型，產(chǎn)生的形狀可以用來三維可視、計(jì)算體積、計(jì)算任意方位的切割剖面等，如圖3所示。

圖3洞體形成示意圖

Fig. 3Flowchart of modeling cavern formation

根據(jù)斷面測量方法，選擇剖面線建模法，以黃島丙烷洞庫為例，通過斷面線建模和創(chuàng)建三角網(wǎng)，構(gòu)成實(shí)體模型。將實(shí)體的兩端封閉起來，就形成了洞庫的實(shí)體，如圖4所示。

圖4　實(shí)體模型構(gòu)成圖

1.5.4.3實(shí)體的有效性驗(yàn)證

組成實(shí)體的各三角面若存在自相交、無相鄰邊、重復(fù)邊和無效邊，則不是有效的實(shí)體，無效的實(shí)體不能計(jì)算體積、空間約束和邏輯運(yùn)算等。

1.5.4.4洞庫實(shí)體運(yùn)算

通過實(shí)體的有效性驗(yàn)證，在實(shí)體之間、實(shí)體與面之間進(jìn)行空間交集、并集和差集的運(yùn)算。通過實(shí)體運(yùn)算，先形成各洞室的分體圖，再形成洞庫的合并體圖，最后形成洞庫的實(shí)體模型圖，如圖5所示。

圖5　形成的丙烷庫實(shí)體模型圖

合并完成后要對(duì)實(shí)體進(jìn)行有效性驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后對(duì)模型進(jìn)行保存，以便以后對(duì)模型操作。

1.5.4.5洞庫實(shí)體模型的剖切

定義以Z軸作為剖面軸線，以軸的垂直方向進(jìn)行剖切，定義庫容計(jì)量起點(diǎn)高程，輸入剖面標(biāo)高，軟件就會(huì)自動(dòng)計(jì)算并繪制出該標(biāo)高的剖面。黃島丙烷洞庫-145 m的剖切圖如圖6所示。

圖6　丙烷洞庫-145 m標(biāo)高處容積曲線圖

Fig. 6Storage capacity curves of propane storage cavern at altitude -145 m

2洞庫總庫容的計(jì)算

2.1建模軟件自動(dòng)計(jì)算

依據(jù)構(gòu)建好的洞庫三維立體模型，通過實(shí)體的有效性驗(yàn)證，可以自動(dòng)生成實(shí)體報(bào)告文件，文件中包含洞庫總體積和按高程間隔值計(jì)算的體積。以黃島LPG洞庫為例，按高程計(jì)算體積一覽表見表2。

圖層名為黃島LPG三維仿真模型10.dtm；

高程間隔值為0.01 cm (即按照1 cm/個(gè)斷面進(jìn)行切片)；

體=1;

三角網(wǎng)=1;

驗(yàn)證=通過;

狀態(tài)=實(shí)心體;

三角網(wǎng)坐標(biāo)范圍：X最小219 759.146,X最大219 903.713;Y最小101 356.327,Y最大101 691.681；Z最小-116.485，Z最大-87.259。

表2　按高程計(jì)算體積一覽表

2.2人工計(jì)算

通過人工編程，計(jì)算所有的垂直或水平斷面面積，再與每個(gè)測量單元的長度積分求得總庫容，人工計(jì)算模型見圖7。

圖7　人工計(jì)算模型

計(jì)算公式為：

(5)

(6)

采集的洞庫斷面面積可借助TPS隧道測量數(shù)據(jù)后處理功能模塊進(jìn)行，橫斷面面積數(shù)據(jù)見圖8。

圖8　TPS斷面測量系統(tǒng)后處理模塊(單位： m)

Fig. 8Reprocessing module of TPS cross-section measuring system(m)

將人工計(jì)算的總庫容與自動(dòng)計(jì)算的總庫容相互比較驗(yàn)證。黃島洞庫設(shè)計(jì)總庫容為505 301 m3,人工計(jì)算總庫容為512 945.479 m3，建模計(jì)算總庫容為513 631.791 m3，人工計(jì)算總庫容和建模計(jì)算總庫容相差686.312 m3,其中第三方斷面法測量計(jì)算總庫容為511 152.472 m3，誤差小于0.5%。

3結(jié)論與討論

1)利用常規(guī)全站儀采用斷面測量法測量庫容，其數(shù)據(jù)采集過程簡單方便，內(nèi)業(yè)人工計(jì)算和建模自動(dòng)計(jì)算可以相互驗(yàn)證，此方法簡單、易懂、易操作。

2)采用斷面法測量，影響庫容容積精度的主要因素在于斷面上點(diǎn)位的采樣精度和密度，可以通過選用精度較高的智能化自動(dòng)全站儀和加大采集密度的方法來提高庫容容積精度。

3)由于庫容測量的是洞庫施工后的空間體積，所以庫容測量控制網(wǎng)可以由施工控制網(wǎng)引測，也可以對(duì)洞庫建立相對(duì)獨(dú)立的控制網(wǎng)。根據(jù)施工控制網(wǎng)布網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)在于能隨時(shí)檢查洞內(nèi)施工情況。

4)在斷面交叉口處采集數(shù)據(jù)時(shí)，盡可能在不同的斷面范圍內(nèi)多測量幾組斷面，并對(duì)凹凸點(diǎn)人工加密采集。

5)洞庫建模要選擇合適的建模方法，對(duì)所有的數(shù)字化段進(jìn)行分析解譯，對(duì)有問題的三角網(wǎng)要手工編輯并多次驗(yàn)證。

6)從影響洞庫總庫容的精度因素來看，選擇合適的洞庫主軸線和斷面密度是保證總庫容精度的關(guān)鍵。

斷面法測量雖然簡單易行，但若遇到上百萬m3的洞庫庫容，投入的人力、財(cái)力、設(shè)備會(huì)更大，測量時(shí)間會(huì)更長，這些將影響到測量單位的經(jīng)濟(jì)成本。

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Study on Storage Capacity Measurement of Huangdao Underground Liquefied Petroleum Gas (LPG) Water-sealed Cavern

LYU Hongquan

(TheFirstConstructionDivisionCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Chongqing401121,China)

Abstract:The storage capacity of underground liquefied petroleum gas (LPG) water-sealed cavern has to be measured after acceptance. In this paper, the measuring model of Huangdao underground LPG water-sealed cavern is decided； and then the factors effecting the storage capacity of cavern during cross-section measurement are analyzed; the combination application of Grade I high-precision automatic total station, tunnel cross-section measuring system and 3D entitative modeling software is discussed; the artificially calculated results and the modelling automatic calculation results based on data collected are compared with results from the third party. Finally, a 3D model of the cavern is established； and a series of achievement is obtained. The results show that the cross-sectional measuring method is feasible and convenient, and it can meet the precision requirements of storage capacity measurement.

Keywords:Huangdao Underground Water-sealed Cavern; liquefied petroleum gas(LPG) storage cavern; storage capacity measurement; cross-section measurement; modeling; measuring precision

中圖分類號(hào)：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1672-741X(2016)03-0309-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.010

作者簡介：呂宏權(quán)(1970—)，男，河南新安人，1995年畢業(yè)于鄭州解放軍測繪學(xué)院，工程測量專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事施工技術(shù)工作。E-mail： 631620305@qq.com。

收稿日期：2015-10-10； 修回日期： 2015-12-09