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(武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

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導(dǎo)向儀系統(tǒng)在城市非開(kāi)挖非金屬管道探測(cè)中的應(yīng)用

劉傳逢*，張?jiān)葡?，楊曉東，吳嵩

(武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

城市地下管線是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，采用非開(kāi)挖技術(shù)敷設(shè)的非金屬管道給地下管線探測(cè)工作提出新的挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)城市建設(shè)中對(duì)地下管線高精度探測(cè)技術(shù)要求，筆者針對(duì)一端或兩端出露并有開(kāi)口的非金屬管道，采用管道穿線器導(dǎo)引和CCTV管道檢測(cè)機(jī)器人攜帶導(dǎo)向儀系統(tǒng)傳感器進(jìn)入非金屬管道中進(jìn)行探測(cè)實(shí)驗(yàn)，取得了較好的應(yīng)用效果。關(guān)鍵詞：地下管線；非開(kāi)挖；非金屬管道；導(dǎo)向儀

1 引 言

城市地下管線是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是城市運(yùn)行的生命線。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促使城市地下管線的材質(zhì)、施工方式不斷發(fā)生變化，金屬材料被穩(wěn)定可靠、耐老化、耐腐蝕的聚乙烯PE，聚氯乙烯PVC等非金屬材料替代；城市建設(shè)中的交通繁忙、建筑物密集、地下管線復(fù)雜地區(qū)，明挖施工方式被非開(kāi)挖技術(shù)替代[1]，而這些變化給地下管線探測(cè)工作提出了新的挑戰(zhàn)[2]。

目前傳統(tǒng)的地下管線探測(cè)方法主要是頻率域電磁法和探地雷達(dá)法。頻率域電磁法僅能探測(cè)管線材質(zhì)為金屬管線或電纜，對(duì)于埋深較淺的未穿線非金屬管線可以采用示蹤探頭法，探測(cè)深度在 5 m范圍內(nèi)精度較高[3]。非金屬管線的探測(cè)主要采用探地雷達(dá)法，但該方法探測(cè)效果往往受到探測(cè)場(chǎng)地、地質(zhì)條件和地下水位高度的影響，效率相對(duì)低下。目前采用非開(kāi)挖技術(shù)施工的大埋深地下管線，多為非金屬材質(zhì)，且埋深幾乎都在 5 m～20 m范圍，傳統(tǒng)的地下管線探測(cè)方法已不再適用。

水平定向鉆進(jìn)技術(shù)是非開(kāi)挖技術(shù)領(lǐng)域主導(dǎo)地位并且發(fā)展最快的高新技術(shù)，它是利用水平定向鉆機(jī)以可控鉆孔軌跡的方式，在不同地層和深度鉆進(jìn)并通過(guò)跟蹤與導(dǎo)向儀導(dǎo)向抵達(dá)設(shè)計(jì)位置而鋪設(shè)地下管線的施工新方法。非開(kāi)挖導(dǎo)向儀系統(tǒng)是一個(gè)用以輔助使用者判斷并跟蹤非開(kāi)挖水平定向鉆機(jī)地下鉆頭的位置和方向的導(dǎo)向儀器。由于導(dǎo)向儀系統(tǒng)的最大探測(cè)深度可達(dá) 28 m，具有抗干擾強(qiáng)，信號(hào)穩(wěn)定，精度高的特點(diǎn)，可以解決非開(kāi)挖技術(shù)施工大埋深非金屬地下管線探測(cè)的難題。為了滿(mǎn)足非金屬管道高精度探測(cè)詳查的要求，武漢市測(cè)繪研究院針對(duì)一端或兩端出露并有開(kāi)口的非金屬管道，采用管道穿線器導(dǎo)引和CCTV管道檢測(cè)機(jī)器人攜帶導(dǎo)向儀系統(tǒng)傳感器進(jìn)入非金屬管道中，通過(guò)采用接收器探測(cè)傳感器位置、埋深，從而確定非金屬管道的位置和埋深的方法進(jìn)行探測(cè)實(shí)驗(yàn)，取得了較好的效果，可以滿(mǎn)足探測(cè)的精度要求。

2 探測(cè)設(shè)備及方法

導(dǎo)向儀系統(tǒng)定位測(cè)深技術(shù)的基本原理是利用傳感器螺線管天線發(fā)射的電磁場(chǎng)的分布特征，位于地面的接收器采用一個(gè)或多個(gè)天線對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行接收，判斷計(jì)算出關(guān)于發(fā)射螺線管天線的位置和深度信息。圖1所示為美國(guó)DCI(Digital Control Inc.)公司最新的DigiTrak F5地下定位系統(tǒng)，由接收器、傳感器、遠(yuǎn)程顯示器、電池充電器系統(tǒng)、可充電電池組構(gòu)成。

圖1 DigiTrak F5定位系統(tǒng)

劉國(guó)安等[4]引進(jìn)導(dǎo)向儀系統(tǒng)探測(cè)非開(kāi)挖的大埋深電力頂管，實(shí)踐結(jié)果顯示該探測(cè)方法效果明顯。李超等[5]在頂管探查中使用了全新的DigiTrak Eclipse定位系統(tǒng)，解決了管線探測(cè)中無(wú)法準(zhǔn)確探測(cè)頂管的難題，大大提高了管線探測(cè)精度。邱劍等[6]對(duì)該項(xiàng)探測(cè)技術(shù)申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利“一種運(yùn)用導(dǎo)向儀進(jìn)行深層地下管線探測(cè)的方法”，并詳細(xì)介紹了該種探測(cè)方法的操作流程：①在地面上對(duì)導(dǎo)向儀的接收器和傳感器進(jìn)行測(cè)深校準(zhǔn)；②將導(dǎo)向儀的傳感器固定在管道穿管器上，使傳感器處于工作狀態(tài)，然后利用管道穿管器從管線出露處將傳感器送入管口內(nèi)；③用導(dǎo)向儀的接收器確定傳感器的初始位置以及測(cè)量出初始的埋深，量測(cè)管口的實(shí)際位置和埋深，并計(jì)算出導(dǎo)向儀所測(cè)的初始位置及量測(cè)的實(shí)際位置之間的差值V1，導(dǎo)向儀所測(cè)的埋深與量測(cè)的實(shí)際埋深之間的差值V2，即為修正值V1、V2。④將傳感器按照預(yù)定的距離依次往前推送，接收器跟蹤傳感器的移動(dòng)軌跡，并在地面上根據(jù)前定位點(diǎn)、后定位點(diǎn)和定位線測(cè)出傳感器所處的位置及對(duì)應(yīng)埋深；⑤根據(jù)所穿管的修正值V1、V2，修正其管的中心位置和埋深。

該探測(cè)方法具有如下特征[4]：①該方法僅適用于非金屬管線探測(cè)，金屬管線易屏蔽傳感器發(fā)射的一次磁場(chǎng)；②需要根據(jù)不同埋深、不同管徑管線選擇不同類(lèi)型傳感器；③根據(jù)管道周?chē)蓴_復(fù)雜程度，可以采用單頻或雙頻壓制干擾，提高探測(cè)精度；④確保探測(cè)管線具備傳感器穿越空間；⑤如管孔內(nèi)存在淤積現(xiàn)象，需要采用高壓水槍或空氣壓縮機(jī)方式清理管孔，確保管道暢通。

3 工程實(shí)例

3.1 武漢市某路口探測(cè)非開(kāi)挖敷設(shè)電力空管

武漢市某路口擬采用暗挖方法新建一條地下通道，而在設(shè)計(jì)通道北側(cè)有一條非開(kāi)挖敷設(shè)電力管道，管道并未穿線，需要對(duì)該條電力空管進(jìn)行準(zhǔn)確定位及定深，以確定最終設(shè)計(jì)方案。由于常規(guī)的頻率域電磁法無(wú)法探測(cè)空管，現(xiàn)場(chǎng)不具備良好的接地條件無(wú)法采用主動(dòng)源示蹤線法，被動(dòng)源示蹤探頭法由于采用和管線儀類(lèi)似的定位定深方法，深度大于 5 m時(shí)誤差較大，無(wú)法滿(mǎn)足探測(cè)精度要求。本次采用管道穿線器導(dǎo)引導(dǎo)向儀系統(tǒng)傳感器模擬非開(kāi)挖管道施工過(guò)程，進(jìn)而確定已埋設(shè)電力空管的平面位置和埋深。

圖2 導(dǎo)向儀系統(tǒng)探測(cè)電力頂管縱剖面分析圖 探測(cè)點(diǎn)地面高程、管線埋深和管線高程 表1

探測(cè)方法采用與“一種運(yùn)用導(dǎo)向儀進(jìn)行深層地下管線探測(cè)的方法”相同的操作流程，利用DigiTrak F5定位系統(tǒng)接收器沿管道接收傳感器信號(hào)，每 4 m記錄1次定深及定位數(shù)據(jù)。圖2為導(dǎo)向儀系統(tǒng)探測(cè)電力頂管縱剖面分析圖，表1列舉了各探測(cè)點(diǎn)的地面高程，埋深及管線高程。 圖2可見(jiàn)該電力頂管在垂向上呈圓弧形狀，連續(xù)性較好，最大埋深達(dá)到 8 m，對(duì)該電力頂管的探測(cè)效果較好。

3.2 武漢市某別墅區(qū)探測(cè)預(yù)埋雨水管道

測(cè)區(qū)為一別墅區(qū)高爾夫球場(chǎng)，預(yù)埋有一條管徑 400 mm PVC材質(zhì)的雨水管道，測(cè)區(qū)內(nèi)3個(gè)雨水檢修井被掩埋，該雨水管道敷設(shè)時(shí)未留下標(biāo)明管道位置及埋深的相關(guān)竣工資料。由于測(cè)區(qū)內(nèi)禁止開(kāi)挖，傳統(tǒng)開(kāi)井調(diào)查排水管道的測(cè)量方法無(wú)法進(jìn)行。采用管道潛望鏡對(duì)該管道進(jìn)行初勘時(shí)發(fā)現(xiàn)，該管道水流較小，淤泥也較少，具備采用CCTV管道檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行檢測(cè)的條件，設(shè)計(jì)采用CCTV管道檢測(cè)機(jī)器人攜帶導(dǎo)向儀系統(tǒng)傳感器進(jìn)入雨水管道內(nèi)進(jìn)行探測(cè)的方案。

本次采用設(shè)備為DigiTrak F5地下定位系統(tǒng)(圖1)和TVS-2000管道內(nèi)窺攝像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖3)，利用管道機(jī)器人將傳感器帶入雨水管道內(nèi)，利用DigiTrak F5地下定位系統(tǒng)對(duì)傳感器定位及定深。由于導(dǎo)向儀系統(tǒng)定位定深采用的是電磁感應(yīng)原理，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示帶電工作的CCTV管道檢測(cè)機(jī)器人對(duì)導(dǎo)向儀系統(tǒng)干擾較大，影響測(cè)量精度，故將傳感器固定于距離管道檢測(cè)機(jī)器人尾部 2.3 m處線纜上，再次試驗(yàn)結(jié)果顯示不受干擾。

攜帶導(dǎo)向儀系統(tǒng)傳感器的CCTV管道檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)入雨水管道后將初始“管道長(zhǎng)度”置零，然后控制機(jī)器人勻速前進(jìn)，線纜盤(pán)對(duì)管道檢測(cè)機(jī)器人“管道長(zhǎng)度”進(jìn)行精確標(biāo)定。為進(jìn)一步增加探測(cè)精度，管道檢測(cè)機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中在適當(dāng)距離增加探測(cè)點(diǎn)，分別在 “管道長(zhǎng)度”為 12.3 m，19.7 m， 32.3 m， 42.15 m處對(duì)傳感器定位及定深，編號(hào)分別為探點(diǎn)1，2，3，4；同時(shí)在地面上采用WHCORS系統(tǒng)RTK作業(yè)方法采集這些定位點(diǎn)，雨水管道圖如圖4所示。其中，在管道檢測(cè)機(jī)器人“管道長(zhǎng)度” 17.39 m處可見(jiàn)一檢修井井蓋，如圖5所示；“管道長(zhǎng)度” 41.98 m處管道內(nèi)可見(jiàn)一明顯障礙物，管道檢測(cè)機(jī)器人無(wú)法繼續(xù)行進(jìn)，如圖6所示。雖然本次實(shí)例未能探測(cè)出剩余的兩處檢修井位置及埋深，但實(shí)踐結(jié)果表明，采用CCTV管道檢測(cè)機(jī)器人和導(dǎo)向儀系統(tǒng)相結(jié)合的方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)非金屬排水管道的探測(cè)，而且探測(cè)的精度非常高。

圖3 TVS-2000管道內(nèi)窺攝像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖4 雨水管道圖

圖5 CCTV管道檢測(cè)機(jī)器人“管道長(zhǎng)度”17.39 m處影像圖

圖6 CCTV管道檢測(cè)機(jī)器人“管道長(zhǎng)度”41.98 m處影像圖

4 結(jié) 語(yǔ)

城市建設(shè)中廣泛采用非開(kāi)挖技術(shù)施工地下管道給管線探測(cè)人員提出新的挑戰(zhàn)，我院通過(guò)采用管道穿線器導(dǎo)引和CCTV管道檢測(cè)機(jī)器人攜帶導(dǎo)向儀系統(tǒng)傳感器進(jìn)入非金屬管道中進(jìn)行探測(cè)實(shí)驗(yàn)，取得較好的應(yīng)用效果。

目前，對(duì)于正在使用中的非金屬燃?xì)?、給水和高壓污水管道，不具備應(yīng)用此方法的條件，主要采取探地雷達(dá)法或其他物探方法進(jìn)行精確定位[2，7]。城市建設(shè)管理部門(mén)除應(yīng)加強(qiáng)施工監(jiān)管和資料備案，可應(yīng)用該方法對(duì)非開(kāi)挖技術(shù)施工管道進(jìn)行竣工驗(yàn)收。

[1] 王鵬，張偉. 中國(guó)非開(kāi)挖地下管線施工—市場(chǎng)潛力、技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 地質(zhì)與勘探，1998，34(2)： 63～66.

[2] 楊振濤. 非開(kāi)挖管線探測(cè)方法及其適用性分析[J]. 上海國(guó)土資源，2011(2)： 67～70+78.

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The Application of Guidance Instrument System In Detection of Urban Non-metallic Pipeline by the Trenchless Technology

Liu Chuanfeng，Zhang Yunxia，Yang Xiaodong，Wu Song

(Wuhan Geomatic Institute，Wuhan 430022，China)

Urban underground pipeline is an important urban infrastructure，the use of trenchless technology for laying underground non-metallic pipeline brings new challenges for detection. In response to the high accuracy requirements in underground pipeline detection，in one side or both sides exposed and with opening non-metallic pipeline，we use pipeline threader guide or CCTV pipeline inspection robot carrying guide instrument system sensor into the non-metallic pipeline for detection experiments，and achieve good application effects.

underground pipeline；trenchless；non-metallic pipeline；guide instrument

1672-8262(2016)05-163-04

P631

B

2016—05—30

劉傳逢(1976—)，男，正職高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事地下管線探測(cè)及交通市政工程測(cè)量等技術(shù)工作。