曾文鋒 王 偉 田 磊(深圳供電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 深圳 518000)
隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定地增長,城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快,我國的地下管線的敷設(shè)量也在逐年增加[1,2]。城市交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下管線復(fù)雜的背景下,電纜管道敷設(shè)施工常采用非開挖頂管技術(shù),而非開挖頂管敷設(shè)的電纜管道通常埋深較深,傳統(tǒng)的測(cè)量方法不能滿足竣工驗(yàn)收測(cè)量的需要,無法獲得電纜管道準(zhǔn)確的三維坐標(biāo),導(dǎo)致后期運(yùn)維困難,在后續(xù)施工中安全隱患多,導(dǎo)致管道施工事故的發(fā)生[3,4]。目前,非開挖頂管準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)測(cè)量還沒有可靠性強(qiáng)的方法,為此我們采用管道三維姿態(tài)測(cè)量儀應(yīng)用于非開挖頂管的三維坐標(biāo)測(cè)量,結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和具體的工程案例探討該方法的可靠性及有效性。
對(duì)于非開挖頂管的測(cè)量多采用管線探測(cè)儀或?qū)騼x,探地雷達(dá)等,由于城市地下管線近間距并行管線較多,電磁信號(hào)常常耦合到非目標(biāo)管線上去,使定位發(fā)生誤差。這些方法受電磁場(chǎng)、管線材質(zhì)、埋設(shè)深度等較多因素的影響,無法在復(fù)雜的地下管線中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位,非開挖頂管測(cè)量的精度往往無法保證。因此,非開挖電纜頂管的三維坐標(biāo)測(cè)量,采集連續(xù)準(zhǔn)確的三維空間位置和形狀,已經(jīng)是行業(yè)內(nèi)技術(shù)研究的難題之一。
管道三維姿態(tài)測(cè)量儀是基于慣導(dǎo)原理的慣性陀螺儀,無論是金屬管線或非金屬管線、超深管線探測(cè)中都可以應(yīng)用,對(duì)于管線的埋設(shè)深度目前已知的都可以探測(cè),精度達(dá)到厘米級(jí)甚至到毫米級(jí)。DT-GXY-200是基于MEMS慣性測(cè)量單元的三維姿態(tài)測(cè)量儀器,該儀器在管道內(nèi)穿行過程中可對(duì)自身三軸姿態(tài)角、當(dāng)前加速度,行進(jìn)里程進(jìn)行測(cè)量,通過積分算法對(duì)這些姿態(tài)量進(jìn)行分析和計(jì)算以最終獲得管道的三維坐標(biāo),儀器測(cè)量效率高、數(shù)據(jù)連續(xù),且測(cè)量過程不受管道埋設(shè)深度、管道材質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾的影響。
圖1 管道三維姿態(tài)測(cè)量儀三維系統(tǒng)
慣性測(cè)量單元(IMU)包含三軸的陀螺儀、三軸加速度計(jì),其軌跡測(cè)量原理,慣性定位基于簡(jiǎn)單的原理:即通過加速的雙重積分確認(rèn)其位置。
式中,a(t)為當(dāng)前加速度。陀螺儀在管道內(nèi)勻速前行時(shí),記錄陀螺儀按照125Hz的頻率記錄其在管道的各類姿態(tài)數(shù)據(jù),并存儲(chǔ)于儀器自帶的儲(chǔ)存設(shè)備中,儀器在管道內(nèi)勻速運(yùn)行一個(gè)來回后,將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用軟件內(nèi)結(jié)合管道端點(diǎn)(入口和出口)的基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)解算。
管道三維姿態(tài)測(cè)量儀測(cè)量主要包括現(xiàn)場(chǎng)踏勘,確定測(cè)量方案、管道中心線起點(diǎn)和終點(diǎn)三維坐標(biāo)測(cè)量(基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量)、牽引線穿管、調(diào)節(jié)前后支架、慣導(dǎo)陀螺儀測(cè)量、檢查數(shù)據(jù)與精度分析、繪制平斷面圖等主要流程,管道三維姿態(tài)測(cè)量儀測(cè)量的工作示意圖及工作流程(如圖2、圖3所示):
圖2 管道三維姿態(tài)測(cè)量儀測(cè)量的工作示意圖
圖3 管道三維姿態(tài)測(cè)量儀測(cè)量工作流程圖
實(shí)驗(yàn)過程中采用的儀器是“DT-GXY-200”管道三維姿態(tài)測(cè)量儀,為了驗(yàn)證管道三維姿態(tài)測(cè)量儀測(cè)量的精度及可靠性,本次實(shí)驗(yàn)在空曠的場(chǎng)地模擬非開挖頂管的空間形態(tài)分布,管道參數(shù)為:材質(zhì)HDPE、管內(nèi)徑150mm、長度84.25m。
(1)為保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量,利用GPS-RTK測(cè)量控制點(diǎn)作為起算依據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,設(shè)置相互通視的3個(gè)控制點(diǎn)作為管道三維姿態(tài)測(cè)量儀測(cè)量及全站儀測(cè)量的共同參考點(diǎn)。
(2)將管道三維姿態(tài)測(cè)量儀從管道起點(diǎn)和終點(diǎn)來回牽引測(cè)量2個(gè)測(cè)回,并對(duì)測(cè)回內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到管道中心線的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。
(3)采用傳統(tǒng)的全站儀測(cè)量方式,用極坐標(biāo)法以5m為間隔采集管道中心線的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。
用全站儀測(cè)量的三維坐標(biāo)與管道三維姿態(tài)測(cè)量儀測(cè)量的三維坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,得到表1。從表中可以看出管道三維姿態(tài)測(cè)量儀測(cè)量的平面最大誤差為0.13m,埋深最大誤差為0.13m,最大埋深為4.5m,。因此,結(jié)合本次比對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析得出,管道三維姿態(tài)測(cè)量儀精度較高,誤差值較小,應(yīng)用效果較好。根據(jù)CJJ61-2017《城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)范規(guī)定,管道三維測(cè)量隱蔽管線點(diǎn)的水平位置限差不大于±0.05h; 埋深限差不大于±0.075h(h為管線中心埋深值,單位為m,當(dāng)h<1m時(shí),取h=1m)的要求,管道三維姿態(tài)測(cè)量儀探測(cè)成果滿足非開挖管線工程探測(cè)要求。
表1 管道三維姿態(tài)測(cè)量儀與全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比表
廣東省深圳市南山區(qū)某110kV電纜竣工驗(yàn)收測(cè)量項(xiàng)目,A3~A4段電力管線采用非開挖頂管方法穿越敷設(shè),長度約80m,管線埋深由淺至深約在1.5m-7.0m。由于埋深較深、地質(zhì)情況不佳,傳統(tǒng)探測(cè)方法較難測(cè)量其準(zhǔn)確位置,且頂管穿越市政道路,交通繁忙,無地面作業(yè)條件,因此采用管道三維姿態(tài)測(cè)量儀測(cè)量管道的三維坐標(biāo)。
(1)開井:打開管道工作井,為慣性定位測(cè)量提供工作空間。
(2)穿管:選擇未施放管線的管孔作為作業(yè)對(duì)象,使用穿管器將牽引繩從管道一端穿至另一端。
(3)端點(diǎn)測(cè)量:確定作業(yè)管孔后,量取作業(yè)管孔的內(nèi)外徑、管塊的寬和高,用RTK接收機(jī)或者全站儀測(cè)量管道中心線起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)并記錄。
(4)調(diào)節(jié)前后支架:分別將儀器里程輪端與后端操作面板端)支架螺母朝外調(diào)節(jié)到支架臂松弛狀態(tài),并將儀器后端放入管道,前端輪也放入管道,朝內(nèi)調(diào)節(jié)支架螺母至彈簧開始收縮并受力,三個(gè)輪子貼緊管壁。
(5)慣性定位測(cè)量:將管道三維姿態(tài)測(cè)量儀連接牽引繩上在管道內(nèi)拖動(dòng)進(jìn)行軌跡測(cè)量及獲得管道精確三維坐標(biāo)。
(6)檢查數(shù)據(jù):將數(shù)據(jù)拷貝到電腦檢查其完整性,重復(fù)慣性定位測(cè)量,以提高測(cè)量結(jié)果的置信度。
管道三維姿態(tài)測(cè)量儀測(cè)量完成,將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)出到筆記本電腦,利用管道三維測(cè)量儀處理軟件,計(jì)算得到所測(cè)管道的三維坐標(biāo)(如圖4所示):
圖4 電纜管道三維圖
平面最大彌散量為0.056m,高程最大彌散量為0.022m;平面相對(duì)中誤差0.03%L,高程相對(duì)中誤差0.01%L,滿足測(cè)量規(guī)范精度要求。
利用地下管線制圖軟件,將測(cè)量的管道三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入,繪制平斷面圖。
圖5 電纜管道平斷面圖
管道三維姿態(tài)測(cè)量儀是采用慣導(dǎo)原理的慣性陀螺儀,該測(cè)量技術(shù)無需操作人員于地面上進(jìn)行跟蹤定位,將測(cè)量主機(jī)及輪組置于電纜管道中,利用牽引繩將測(cè)量主機(jī)在管道中來回拖動(dòng),即可采集到測(cè)量數(shù)據(jù)。在目前已知的非開挖頂管電纜通道測(cè)量技術(shù)中,其測(cè)量精度最高。
(1)采用管道三維姿態(tài)測(cè)量儀能夠比較準(zhǔn)確地測(cè)量出非開挖頂管電纜管道三維坐標(biāo),測(cè)量結(jié)果不受環(huán)境因素,管道埋深等干擾,測(cè)量數(shù)據(jù)比較可靠,準(zhǔn)確度高。
(2)管道三維姿態(tài)測(cè)量儀測(cè)量電纜管道三維坐標(biāo),只需管道兩端點(diǎn)的已知坐標(biāo),即可計(jì)算出管道所有點(diǎn)位的坐標(biāo),最小可以達(dá)到0.1m/個(gè)。
(3)采用管道三維姿態(tài)測(cè)量儀測(cè)量技術(shù)能夠解決非開挖頂管電纜管道的三維坐標(biāo)準(zhǔn)確定位的探測(cè)問題,定位準(zhǔn)確度和精度全能夠滿足電纜管道竣工驗(yàn)收測(cè)量的要求,為后期運(yùn)維提供數(shù)據(jù)保障,是值得推廣的非開挖頂管管道三維坐標(biāo)測(cè)量的方法。
(4)管道三維姿態(tài)測(cè)量儀在應(yīng)用中有一定的局限性,該方法要求儀器能在管道內(nèi)順利拖拉,因此更適合于新建非開挖頂管的管道測(cè)量。對(duì)于現(xiàn)有運(yùn)行管線,必須有預(yù)留空管才能測(cè)量,否則該方法不適用;如有預(yù)留空管,需保證管道內(nèi)無淤泥堵塞,管道內(nèi)壁順暢,否則同樣不能進(jìn)行測(cè)量。