戢 丹

杭州港華燃?xì)庥邢薰?浙江 杭州 310000

燃?xì)夤艿雷鳛樘胤N管道，輸送可燃性氣體，是工業(yè)發(fā)展的動力源，也是千家萬戶灶臺里的點(diǎn)點(diǎn)星火。由于可燃性氣體的特殊性，注定它也是風(fēng)險(xiǎn)較高的一類管道。在現(xiàn)代城市燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)中，非開挖燃?xì)夤艿缆裆畲?，地表無痕跡，傳統(tǒng)探測技術(shù)難以準(zhǔn)確探測其位置與深度，給運(yùn)營維護(hù)帶來了巨大的安全隱患。為保障燃?xì)夤艿腊踩\(yùn)營，基礎(chǔ)工作就是明確燃?xì)獾奈恢煤吐裆?，即可防范第三方破壞，也能在破壞時迅速找到事故點(diǎn)進(jìn)行維修。因此我們迫切需要一種可靠的、精準(zhǔn)的非開挖燃?xì)夤艿捞綔y技術(shù)解決這一難題。

1 非開挖燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)和探測現(xiàn)狀

1.1 施工工藝

城市燃?xì)夤艿来罅渴遣捎貌捎枚ǎ▽?dǎo)）向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行鋪設(shè)。僅以杭州港華燃?xì)夤緸槔?，每年鋪設(shè)的非開挖管道長度約為30km，約占當(dāng)年新建管道總長的15%。

非開挖管道施工時，鉆機(jī)按設(shè)計(jì)線路鉆出一個倒拋物線鉆孔，鉆頭出土后連接上擴(kuò)孔器進(jìn)行回拖擴(kuò)孔。經(jīng)過一次或多次擴(kuò)孔，將鉆孔大小擴(kuò)至設(shè)計(jì)要求，再將管線拉入鉆孔，完成管線敷設(shè)。

非開挖管道大多穿越河流、湖泊、道路等區(qū)域，地面環(huán)境復(fù)雜，地面無明顯痕跡，施工監(jiān)管和運(yùn)維難度較大。

1.2 非開挖燃?xì)夤艿捞綔y技術(shù)分析

1.2.1 傳統(tǒng)探測技術(shù)

城市非開挖燃?xì)夤艿乐饕捎肞E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(tǒng)物探技術(shù)探測的難點(diǎn)。

對于新建非開挖管道竣工測繪，傳統(tǒng)方法有通過測量導(dǎo)向時地面標(biāo)記再結(jié)合導(dǎo)向深度資料編制，但是資料不全，精度不準(zhǔn)確，容易出現(xiàn)誤差而導(dǎo)致事故。

對于已有非開挖管道探測，地面無標(biāo)記可測量，管材多為PE材質(zhì)，目前物探方法均無法探測。電磁感應(yīng)法無法應(yīng)用于非金屬管線探測；探地雷達(dá)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(fēng)險(xiǎn)極大。所以在研究對比了多種技術(shù)，最終選定了慣性陀螺測量技術(shù)完成非開挖燃?xì)夤艿赖臏y量?？⒐y量時，管道未通氣、兩端開放，可直接使用此技術(shù)測量。對已有管道則需要停氣割管后再進(jìn)行測量，盡管手續(xù)復(fù)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(shù)

慣性陀螺測量技術(shù)是一種新興的管道測量技術(shù)。它基于慣性陀螺導(dǎo)航技術(shù)研制，通過測量儀器在待測管線中的運(yùn)行軌跡，以確定管線的三維坐標(biāo)。測量時，使用牽引繩拖曳儀器在管線內(nèi)由進(jìn)口穿行至出口，儀器自動記錄航向、姿態(tài)、距離、速度等信息。根據(jù)進(jìn)、出口三維坐標(biāo)計(jì)算出管線內(nèi)的行進(jìn)軌跡，即為待測管線的連續(xù)三維坐標(biāo)。

慣性陀螺測量技術(shù)是一種直接測量技術(shù)，不受地表環(huán)境、地質(zhì)條件和電磁輻射影響，與管線種類、材質(zhì)和埋深無關(guān)[1]。只要儀器能在管線內(nèi)部穿行，就能進(jìn)行高精度的管線測量。測量精度只與管線長度相關(guān)，標(biāo)稱精度平面優(yōu)于0.25%L，高程優(yōu)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(shù)原理

慣性陀螺導(dǎo)航技術(shù)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(dǎo)航技術(shù)。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(biāo)位置開始，根據(jù)運(yùn)動載體在該點(diǎn)的航向、航速和航行時間，推算下一時刻坐標(biāo)位置的導(dǎo)航過程。

在二維空間中，運(yùn)動載體的已知初始位置S0(N0,E0)，每一段航行時間內(nèi)航向角θk，運(yùn)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(biāo)Sk(Nk,Ek)。

航位推算的實(shí)現(xiàn)是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，從一個已知位置連續(xù)測量運(yùn)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(jìn)行積分得到航向，線加速度對時間進(jìn)行積分得到航速，根據(jù)航向、航速和航行時間即可推算出運(yùn)動載體的每一時刻的實(shí)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?yàn)槠鹚惴轿唤牵瑢⒔撬俣葘r間進(jìn)行積分，就可以得到運(yùn)動載體當(dāng)前時刻的瞬時方位角[2]。加速度計(jì)用于測量運(yùn)動載體在慣性參照系中相對于運(yùn)動方向的線加速度，根據(jù)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(biāo)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(jìn)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(biāo)相加即可得定位系統(tǒng)的當(dāng)前坐標(biāo)位置。

2.2 工作流程

慣性陀螺測量非開挖燃?xì)夤艿赖闹饕鞒桃妶D2。

圖2 慣性陀螺測量工程流程

3 慣性陀螺測量數(shù)據(jù)應(yīng)用

本章將以典型案例說明慣性陀螺測量數(shù)據(jù)的應(yīng)用情況。

3.1 工程案例

杭州市余杭區(qū)穿南苕溪段非開挖燃?xì)夤艿朗悄硣壹墝?shí)驗(yàn)室的保障項(xiàng)目。該項(xiàng)目計(jì)劃南北向下穿南苕溪，設(shè)計(jì)長度約280m，設(shè)計(jì)最深深度為河床下6m。同時該項(xiàng)目附近有正在施工的湖杭高速鐵路橋梁，設(shè)計(jì)時也考慮了線位避讓橋墩的措施。

因?yàn)楣芪缓吐裆钍芷渌こ逃绊?，該?xiàng)目要求施工單位嚴(yán)格按設(shè)計(jì)方案施工。施工完成必須準(zhǔn)確測量燃?xì)夤艿赖墓芪缓吐裆?，和設(shè)計(jì)方案進(jìn)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(shù)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(shù)據(jù)。6組數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計(jì)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(biāo)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(biāo)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(jiān)管上的應(yīng)用

（1）施工質(zhì)量監(jiān)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(shè)計(jì)線位和設(shè)計(jì)深度施工[3]。上述案例施工完成后，慣性陀螺測量結(jié)果與設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)施工，施工質(zhì)量合格。通過慣性對比結(jié)果直觀清晰，易于施工監(jiān)管和質(zhì)量控制。

（2）厘清實(shí)際工作量

非開挖燃?xì)夤艿赖氖┕ど婕肮艿腊惭b單位（負(fù)責(zé)組隊(duì)管道）和非開挖施工單位（導(dǎo)向、擴(kuò)孔及拖管）。

安裝單位一般認(rèn)為非開挖管道長度就是其組隊(duì)長度。非開挖施工單位一般認(rèn)為非開挖管道長是其完成路徑導(dǎo)向所需的鉆桿總長。單一項(xiàng)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(shè)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(zhǔn)確測量出非開挖管道的三維長度。以本項(xiàng)目為例，非開挖施工單位上報(bào)使用4.5m長的鉆桿63根，總長為283.5m；管道安裝單位上報(bào)焊接管道長275m，出現(xiàn)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(yùn)維上的應(yīng)用

慣性陀螺測量出的管道數(shù)據(jù)是按1m間距的一組三維坐標(biāo)（包括平面坐標(biāo)和絕對高程）。不受地表地形變化影響。管道運(yùn)維單位可有效指導(dǎo)第三方施工，確定安全距離，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)[4]。

非開挖燃?xì)夤艿栏浇牡谌绞┕ぐ踩嚯x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?xì)夤艿拦こ淘O(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)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?xì)夤艿?，也可根?jù)慣性陀螺測量成果數(shù)據(jù)迅速準(zhǔn)確定位非開挖管道破損處的位置和埋深，制定修復(fù)方案指導(dǎo)施工。

3.4 精度驗(yàn)證

非開挖燃?xì)夤艿赖膽T性陀螺測量成果的精度驗(yàn)證主要在兩端較淺處進(jìn)行開挖驗(yàn)證，平面精度均優(yōu)于0.15m。而深部管道的精度驗(yàn)證則多為事故破壞后確定的。穿南苕溪段非開挖燃?xì)夤艿谰褪沁@種情況，盡管采取了多項(xiàng)措施，但第三方施工未通報(bào)燃?xì)鈾?quán)屬單位即進(jìn)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(diǎn)深度施工方估計(jì)為7～8m，通過反查慣性陀螺數(shù)據(jù)埋深為7.6m，已無開挖修復(fù)可能。只能緊急重新施工一條非開挖管道。

4 結(jié)束語

慣性陀螺測量技術(shù)為非開挖燃?xì)夤艿罍y量提供了一種全新的解決方案。這種技術(shù)相較傳統(tǒng)的地球物理方法具有眾多優(yōu)點(diǎn)，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(jié)果對于施工質(zhì)量管理和運(yùn)營維護(hù)管理均具有重要意義，是保障管道安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。