佛山市燃气股份有限公司禅城燃气分公司 广东佛山 528000
摘要：通过分析比较各类燃气管道定向钻施工定位技术的优缺点，结合工作实践，找到精确定位管线的方法，解决定向钻穿越深部管道的测量难题，弥补城建档案的空白。
关键词：定向钻；管线探测技术；定位；三维测量；惯性导航技术
一、前言：
《南方周末》2011 年 12 月 16 日报道，2008 年－2010 年，全国仅媒体报道的地下管线事故，平均每天就有 5.6 起。全国每年由于路面开挖造成的直接经济损失约 2000 亿元。据城建统计数据，2009 年我国城市地下管线长达 156 万公里，可绕地球近 40 圈，这还不包括电力、电信、工业等管线规模。近年来，随着经济的发展，路面的开挖施工，受到越来越多约束。管线施工，逐渐转向以非开挖管线施工为主。
非开挖管线施工，困扰大家多年的一个问题，是管线竣工后定位问题，即管线完工后，没办法确定管线的确定位置。管线竣工后，主管部门没办法拿到确切的管线位置图，往往用规划图来代替。规划图和实际管线位置往往会有较大的偏差，这个偏差甚至有几米，这些图纸造成日后很多隐患。近年来，随着经济发展，原有的地下管线的位置、埋深，新敷设的管线该在哪里施工，特别是非开挖施工时会不会打穿原有管线，施工后是否符合设计要求等问题困扰着地下管道的管理者和施工者。频发的管线事故，最主要的原因，就是探测手段的局限性，例如管线仪、探地雷达、导向棒等探测手段无法精确得到管线的空间实际三维坐标。
因此，非开挖管线竣工后精确定位，具有非常重大的意义！
二、管线探测技术分类：
现有的管线探测定位设备，主要有传统的管内发射棒与地面测量仪器（管线探测仪）、电磁示踪探棒、探地雷达和惯性陀螺类系统等。
1.管线探测仪定位技术：
管线探测仪是利用电磁感应原理探测金属管线、电或光缆。一般由两大部分组成：发射机和接收机。发射机给被测管线施加一个特殊频率的信号电流，一般采用直连法、感应法和夹钳法三种激发模式；接收机内置感应线圈，接收管道的磁场信号，线圈产生感应电流，从而计算管道的走向和路径。一般有三种接收模式：峰值模式（最大值）、谷值模式（最小值）、宽封模式。其它还有一些附件，配合两大组成部分的使用。仪器示意图如下图：
2.探地雷达定位技术：
探地雷达（Ground Penetrating Radar简称GPR）又称地质雷达，透地雷达，是用频率介于10^6-10^9Hz的无线电波来确定地下介质分布的一种方法。探地雷达的使用方法和原理是通过发射天线向地下发射高频电磁波，通过接收天线接收反射回地面的电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的界面时发生反射，根据接收到电磁波的波形、振幅强度和时间的变化特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。原理示意图如下：
3.惯性导航系统定位技术：
惯导管线定位系统，是基于惯性导航定位原理的地下管线的定位
探测系统。系统设备在管线内部运行，获取测量数据，经过软件的数据后处理，可以实现 500m 内 15cm 的空间定位精度。尤其适合环境复杂、埋设较深的地下管线定位使用。示意图如下：
3.1设备硬介绍
主图结构示意图如下：
3.2系统原理
惯导管线定位系统主要是基于惯性导航技术的测量原理来实现惯导的空间精确定位。设备内搭载惯导+里程计组合导航测量元器件，设备沿管道从起点至终点运行过程中，里程计模块会随时将设备运行里程传输给内部处理模块，与惯导系统数据融合、处理。通过惯导和里程计的组合导航技术，可以解算设备的空间运行轨迹。由此，设备从管道起点运行到管道终点，设备的全程运行轨迹即是管道的空间姿态。由此可以得到管道的空间位置数据。原理图如下：
（1）线性描述
在空间坐标系统中，将线的起点定义为一个点，设想这条线的构成是这个点在空间内朝着一定方向运动轨迹的结果。
这条轨迹线的总长度即是管线的长度，我们称之为里程，起点里程为 0，终点里程为管线总长。
（2）线路计算
空间坐标系中一条线在三个空间面上的投影些分别为三条不同的曲线。
因此，在同一时刻，对同一段里程线路测量，同时获取三个空间面上这三条不同的曲线，经过数据的反投影处理，即可以得到这条轨迹线的空间位置。空间投影及方向里程坐标系示意图如下：
（3）原始数据
基于以上理论，系统的数据采集部分主要由两部分组成：
1、高精度里程计，实时记录各个时刻的里程值，即不同时刻设
备运行过管线的精确长度。
2、三方向的陀螺仪，实时记录各个时刻的设备的角加速度值，进而积分计算三个方向的方向角，确定设备此时的空间姿态即管道的轨迹空间姿态，三个方向角值即是该里程处三个投影面的曲线的切向方向角。
利用后处理软件，将原始采集数据经行一系列检核、筛选、积分等处理运算，即可得到管道在空间的精确空间位置。
3.3测量单元
（1）惯性测量元件设计
封闭式设计，在中间圆杆内在三个平台上精确安装三个陀螺测量单元。
（2）里程计设计
在前侧轮上设计基于霍尔传感器原理的高精度里程计，实时记录设备运动轨迹里程。
3.4机械设计
（1）支撑设计
系统采用前后各 3 轮支撑结构，保证运行的稳定性。
横向的弹性伸缩，可调接三轮的外接圆大小，从而可以通过有效调整，使设备满足各种口径的管道测量需要。目前可以做到最小口径为120mmPE管能平滑穿过。
（2）材料选择
设备主要材料选择高性能合金材料和碳纤类材料构成，在保证系统稳定性同时，确保设备适量比；轮子选择独特材料制作，合适的摩擦力，有效防止因轮子的滑动运行造成的里程定位不精确问题。
3.5设备操作
（1）现场准备
通过全站仪、RTK或其他方式获取管道起点和终点的相对位置信息（平距、高差），利用通管器或其他设备在管道内穿过一根拉线。如下图：
（2）测量
设备连接拉线-开机-放入管道；3min初始化后，在末端均匀拉动设备通过管道至终点，关机，即完成测量过程。如下图：
（3）数据后处理
测量过程完毕，将设备与软件连接，导出测量数据，进行后处理输出报表。如下图：
三、管线探测技术各项功能比较：
如下图：
根据燃气管道定向钻施工各类管线探测技术理论分析及工程实践得知：
1、与传统的检测方法（管线探测仪、探地雷达等）相比，惯性导航陀螺类设备具有更为明显的优点，不受材质、埋设深度等的限制，不受电磁干扰，适用于各种开挖和非开挖环境需要；
2、惯性导航陀螺类设备测量精度高、能够精确得到管线的空间实际三维坐标，数据、报表自动输出，方便快捷。
四、结论：
通过分析，惯性导航管线定位系统，以其创新的理论、高精度和高稳定性使其能够在较低成本下精确测量管线的位置与坐标，为施工者节约大量的时间和经济成本。在管线探测环境日趋复杂，精度要求日趋严格的今天，惯性导航管线定位系统是燃气管道定向钻工程竣工测量精确定位最好的选择。
参考文献：
[1]韩武忠、史美明，定向钻穿越管线三维竣工测量技术的探索与实践；
[2]洪国，水平定向钻敷设PE 燃气管道的定位技术；
[3]叶生华，空间三维测量技术的研究；
[4]甘立蹇、蔡东健、庞建国，地下管线探测技术在工程测量中的应用与研究。
作者简介：
郭俊峰（1982—），男，广东省佛山市，大学本科，从事燃气工程管理工作。
论文作者:郭俊峰,李波
论文发表刊物:《基层建设》2016年4期
论文发表时间:2016/6/8
标签：管线论文; 管道论文; 测量论文; 里程论文; 设备论文; 空间论文; 里程计论文; 《基层建设》2016年4期论文;