王书坤
广州电力建设有限公司 510000
摘要：非开挖水平定向钻铺管技术越来越多的应用到电力管线的敷设中，广州地区电力铺管施工年水平定向钻穿越施工量约15万单孔米（管径160mm），随着社会经济的发展，为减少市政管道施工对居民及交通的影响，广州地区电力过行车路段水平定向钻施工工艺覆盖率已达90%以上，但由于水平定向钻施工轨迹的特殊性——空间三维曲线，以及施工队伍的素质参差不齐，对水平定向钻施工后的轨迹测量不甚重视，导致工程竣工资料参考性较差，对施工及安全造成不利影响。通过广州地区电力非开挖管道三维数据库平台搭设，为水平定向钻施工提供地下管线信息技术支持，强化电力非开挖项目的设计、竣工图纸精度，提高服务质量；力争在原有地下管线探测优势得以发扬的前提下，扩展非开挖业务项目，为客户尤其是电网公司方面，提供原有电力管道走向查阅，三维图纸绘制技术支持等。对广州地区地下电力管线管理系统的建设具有重要参考意义。
关键词：地下管线；原理；应用现状
1.地下管线数据库发展趋势与存在问题
1）发展趋势
（1）管线信息化工作进程即将提速；
（2）管线信息化建设逐步走向规范化；
（3）管线信息逐步走向共享应用；
（4）地下管线信息化为政府决策提供服务；
（5）科学技术进步为管线信息化提供有力支撑[19-22]。
2）存在问题
（1）家底不清，工程事故不断，造成资源浪费；
（2）缺乏科学规划及有效监管；
（3）非开挖水平定向钻施工管线定位难度大；
（4）地下地质情况信息不足，重复勘察设计，施工指导意义不大；
（5）缺乏有效的行业指导，市场监管不力。
2.传统管道轨迹测量原理简述
传统的非开挖施工管道的测绘方式主要采用地下管线探测仪、探地雷达、导向用信号棒等，其原理及特点如下：
1）管线探测仪的原理及特点
目前采用的管线探测仪运用电磁感应的原理进行探测。此类探测仪的优点是，操作简单、易于学习使用，精准度较高；缺点是对非金属管线及深度较大，环境干扰较大的金属管线无法进行准确探测。
图2 探地雷达
3）导向用信号棒的原理及特点
导向用信号棒测量的原理和非开挖水平定向钻施工导向用信号棒原理和方法一样，所采用的设备仪器也相同，都是根据电磁波的衰减规律进行深度的测量。此类方式的测量方法优点是测量精度高，一般可达到厘米级的精度标准；缺点是易受附近高压电缆，低频信号，车辆等干扰，影响测量精度。
3.非开挖轨迹仪测试原理
1）原理概述
地下管线轨迹测试仪对非金属管道及金属管道均适用，可以探测直径小于160mm的管道，且不受地形限制及电池干扰，对使用深度无要求，探测过程中人工干预较少。轨迹仪一般采取绳索拉引方式，且轨迹仪两端采用卡爪进行扶正设计，卡爪上的滚轮中装有传感器用于计算路程。
轨迹仪的设计原理如下：采用双轴加速度计、单轴陀螺仪和霍尔传感器的组合，用来测量滚动角、方位角、俯仰角以及行程。数据采集终端将采集到的数据存储起来，测量完毕后，通过开关将数据上传到上位机终端，上位机终端中安装有软件，上位机软件可以对仪器上传的数据进行控制及处理等工作。上位机软件将数据接收完毕后，再利用后续软件对数据进行滤波，生成轨迹。
1.后拉环 2.后卡爪 3.传感器仓 4.电路仓 5.控制台 6.电池仓 7.前卡爪 8.前拉环
仪器的所有机构均放置在内部，外部采用套筒将内部仓密封，仪器的使用及连接方式如下：
（1）仪器的后、前拉环用于栓绳索，前拉环上的绳索用于拉动仪器，使得仪器沿管道内壁行走，而后拉环则用于引绳索；（2）后、前卡爪安装于仪器两端，用于支撑仪器舱体保持稳定，卡爪采用铰链连接，可以支撑管径小至120mm的内壁 ，同时，卡爪上加工有凹槽，用于安装霍尔开关，霍尔开关用于计算仪器所走的路程；（3）电池仓则用于放置电池，同时电池仓的出口处需进行密封；（4）控制台上安装有仪器的开关，仪器状态指示灯以及数据接口，同时也需要进行密封；（5）电路板安装于电路仓内；（6）加速度计和陀螺仪则安装于传感器仓内，同时仓体底部安装重物块，用于保持稳定平台的平衡。
3）轨迹仪数据采集
轨迹仪有两种状态，即数据传输和检测状态。通过操作面板上的开关，即可实现状态的改变。电路用于采集陀螺仪、加速度计和霍尔传感器的输出数据，其中，前两个传感器输出量为模拟量，因此采用16位的A/D芯片采集，采集到的数据实时存储到SD卡或FLASH芯片中。
采用可充电锂电池给电路板及传感器供电，供电电压为7.2V。而单片机所需电压为5V，SD卡或FLASH芯片的供电电压为3.3V，同时电路板中的放大器的供电电压还需-5V的供电打压，针对上述情况，采用三端稳压芯片LM1117-3.3和LM1117-5可得到3.3V和5V的电压，采用MAX660得到-5V电压。
存储的数据采用串口进行数据传输，由于电脑为232电平，而单片机为TTL电平，因此不能够直接连接，此处通过MAX232进行电平转换后连接。
轨迹仪在使用过程中，对时间的要求较为精确，同时仪器的使用过程中可能会存在严重的干扰，因此应采用防止干扰措施。同时为了取得较高的数据传输速率，晶振应采用高一点的，一般采用22M的晶振。电路整体方案的设计如图2-9。
图3 数据采集电路结构框图
4.应用现状
传统的轨迹检测采用的是诸如GPS定位仪、探地雷达、全站仪以及导向仪等仪器[26-37]。其中，全站仪利用的是采用光学原理设计的，但由于使用是由人工读取数据，因此其使用环境必须没有障碍物，限制了其使用范围，因此不适合在地下管线领域内的测量；GPS定位仪是基于电磁信号设置的，其发射高频率的电磁波，但高频信号穿透地层的能力很弱，因此不能用于地下轨迹的测量；探地雷达和导向仪采用的是甚低频信号发送电磁波的原理设计的，一般情况下可以测量地下30m以内的轨迹，是目前常用的地下管线仪器，但往往会受到各种电磁干扰，尤其是存在高压电线及金属矿物的周围，会严重干扰信号，导致测量结果失真；利用电磁感应原理的管线探测仪也存在测量深度和信号干扰的问题，因此不适合地下轨迹测量。
传统的轨迹监测仪器不能够满足地下轨迹测量的要求，因此寻求一种不依赖人工干预、不依赖电磁信号发射的，同时数据采集过程较为自动化的仪器成为必然趋势。针对此情况，比利时REDUCT公司的科研人员设计出了一种新型轨迹仪，该仪器利用陀螺仪和加速度计进行轨迹的测量，并研制了一系列的轨迹仪，很好的解决了上述问题。
根据中国地质大学（武汉）和广州电力建筑安装工程有限公司在RREDUCT公司所设计的轨迹仪的基础上根据广州地区电力管道的特点进行了改进，采用单轴陀螺和双轴加速度计进行设计，在保证精度与RREDUCT相同的情况下，成本却大大的降低。
（1）试验情况简介
图4 工地现场
该工程为穿越河道工程，位于广州市越秀区二沙岛珠江航道处。为二沙岛变电站出线电缆走廊工程—穿越珠江段，出入钻工作井分别位于广州市越秀区江月路明月二街路口及清澜路灵洲街路口，垂直于珠江航道穿越。此处非珠江主航道，航道两侧为公路。跨越宽度约500米，管线深度10米，管道内积水，通牛完成。因管道内积水严重，有淤泥，需清理管线，用通管器上缠上毛巾，反复通管两次，保持管线内清洁。施工当天天气晴朗，气温适宜。
（2）风险评估
管道内积水严重，有淤泥，仪器受阻力较大；静水柱十米，水压较大，要注意仪器密封；单向检测时间在半小时以上，仪器电源供电要充足；遇到拖拽困难时，应有应急方案，防止仪器设备损坏。
3）检测过程：
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4.试验总结
通过工程实际案例对数据库的各部分功能进行了验证，得到了理想的轨迹数据三维图，及各个平面内的平面图，图形拟合效果较好，拟合出的实际曲线与真实曲线误差较小，可以满足实际工程项目的使用需要。
1）在广州电力行业内首先引入了非开挖轨迹仪测量手段，改变了以往不规范的示意图阶段的竣工资料提交方式，大大提高了电力非开挖水平定向钻轨迹测量的精度，为今后的电力管道尤其是高压输变电管道的轨迹测量提供了安全可靠的测量方式。
2）广州地区电力管道轨迹测量数据的保存上，以往的平面图、剖面图均以二维形式表现，即使对管道进行三维轨迹仪测量，保存上仍依赖二维平面图纸，这在很大程度上影响了数据重现的直观性，不符合非开挖水平定向钻施工三维轨迹的特点。通过对成图软件（非开挖钻孔轨迹三维可视化软件）的编制，很好的解决了这一问题。
论文作者:王书坤
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/15
标签：轨迹论文; 管线论文; 测量论文; 管道论文; 仪器论文; 地下论文; 原理论文; 《防护工程》2018年第13期论文;