黄岛50万m3地下液化石油气水封洞库库容测量

吕宏权

(中铁隧道集团一处有限公司， 重庆　401121)



黄岛50万m3地下液化石油气水封洞库库容测量

吕宏权

(中铁隧道集团一处有限公司， 重庆401121)

摘要：地下水封液化石油气(LPG)洞库建成验收后，要对洞罐的容积进行测量。为了测量结构复杂的黄岛50万m3LPG地下水封洞库的库容容积，首先，确定测量模型，把组成洞库的单个洞室或巷道定义为特殊尺寸的隧道并作为测量单元，分析断面测量过程中影响库容容积精度的因素；其次，探讨高精度自动测量Ⅰ级全站仪、隧道断面测量系统和三维实体建模软件的组合应用，根据采集的断面点集数据，通过人工计算和建模自动计算的相互验证，并与第三方成果对比分析；最后，创建洞库三维模型，水平剖切得到规定要求的一定深度容积计量表、切片图和洞库三维模型切片储量报告。结果表明： 采用断面法测量洞库库容是一种比较可行的测量方法，易操作，能保证精度要求。

关键词：黄岛地下水封洞库； 液化石油气(LPG)洞库； 库容测量； 断面测量； 建模； 测量精度

0引言

地下LPG水封洞库属于施工新领域，相关规范规定，洞库工程验收后，应对洞罐的形状和容积进行测量[1-2]，但目前地下洞罐库容测量还没有成熟的测量方法和相关技术资料。本文提出把地下洞库的单个洞室或巷道作为特殊尺寸的隧道，整个洞库单元隧道容积的累加就是洞库的总库容，单元隧道的容积可以采用激光断面法和扫描法测量计算。在实际应用中，高益健等[3]运用激光机载软件断面法进行了地铁隧道的断面面积测量，卢松耀等[4]运用PDA后处理软件激光断面法进行了地铁隧道的断面面积测量，周景全[5]和孙昊等[6]运用激光断面法进行了隧道的围岩收敛测量。三维激光扫描仪法仅用于隧道的变形监测[7-8]和常规断面面积测量[9-11]，并没有用于洞库容积的测量计算。黄岛50万m3库容测量采用激光断面法，结合现有的常用测量设备，分析了影响洞库容积精度的因素，根据库容测量原理，制定了切实可行的测量方案，从而实现了地下LPG水封洞库的库容测量。

1洞库库容测量

1.1洞库库容测量要求

根据规范要求，库容测量断面间距不宜大于2 m，环向测点间距不宜大于0.5 m，2次库容测量误差不应大于0.5%。

1.2影响洞库库容精度因素分析

地下储库断面结构和环境条件复杂，以黄岛50万m3LPG丙烷库为例，含连接巷道就有7种断面，见图1，且断面开挖粗糙。

图1　丙烷库的三视图

采用断面法测量洞库库容，常规断面中，2个平行断面间所夹的体积按梯形柱体法计算。因此，洞库库容的中误差

(1)

由式(1)可得洞库体积的相对中误差为

(2)

由式(2)可以看出，洞库体积的相对中误差主要受断面面积相对中误差和洞库长度l方向增量的相对中误差影响，即影响洞库总容量精度的主要因素为断面测量的精度和断面间距的精度。

1.2.1断面测量精度

断面测量时，断面上采样到的每一个数据点构成了库容的最基本单元，点的集合决定了洞库的总库容，断面上点位的精度和密度影响着断面的面积测量精度。断面测量系统中采集到的每个点的坐标都是通过对采样点进行测角、测边计算得出来的，可见，断面的测量精度决定于全站仪的测角、测边精度和断面点位密度。

1.2.1.1测边、测角精度

黄岛LPG洞库主要由城门型和三心圆型2种断面组成。其中： 城门型断面主要分布在连接巷道，共计有7种不同结构参数的断面； 三心圆型主要分布在主洞库，断面结构参数只有1种，其最大高度26 m、最大宽度18 m。为方便分析，假设主洞库是半径为R的圆断面，则有面积S=πR2，设面积测量中误差为mS、半径测量中误差为mR，根据误差传播定律，可得

(3)

日常使用的全站仪测边中误差为±2～±5 mm，洞库断面最大高度不超过30 m，则断面面积测量误差为1/3 000～1/7 500，小于0.5%的误差要求。同样，设仪器的方向测角中误差为mβ，则有

(4)

由此可知，日常普遍使用的2～5″级全站仪，其对断面面积测量精度的影响远小于0.5%的误差要求。

1.2.1.2点位密度

点位密度就是测量断面上点的分布状态，在实际测量过程中，也就是全站仪采样的点与点之间的间隔距离或相邻点与点之间的角度分隔值。由于洞库施工后没有进行二次衬砌，洞壁仅进行了初喷，洞壁表面凹凸不平，采样点就是在粗糙的表面上测量，凹凸的差值大小不一，使断面采样存在着代表性误差问题。对于整个洞库来说，凹凸的差值符合正态分布规律，这样通过约束固定采样点位的密度就可以解决洞库库容的代表性误差。黄岛地下水封洞库断面最大半径为26 m，实际采集断面点时按半径大小设定，根据点的密度增大、点与点之间的曲线(弧长)近似为直线(弦长)的原则，计算点间距为0.45 m。

1.2.2断面间距精度

由式(2)可知，断面间距精度就是垂直于断面方向的洞库长度增量的相对中误差，实际是测站点的测量精度，测站点的测量精度主要表现为控制网的测量精度。黄岛洞库库容测量导线控制网长度为5 325.621 m，测角中误差为2.06″，导线全长相对闭合差为1/37 682，优于四等导线测量精度。黄岛洞库纵向最大长度322 m，参考实测的控制网精度和库容测量误差不大于0.5%的规定，断面间距为1.61 m，满足规范对于库容测量断面间距不应大于2 m的规定。

1.3库容测量原理

黄岛LPG洞库容积测量以洞库的单个洞室或巷道作为特殊尺寸的隧道为模型，采用高精度免棱镜智能型Ⅰ级全站仪+机载断面软件进行断面测量，沿洞库方向按照一定间距采集垂直或水平断面。根据各断面实测的断面线，计算出断面面积和断面间距，并计算出各洞库的容积，然后对采集的三维测量数据借助专业软件进行洞库三维空间实体模型的建立，使得产生的模型形状可以用来三维可视化，从而计算出某一水平面高程下的洞库容积，得到实体容量报告。

1.4主要测量设备

洞库测量需要一些设备和软件来完成三维坐标数据的采集、测量数据的处理和模型的建立等，见表1。

表1　测量设备软件一览表

1.5洞库库容测量方案实施

黄岛库容测量中使用了标准精度为0.5″、1×10-6mm的徕卡TM30和TS30精密测量机器人，采用了配套的TPS断面测量系统。库容测量前，应将洞罐以及所有测量部位的粉尘、碎石渣等杂质用高压水冲刷干净，并保持洞罐及各测量部位底板无积水。

1.5.1建立洞库测量控制网

以地面控制点或洞内施工控制点为基准，对整个洞库建立统一的测量控制网，在控制网的基础上对需要测量的部位进行控制点加密，测量使用精密全站仪依据四等精度指标完成，经平差计算后得到各控制点的三维坐标。

1.5.2定义TPS隧道断面测量系统参数

对洞库的设计参数进行复核后，在全站仪的断面测量系统中依据设计数据定义平曲线、竖曲线和各测量部位的设计断面参数，得到闭合的设计参考断面。其中，竖曲线和平曲线的录入工作相对较容易，能较快完成录入和比对复核工作；设计横断面的录入，要先建立断面坐标系，见图2。横断面曲线要素数据根据右手坐标系求得，坐标系以线路在断面里程处设计标高点为原点，以线路中线前进方向右侧法线为X轴，以原点天顶方向为Y轴，输入设计断面时，按照顺时针方向依次输入每段直线和圆弧。需注意的因素有坐标系及原点的确定、大里程方向和顺时针方向； 输入要素有各线型变化处的坐标、线型、半径和圆心角； 断面线型有直线及圆，断面必须要封闭。

图2　设计断面图

1.5.3断面三维数据

1.5.3.1数据采集

在洞库(巷道)底板中线附近架设全站仪并对中整平，采用自由设站的方法，可以得到测站点的三维坐标，经设站精度满足要求和用第3个点检核无误时，方可置全站仪为无棱镜模式，选择平曲线、竖曲线、断面类型、点间距和断面间距等设计参数。按照里程方向1 m和垂直方向0.45 m的点间距设置，然后自动开始测量扫描，凹凸点人工加密采集，并记录断面里程，测量点的点号、偏中距、高差和三维坐标。洞库封头和交叉口断面的数据按照相贯线的画法逐点加密采集。

1.5.3.2数据格式

横断面数据导出为文本文件，每一断面以“》”分界，后面紧跟该断面里程和设计标高。下一行为测量点信息，分别以点号、偏中距、高差、X坐标、Y坐标和H高程排列，这样做的目的是为后续数据域处理带来方便。

1.5.4洞库的建模和剖切

1.5.4.1测量数据的预处理

软件采用测量数据库来处理测量数据。首先把断面测量数据转换成线文件格式(线文件中的每一个断面点先组合成段，由一个洞库的所有段组成线串)，然后编程对原始测量数据格式进行转换，采用VB6.0编写，可以轻松地实现库容测量数据转换到三维软件所需的线文件数据格式 .str文件。

1.5.4.2洞库的建模

实体模型是由一系列相邻的三角面包裹成内外部透气的实体。实体是由一系列在线上的点连成内外部透气的三角网。任何三角面的边必须有相邻的三角面，任何三角面的3个顶点，必须依附在有效的点上，否则实体是开放的或是无效的。实体模型中的三角形是个完全封闭的结构，将其定义成实心体或者空心体模型，产生的形状可以用来三维可视、计算体积、计算任意方位的切割剖面等，如图3所示。

图3洞体形成示意图

Fig. 3Flowchart of modeling cavern formation

根据断面测量方法，选择剖面线建模法，以黄岛丙烷洞库为例，通过断面线建模和创建三角网，构成实体模型。将实体的两端封闭起来，就形成了洞库的实体，如图4所示。

图4　实体模型构成图

1.5.4.3实体的有效性验证

组成实体的各三角面若存在自相交、无相邻边、重复边和无效边，则不是有效的实体，无效的实体不能计算体积、空间约束和逻辑运算等。

1.5.4.4洞库实体运算

通过实体的有效性验证，在实体之间、实体与面之间进行空间交集、并集和差集的运算。通过实体运算，先形成各洞室的分体图，再形成洞库的合并体图，最后形成洞库的实体模型图，如图5所示。

图5　形成的丙烷库实体模型图

合并完成后要对实体进行有效性验证，验证通过后对模型进行保存，以便以后对模型操作。

1.5.4.5洞库实体模型的剖切

定义以Z轴作为剖面轴线，以轴的垂直方向进行剖切，定义库容计量起点高程，输入剖面标高，软件就会自动计算并绘制出该标高的剖面。黄岛丙烷洞库-145 m的剖切图如图6所示。

图6　丙烷洞库-145 m标高处容积曲线图

Fig. 6Storage capacity curves of propane storage cavern at altitude -145 m

2洞库总库容的计算

2.1建模软件自动计算

依据构建好的洞库三维立体模型，通过实体的有效性验证，可以自动生成实体报告文件，文件中包含洞库总体积和按高程间隔值计算的体积。以黄岛LPG洞库为例，按高程计算体积一览表见表2。

图层名为黄岛LPG三维仿真模型10.dtm；

高程间隔值为0.01 cm (即按照1 cm/个断面进行切片)；

体=1;

三角网=1;

验证=通过;

状态=实心体;

三角网坐标范围：X最小219 759.146,X最大219 903.713;Y最小101 356.327,Y最大101 691.681；Z最小-116.485，Z最大-87.259。

表2　按高程计算体积一览表

2.2人工计算

通过人工编程，计算所有的垂直或水平断面面积，再与每个测量单元的长度积分求得总库容，人工计算模型见图7。

图7　人工计算模型

计算公式为：

(5)

(6)

采集的洞库断面面积可借助TPS隧道测量数据后处理功能模块进行，横断面面积数据见图8。

图8　TPS断面测量系统后处理模块(单位： m)

Fig. 8Reprocessing module of TPS cross-section measuring system(m)

将人工计算的总库容与自动计算的总库容相互比较验证。黄岛洞库设计总库容为505 301 m3,人工计算总库容为512 945.479 m3，建模计算总库容为513 631.791 m3，人工计算总库容和建模计算总库容相差686.312 m3,其中第三方断面法测量计算总库容为511 152.472 m3，误差小于0.5%。

3结论与讨论

1)利用常规全站仪采用断面测量法测量库容，其数据采集过程简单方便，内业人工计算和建模自动计算可以相互验证，此方法简单、易懂、易操作。

2)采用断面法测量，影响库容容积精度的主要因素在于断面上点位的采样精度和密度，可以通过选用精度较高的智能化自动全站仪和加大采集密度的方法来提高库容容积精度。

3)由于库容测量的是洞库施工后的空间体积，所以库容测量控制网可以由施工控制网引测，也可以对洞库建立相对独立的控制网。根据施工控制网布网的优点在于能随时检查洞内施工情况。

4)在断面交叉口处采集数据时，尽可能在不同的断面范围内多测量几组断面，并对凹凸点人工加密采集。

5)洞库建模要选择合适的建模方法，对所有的数字化段进行分析解译，对有问题的三角网要手工编辑并多次验证。

6)从影响洞库总库容的精度因素来看，选择合适的洞库主轴线和断面密度是保证总库容精度的关键。

断面法测量虽然简单易行，但若遇到上百万m3的洞库库容，投入的人力、财力、设备会更大，测量时间会更长，这些将影响到测量单位的经济成本。

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Study on Storage Capacity Measurement of Huangdao Underground Liquefied Petroleum Gas (LPG) Water-sealed Cavern

LYU Hongquan

(TheFirstConstructionDivisionCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Chongqing401121,China)

Abstract:The storage capacity of underground liquefied petroleum gas (LPG) water-sealed cavern has to be measured after acceptance. In this paper, the measuring model of Huangdao underground LPG water-sealed cavern is decided； and then the factors effecting the storage capacity of cavern during cross-section measurement are analyzed; the combination application of Grade I high-precision automatic total station, tunnel cross-section measuring system and 3D entitative modeling software is discussed; the artificially calculated results and the modelling automatic calculation results based on data collected are compared with results from the third party. Finally, a 3D model of the cavern is established； and a series of achievement is obtained. The results show that the cross-sectional measuring method is feasible and convenient, and it can meet the precision requirements of storage capacity measurement.

Keywords:Huangdao Underground Water-sealed Cavern; liquefied petroleum gas(LPG) storage cavern; storage capacity measurement; cross-section measurement; modeling; measuring precision

中图分类号：U 455

文献标志码：B

文章编号：1672-741X(2016)03-0309-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.010

作者简介：吕宏权(1970—)，男，河南新安人，1995年毕业于郑州解放军测绘学院，工程测量专业，本科，高级工程师，现主要从事施工技术工作。E-mail： 631620305@qq.com。

收稿日期：2015-10-10； 修回日期： 2015-12-09