管道三维姿态测量仪在非开挖电缆顶管测量中的应用

曾文锋 王 伟 田 磊（深圳供电规划设计院有限公司,广东 深圳 518000）

0.引言

随着我国经济持续稳定地增长，城市化进程的进一步加快，我国的地下管线的敷设量也在逐年增加[1,2]。城市交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多、地下管线复杂的背景下，电缆管道敷设施工常采用非开挖顶管技术，而非开挖顶管敷设的电缆管道通常埋深较深，传统的测量方法不能满足竣工验收测量的需要，无法获得电缆管道准确的三维坐标，导致后期运维困难，在后续施工中安全隐患多，导致管道施工事故的发生[3,4]。目前，非开挖顶管准确的三维坐标测量还没有可靠性强的方法，为此我们采用管道三维姿态测量仪应用于非开挖顶管的三维坐标测量，结合实验验证和具体的工程案例探讨该方法的可靠性及有效性。

1.管道三维姿态测量仪的基本原理及工作流程

1.1 管道三维姿态测量仪的基本原理

对于非开挖顶管的测量多采用管线探测仪或导向仪，探地雷达等，由于城市地下管线近间距并行管线较多，电磁信号常常耦合到非目标管线上去，使定位发生误差。这些方法受电磁场、管线材质、埋设深度等较多因素的影响，无法在复杂的地下管线中实现精准定位，非开挖顶管测量的精度往往无法保证。因此，非开挖电缆顶管的三维坐标测量，采集连续准确的三维空间位置和形状，已经是行业内技术研究的难题之一。

管道三维姿态测量仪是基于惯导原理的惯性陀螺仪，无论是金属管线或非金属管线、超深管线探测中都可以应用，对于管线的埋设深度目前已知的都可以探测，精度达到厘米级甚至到毫米级。DT-GXY-200是基于MEMS惯性测量单元的三维姿态测量仪器，该仪器在管道内穿行过程中可对自身三轴姿态角、当前加速度，行进里程进行测量，通过积分算法对这些姿态量进行分析和计算以最终获得管道的三维坐标，仪器测量效率高、数据连续，且测量过程不受管道埋设深度、管道材质及现场电磁干扰的影响。

图1 管道三维姿态测量仪三维系统

惯性测量单元(IMU)包含三轴的陀螺仪、三轴加速度计,其轨迹测量原理，惯性定位基于简单的原理：即通过加速的双重积分确认其位置。

式中，a(t)为当前加速度。陀螺仪在管道内匀速前行时，记录陀螺仪按照125Hz的频率记录其在管道的各类姿态数据，并存储于仪器自带的储存设备中，仪器在管道内匀速运行一个来回后，将采集的数据导入专用软件内结合管道端点（入口和出口）的基准点坐标解算。

1.2 管道三维姿态测量仪的工作流程

管道三维姿态测量仪测量主要包括现场踏勘，确定测量方案、管道中心线起点和终点三维坐标测量（基准点测量）、牵引线穿管、调节前后支架、惯导陀螺仪测量、检查数据与精度分析、绘制平断面图等主要流程，管道三维姿态测量仪测量的工作示意图及工作流程（如图2、图3所示）：

图2 管道三维姿态测量仪测量的工作示意图

图3 管道三维姿态测量仪测量工作流程图

2.实验验证

2.1 实验环境

实验过程中采用的仪器是“DT-GXY-200”管道三维姿态测量仪,为了验证管道三维姿态测量仪测量的精度及可靠性，本次实验在空旷的场地模拟非开挖顶管的空间形态分布，管道参数为：材质HDPE、管内径150mm、长度84.25m。

2.2 实验方法和过程

(1)为保证观测数据的质量，利用GPS-RTK测量控制点作为起算依据。根据现场情况，设置相互通视的3个控制点作为管道三维姿态测量仪测量及全站仪测量的共同参考点。

(2)将管道三维姿态测量仪从管道起点和终点来回牵引测量2个测回，并对测回内的数据进行拟合，得到管道中心线的三维坐标数据。

(3)采用传统的全站仪测量方式，用极坐标法以5m为间隔采集管道中心线的三维坐标数据。

2.3 实验数据对比分析

用全站仪测量的三维坐标与管道三维姿态测量仪测量的三维坐标进行对比，得到表1。从表中可以看出管道三维姿态测量仪测量的平面最大误差为0.13m，埋深最大误差为0.13m，最大埋深为4.5m,。因此，结合本次比对实验数据综合分析得出，管道三维姿态测量仪精度较高，误差值较小，应用效果较好。根据CJJ61-2017《城市地下管线探测技术规程》的规范规定，管道三维测量隐蔽管线点的水平位置限差不大于±0.05h； 埋深限差不大于±0.075h（h为管线中心埋深值，单位为m，当h<1m时，取h=1m）的要求，管道三维姿态测量仪探测成果满足非开挖管线工程探测要求。

表1 管道三维姿态测量仪与全站仪测量数据对比表

3.工程案例

3.1 工程概况

广东省深圳市南山区某110kV电缆竣工验收测量项目，A3～A4段电力管线采用非开挖顶管方法穿越敷设，长度约80m，管线埋深由浅至深约在1.5m-7.0m。由于埋深较深、地质情况不佳，传统探测方法较难测量其准确位置，且顶管穿越市政道路，交通繁忙，无地面作业条件，因此采用管道三维姿态测量仪测量管道的三维坐标。

3.2 管道三维姿态测量仪测量流程

（1）开井：打开管道工作井，为惯性定位测量提供工作空间。

（2）穿管：选择未施放管线的管孔作为作业对象，使用穿管器将牵引绳从管道一端穿至另一端。

（3）端点测量：确定作业管孔后，量取作业管孔的内外径、管块的宽和高，用RTK接收机或者全站仪测量管道中心线起点和终点坐标并记录。

（4）调节前后支架：分别将仪器里程轮端与后端操作面板端）支架螺母朝外调节到支架臂松弛状态，并将仪器后端放入管道，前端轮也放入管道，朝内调节支架螺母至弹簧开始收缩并受力，三个轮子贴紧管壁。

（5）惯性定位测量：将管道三维姿态测量仪连接牵引绳上在管道内拖动进行轨迹测量及获得管道精确三维坐标。

（6）检查数据：将数据拷贝到电脑检查其完整性，重复惯性定位测量，以提高测量结果的置信度。

3.3 数据处理及成果

管道三维姿态测量仪测量完成，将测量数据导出到笔记本电脑，利用管道三维测量仪处理软件，计算得到所测管道的三维坐标（如图4所示）：

图4 电缆管道三维图

3.4 自符合精度检查

平面最大弥散量为0.056m，高程最大弥散量为0.022m；平面相对中误差0.03%L，高程相对中误差0.01%L，满足测量规范精度要求。

3.5 绘制平断面图

利用地下管线制图软件，将测量的管道三维坐标数据导入，绘制平断面图。

图5 电缆管道平断面图

4.结束语

管道三维姿态测量仪是采用惯导原理的惯性陀螺仪，该测量技术无需操作人员于地面上进行跟踪定位，将测量主机及轮组置于电缆管道中，利用牵引绳将测量主机在管道中来回拖动，即可采集到测量数据。在目前已知的非开挖顶管电缆通道测量技术中，其测量精度最高。

（1）采用管道三维姿态测量仪能够比较准确地测量出非开挖顶管电缆管道三维坐标，测量结果不受环境因素，管道埋深等干扰，测量数据比较可靠，准确度高。

（2）管道三维姿态测量仪测量电缆管道三维坐标，只需管道两端点的已知坐标，即可计算出管道所有点位的坐标，最小可以达到0.1m/个。

（3）采用管道三维姿态测量仪测量技术能够解决非开挖顶管电缆管道的三维坐标准确定位的探测问题，定位准确度和精度全能够满足电缆管道竣工验收测量的要求，为后期运维提供数据保障，是值得推广的非开挖顶管管道三维坐标测量的方法。

（4）管道三维姿态测量仪在应用中有一定的局限性，该方法要求仪器能在管道内顺利拖拉，因此更适合于新建非开挖顶管的管道测量。对于现有运行管线，必须有预留空管才能测量，否则该方法不适用；如有预留空管，需保证管道内无淤泥堵塞，管道内壁顺畅，否则同样不能进行测量。