复杂条件下的非开挖封闭管线探测质量控制建模

2022-06-07刘劲松

经纬天地 2022年2期

刘劲松

（北京力佳图科技有限公司，北京 100096）

0.引言

随着城市的不断发展，越来越多的不确定因素影响着城市前进的脚步，这其中就包含城市的地下管线。作为城市的生命线，庞大的地下管线隐藏于地下空间，隐患巨大。近年来，国家积极采取各种测量措施对地下各种管道进行测绘，基于测绘的结果绘制城市地下管线图，并利用二维、三维地理信息系统进行统一管理，从而保障地下管线的安全。

目前，非开挖管线的数量在逐年递增，不但可以在复杂条件下准确获得管线的位置，还极大地改善了交通问题，从而得到了广泛应用。非开挖管线大多数处于地下作业，在不对地面造成损伤的情况下，依靠工程测量、地理信息等技术来对地下管线的位置、长度和方向进行测绘和探测，所以不会对人们日常生活造成干扰。由于非开挖管线探测技术领先于各个产业技术，因此已经被各个部门应用在修路、煤气和天然气等方面，并且取得瞩目成就。

在施工中，需要对非开挖封闭管线进行测绘和探测，获得施工的情况。但是以往的探测方法不但费时费力，还由于技术不够成熟导致探测不准确，损失较大，为此基于目前存在的问题，设计一个复杂条件下的非开挖封闭管线探测质量控制模型。

1.探测质量控制前准备

1.1 控制测量和地形图测绘

为了给后续地下管线点位测量和管线图测绘提供保障，需要开展控制测量，获取测区平面和高程控制网。

此外，需要收集测区已有的地形图；如果已有的地形图精度不满足要求，需要重新测绘，生产符合精度要求的地形图数据。

1.2 布点

按照实际工程下发的指令，需要对施工现场进行实地考察，确定其管线的具体信息。需要对地下管线的平面位置、埋深进行测绘，常用的手段包括：静态GPS、动态PTK、极坐标法等。测量成果的平面和埋深限差需要达到±5cm和±3cm。首先测量管线的开始位置以及发展方向，采用RTK定位系统，准确掌握管线的地理位置，并且虚拟一条与管线相交的测线[1]。

1.3 设置观测装置

基于管线的探测位置较深，所以采用高密度电法来观测管线的电路情况，其电路连接装置依次为供电装置、接入电源和终端计算机，接入电源的电极排列顺序为AM＼＼NB ，并且按照一定的规律进行移动，并且该装置具有较高分辨率和较高的抗噪功能。

1.4 接地电极

由于管道存在不确定性，所以采用不锈钢电极是最为合适的。因大多数的管线都是深埋地下，且接近布满较多卵砾石的河道，所以电极接地后会偶尔出现不稳定的状态。为了解决这个难题，将电阻设置成最小，再深埋于地下，保证电极和地下连接并且电阻数最小。

连接好整个电路和电极后，经过密切观察后发现管线出现电流不稳定状况，此时得到的数据并不能参与管线探测试验，所以要在开始前仔细检查线路情况和地理条件，当达到稳定运行的状态时再继续采集数据。

1.5 参数设置

基于管线的深度与电极的接地情况尚不明确，所以首先采用温纳装置来测量电极情况以及参数大小，温纳装置还叫作四级装置，是将每个电阻之间的距离设置成相等的，并且同时存在于120根电极上，再将电极接触到地下，规定的电阻大小为200Ω，完成接地线路后，对管线的电路进行收集。需要注意的是，测量中使用的电压是固定的220V，电流是在200mA～600mA之间。

1.6 管线位置

在上述内容中可以预测管线埋入地下的基本位置，考虑到天气恶劣或者当地地形的影响，按照之前的大致方向加设一个与管线相交的斜线，作为探测管线的标志，使探测人员准确无误地找准位置，及时勘测异常情况。

基于上述过程能够为非开挖封闭管线探测质量控制提供控制基础，在下述内容中，将进一步对管线探测质量控制。

2.建立管线探测方程

若管线为载流直导线，周围会产生不同程度的磁场，影响管线的探测，对于这种情况，要采用零值法来判断其地下具体深度，获取管线位置；而管线的方向需要采用特征点法来确定[2]。管线的具体深度的表达式如式（1）所示：

式（1）中，Ht为管线起始部位到磁场的水平的距离；Hb为管线尾部到磁场水平的距离；L为管线的长度。正常情况下，埋入地下的深度决定磁场的强弱，当存在大量磁场时要求管线只埋于地表。

管线的探测受多种因素影响，地下的深浅决定磁场的强弱，附近的地形地质决定着电流稳定通过的量。所以依靠电磁场的变化规律和接入电源的大小来确定管线方向，达到探测的目的[3]。假设不受介质干扰，在管线中稳定不变的电流为I,管线长度为2L，基于双向电流，建立坐标系使管线与轴重合，选择管线的中点作为坐标系的原点[4]，P为此时的磁场中一点，其强度B为：

在实际探测过程中，只要将3-5倍的管线置于地下，且只有单独一根长度大于深度，就可以趋近于无限长度。而在周围产生的磁场也会随着管线的长短变化，与管线距离短，则磁场更强，同时磁感应强度也会按照圆形的轨迹相互交替，垂直于管线。如果勘测的地理位置符合标准，管线的位置与地上的浮土存在阻力，那么受电流影响，管线周围磁场会产生变化。

其次，对于某些不受附近介质影响的管线来说，限制电压或者电流可以改变周围的磁场变化，导致管线延迟产生效应，满足下列条件，如式（3）、式（4）所示：

若上述公式成立，那么就会出现预测的管线探测位置符合参数变化与计算的标准，可以看出当管线中电阻R小于磁场波λ时，忽略自身产生电流，电荷速度v变不变时，才是近似理想的误差范围。

3.曲率信息检测

非开挖管线一般应用在铁路或者修缮道路的复杂地段，由于管线众多，增加了工作人员探测的难度。在探测过程中会遇到各种各样的阻力，如，复杂的地形、下水管道和过多的障碍物都会干扰探测信号，混淆视线，不能准确地得到管线位置信息，造成遗漏与错失管线等问题。针对这些容易出错的问题，可以在管道中放置传感器来发出讯号，传输到仪器上，来判断具体位置。

传感器设置上带有监测装置，可以根据管线周围的磁场，检测到管线转换方向时的曲率信息，得到管线的一部分长度；再通过电场的作用得到管线起始部的坐标点，来确定其位置，首先要得到的参数如下：

取管线中一点ρi（i=0,1,2,…n-1）；管线弯曲长度S；由于管线较长，含有较多弯道，将弯道弧度设置到最小值，将管道看作多个小线段构成一个圆弧形状，用坐标系来进行模拟，管道起点方向为x轴方向，在第i段管线上，Pi是弯道上的一点，Oi是原点，ρi是圆弧半径，二者之间的角度用θi来表示。ρi作为已知数值，依次将弯道的弧度曲率求出。

想要得到第i-1个圆弧线段的方程如式（5）所示：

通过以上公式，得到多组可变化的数据，画出圆弧曲线。

4.管线弯度检测

假设管线弯度达到最大，那么管线弧度、应变以及传感器之间的关系如式（6）所示：

式（6）中，ε为传感器接收到的信号强度；ρ为圆弧的弯曲程度；C为曲率；r为圆弧的半径。其装置（如图1所示）：

图1 圆截面弹性梁纯弯示意图

当r固定不变时，C的数值越大，ε也就越大，如果赋予r和C的数值，就可以简单地知道传感器的感应能力。排除各种因素的影响，ε与ρ成正比，同理可知，C与ΔλB也呈正比例关系。ΔλB1与ΔλB2为发出的波长，可以利用正常状态下磁场波长减去发生变化时的最短波长，其中，K是系数。利用发动机带动传感器在管道中穿行，测得每个弯曲的弧度，获得磁场波长，采集所有数据，传递到系统中，实现探测目的。利用传感器得到的数据还不足以获取完整的管线位置，还要多次验证，得到变化曲线和管线的准确方位。