慣性陀螺儀在非開挖管線探測工程中的成果精度分析

陳海濤

摘 要：文章通過ABM-90慣性陀螺儀應用在市政工程建設項目中的非開挖管線探測任務中，總結(jié)了陀螺儀探測中應注意的關鍵點，提出了非開挖管線采用觸探法代替開挖驗證，統(tǒng)計了探測結(jié)果和驗證結(jié)果的偏差量并評定了探測結(jié)果精度，較好的指導了設計施工，取得了良好效果。

關鍵詞：慣性陀螺儀；非開挖管線；城市坐標系；絕對精度

中圖分類號：TU990.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）19-0067-03

Abstract： In this paper， ABM-90 OMU is used in the trenchless pipeline detection task of municipal engineering construction project. The key points that should be paid attention to in the detection of OMU are summarized. It is proposed that the trenchless pipeline should be detected by Cone penetration test method instead of excavation verification. The deviation between the detection results and verification results is counted and the accuracy of the detection results is evaluated. It is better to guide the design and construction and achieves good results.

Keywords： OMU； trenchless pipeline； urban coordinate system； absolute accuracy

1 概述

非開挖管道施工技術大量應用在城市電力、通信、燃氣、給水、工業(yè)等市政工程建設領域，由于其不需要大面積開挖地面，施工場地要求小、施工速度快、對被穿越對象擾動少，而且能下穿河流、道路、建筑物等，所以在大型城市建設中發(fā)展迅速，且產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益。由于早期的非開挖施工項目竣工資料不完備，可參考性較低。筆者在多年的探測經(jīng)歷中發(fā)現(xiàn)，從權屬單位調(diào)查來的管線竣工資料僅僅是原設計圖紙匯編而來，這就給后來的市政工程建設帶來了極大隱患，因此非開挖管線探測技術應運而生。

目前國內(nèi)主流的非開挖管線探測設備主要是比利時Reduct公司生產(chǎn)的ABM系列和DR系列，該系列管道探測系統(tǒng)可靠性高、操作簡便、堅固耐用。本文主要研究了ABM-90慣性陀螺儀探測成果相對于城市坐標系下的絕對精度，指導了現(xiàn)場施工，取得了良好效果。

2 ABM-90慣性陀螺儀探測

2.1 探測原理

當陀螺儀從入口點A行進到出口點B時，ABM-90中的所有傳感器自動記錄數(shù)據(jù)，以100Hz或每秒100個采樣進行。經(jīng)過軟件計算得到的數(shù)據(jù)分別是每個點的X方向（距離）、Y方向（航向）、Z方向（俯仰）和滾動位置的變化，最終將得到的一段管路的三維數(shù)據(jù)坐標。輸入入口點和出口點的已知坐標，或者是入口點坐標和起始方位角，從而將一段管路的三維坐標歸算至施工坐標系或城市坐標系下的管道三位坐標，由于采用數(shù)據(jù)足夠多，因此能全面反映非開挖管道在地下的空間位置分布。

2.2 探測方法

慣性陀螺儀放入非開挖套管內(nèi)，通過往返各兩次貫穿測量，進行從A到B的正向測量（F）、從B到A的逆向測量（B），在A處將儀器掉頭從A到B的逆向測量（B）、從B到A的正向測量（F），即FBBF測量順序。此測量方法能夠盡可能消除系統(tǒng)誤差，提高測量數(shù)據(jù)的可靠性。

測試過程中應盡可能保證儀器以1m/s勻速運行，盡可能防止儀器運行過程中產(chǎn)生較劇烈的震動、突然加速、突然停止等引起加速度值突變的情況，這些突變情況會作為偶然誤差，直接影響探測結(jié)果的精度和數(shù)據(jù)可靠性。其運行過程中禁止逆向運行，逆向測量的數(shù)據(jù)可視為粗差，將會作為正常數(shù)據(jù)參與計算，導致測量數(shù)據(jù)不可靠。

采用GPS或全站儀，精確觀測A點和B點非開挖管線關口的管頂坐標，記錄管徑數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)處理做準備。

數(shù)據(jù)處理時應注意FBBF四組測量數(shù)據(jù)的重現(xiàn)行，可以從四組數(shù)據(jù)的離散度來區(qū)分單向測量數(shù)據(jù)的優(yōu)劣，應保證長度修正比數(shù)值小于2.5%。

3 探測案例

3.1 工程應用

ABM-90陀螺儀標稱其平面重復測量準確度為0.25% L，高程重復測量準確度為0.10% L（L為當次測試長度），實際工程建設領域更關心在城市坐標系或施工坐標系下探測成果的絕對精度，而不是重復測量準確度，要通過精確探測確定非開挖管線平面位置和埋深，以便施工中合理避讓。

某航道整治項目，河道長度約50km，河面寬度約80m，項目施工內(nèi)容包括駁岸工程、橋梁工程、航道清淤工程等。經(jīng)現(xiàn)場踏勘及相關權屬單位交底該項目存在軍通、信息、移動、東方有線、電力及超高壓電力、燃氣、給水、航油等共計9類非開挖管線，由于下穿航道的管線存在隱蔽性，航道維護疏浚施工作業(yè)存在一定風險。為保證下穿航道管線安全，確保航道維護疏浚項目順利進行，需要對整個維護疏浚工程區(qū)域內(nèi)的非開挖管線進行精探。其中電力和超高壓管線共計12路，受電磁干擾等因素，只有采用陀螺儀探測才能滿足本項目需要。探測成果詳見表1。

3.2 觸探法管線驗證

在非開挖管線探測技術方法中，陀螺儀探測成果最優(yōu)[2]，在驗證陀螺儀探測精度時，應選擇其他精度更高的方法，所以另尋他路借鑒靜力觸探測試方法。

在待驗證管線上設計若干橫斷面進行垂直觸探，觸探桿可通過全站儀觀測垂直度，配合固定支架保證其垂直，為獲得土體內(nèi)觸探桿的垂直度，可通過在觸探孔內(nèi)設置測斜管，通過高精度測斜儀測試鉆桿垂直度，以修正觸探點的準確坐標。在設計好的觸探斷面上按一定間距進行觸探作業(yè)，記錄觸探到驗證管線的觸探桿坐標和地面高程，即可獲得各相應位置處管線中心的三維坐標，與探測成果資料對比，從而可驗證管線的平面位置和埋深成果。

本項目共計驗證8路非開挖電力管道，每路電力管道長度約為220m，每路由至少進行了一個點的觸探驗證，驗證成果詳見表2。

從表2可以看出，陀螺儀探測成果明顯優(yōu)于規(guī)范要求的平面0.1h和埋深0.15 h（h為管道埋深）的限差的精度指標。

4 精度分析

以不同時間、由不同操作員、用不同的儀器，進行重復探測，將原始觀測與重復觀測的定位、定深結(jié)果統(tǒng)計計算中誤差。計算結(jié)果顯示探測精度遠高于規(guī)范限差要求，探測和驗證結(jié)果均取得了良好效果。

5 結(jié)論

（1）陀螺儀探測成果完全滿足于非開挖管線工程物探項目，尤其適用于橋墩樁基施工、航道護岸樁施工、航道疏浚等對管線平面位置和埋深結(jié)果精度要求較高的工程環(huán)境。

（2）慣性陀螺儀探測過程中最好采用可變力矩絞盤拖拽儀器，以保證儀器運行平穩(wěn)，高精度的探測一定要采用FBBF測量模式，采集四組測量數(shù)據(jù)。

（3）討論了地下管線探測隱蔽點驗證方法，非開挖管線埋深較深，開挖驗證不現(xiàn)實，提出采用觸探加傾斜觀測的手段，解決了深埋管線開挖驗證問題，取得了良好效果。

（4）慣性陀螺儀高精度的探測成果供設計單位使用可以避免后期調(diào)整設計圖紙，供施工單位使用可以避免因管線位置不準確而導致的管線事故，供建設單位使用可以控制因重大管線安全風險帶來的資金預算，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]武漢大學測繪學院測量平差學科組.測量平差[M].武漢：武漢大學出版社.

[2]謝博.地下非開挖管線探測技術對比[J].華東科技：學術版，2017（6）：360-360.

[3]王曉東，宋健，苗小利.OMU在非開挖管線探測中的試驗研究[J].礦山測量，2016，44（5）：5-7，53

[4]潘正華，葉初陽.深埋管線的集中探測技術與規(guī)程精度探討[J].城市勘測，2009（2）：134-137.