復(fù)雜條件下的非開挖封閉管線探測(cè)質(zhì)量控制建模

劉勁松

（北京力佳圖科技有限公司，北京 100096）

0.引言

隨著城市的不斷發(fā)展，越來越多的不確定因素影響著城市前進(jìn)的腳步，這其中就包含城市的地下管線。作為城市的生命線，龐大的地下管線隱藏于地下空間，隱患巨大。近年來，國家積極采取各種測(cè)量措施對(duì)地下各種管道進(jìn)行測(cè)繪，基于測(cè)繪的結(jié)果繪制城市地下管線圖，并利用二維、三維地理信息系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，從而保障地下管線的安全。

目前，非開挖管線的數(shù)量在逐年遞增，不但可以在復(fù)雜條件下準(zhǔn)確獲得管線的位置，還極大地改善了交通問題，從而得到了廣泛應(yīng)用。非開挖管線大多數(shù)處于地下作業(yè)，在不對(duì)地面造成損傷的情況下，依靠工程測(cè)量、地理信息等技術(shù)來對(duì)地下管線的位置、長度和方向進(jìn)行測(cè)繪和探測(cè)，所以不會(huì)對(duì)人們?nèi)粘Ｉ钤斐筛蓴_。由于非開挖管線探測(cè)技術(shù)領(lǐng)先于各個(gè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)，因此已經(jīng)被各個(gè)部門應(yīng)用在修路、煤氣和天然氣等方面，并且取得矚目成就。

在施工中，需要對(duì)非開挖封閉管線進(jìn)行測(cè)繪和探測(cè)，獲得施工的情況。但是以往的探測(cè)方法不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還由于技術(shù)不夠成熟導(dǎo)致探測(cè)不準(zhǔn)確，損失較大，為此基于目前存在的問題，設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜條件下的非開挖封閉管線探測(cè)質(zhì)量控制模型。

1.探測(cè)質(zhì)量控制前準(zhǔn)備

1.1 控制測(cè)量和地形圖測(cè)繪

為了給后續(xù)地下管線點(diǎn)位測(cè)量和管線圖測(cè)繪提供保障，需要開展控制測(cè)量，獲取測(cè)區(qū)平面和高程控制網(wǎng)。

此外，需要收集測(cè)區(qū)已有的地形圖；如果已有的地形圖精度不滿足要求，需要重新測(cè)繪，生產(chǎn)符合精度要求的地形圖數(shù)據(jù)。

1.2 布點(diǎn)

按照實(shí)際工程下發(fā)的指令，需要對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地考察，確定其管線的具體信息。需要對(duì)地下管線的平面位置、埋深進(jìn)行測(cè)繪，常用的手段包括：靜態(tài)GPS、動(dòng)態(tài)PTK、極坐標(biāo)法等。測(cè)量成果的平面和埋深限差需要達(dá)到±5cm和±3cm。首先測(cè)量管線的開始位置以及發(fā)展方向，采用RTK定位系統(tǒng)，準(zhǔn)確掌握管線的地理位置，并且虛擬一條與管線相交的測(cè)線[1]。

1.3 設(shè)置觀測(cè)裝置

基于管線的探測(cè)位置較深，所以采用高密度電法來觀測(cè)管線的電路情況，其電路連接裝置依次為供電裝置、接入電源和終端計(jì)算機(jī)，接入電源的電極排列順序?yàn)锳M＼＼NB ，并且按照一定的規(guī)律進(jìn)行移動(dòng)，并且該裝置具有較高分辨率和較高的抗噪功能。

1.4 接地電極

由于管道存在不確定性，所以采用不銹鋼電極是最為合適的。因大多數(shù)的管線都是深埋地下，且接近布滿較多卵礫石的河道，所以電極接地后會(huì)偶爾出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)。為了解決這個(gè)難題，將電阻設(shè)置成最小，再深埋于地下，保證電極和地下連接并且電阻數(shù)最小。

連接好整個(gè)電路和電極后，經(jīng)過密切觀察后發(fā)現(xiàn)管線出現(xiàn)電流不穩(wěn)定狀況，此時(shí)得到的數(shù)據(jù)并不能參與管線探測(cè)試驗(yàn)，所以要在開始前仔細(xì)檢查線路情況和地理?xiàng)l件，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)時(shí)再繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。

1.5 參數(shù)設(shè)置

基于管線的深度與電極的接地情況尚不明確，所以首先采用溫納裝置來測(cè)量電極情況以及參數(shù)大小，溫納裝置還叫作四級(jí)裝置，是將每個(gè)電阻之間的距離設(shè)置成相等的，并且同時(shí)存在于120根電極上，再將電極接觸到地下，規(guī)定的電阻大小為200Ω，完成接地線路后，對(duì)管線的電路進(jìn)行收集。需要注意的是，測(cè)量中使用的電壓是固定的220V，電流是在200mA～600mA之間。

1.6 管線位置

在上述內(nèi)容中可以預(yù)測(cè)管線埋入地下的基本位置，考慮到天氣惡劣或者當(dāng)?shù)氐匦蔚挠绊?，按照之前的大致方向加設(shè)一個(gè)與管線相交的斜線，作為探測(cè)管線的標(biāo)志，使探測(cè)人員準(zhǔn)確無誤地找準(zhǔn)位置，及時(shí)勘測(cè)異常情況。

基于上述過程能夠?yàn)榉情_挖封閉管線探測(cè)質(zhì)量控制提供控制基礎(chǔ)，在下述內(nèi)容中，將進(jìn)一步對(duì)管線探測(cè)質(zhì)量控制。

2.建立管線探測(cè)方程

若管線為載流直導(dǎo)線，周圍會(huì)產(chǎn)生不同程度的磁場(chǎng)，影響管線的探測(cè)，對(duì)于這種情況，要采用零值法來判斷其地下具體深度，獲取管線位置；而管線的方向需要采用特征點(diǎn)法來確定[2]。管線的具體深度的表達(dá)式如式（1）所示：

式（1）中，Ht為管線起始部位到磁場(chǎng)的水平的距離；Hb為管線尾部到磁場(chǎng)水平的距離；L為管線的長度。正常情況下，埋入地下的深度決定磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，當(dāng)存在大量磁場(chǎng)時(shí)要求管線只埋于地表。

管線的探測(cè)受多種因素影響，地下的深淺決定磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，附近的地形地質(zhì)決定著電流穩(wěn)定通過的量。所以依靠電磁場(chǎng)的變化規(guī)律和接入電源的大小來確定管線方向，達(dá)到探測(cè)的目的[3]。假設(shè)不受介質(zhì)干擾，在管線中穩(wěn)定不變的電流為I,管線長度為2L，基于雙向電流，建立坐標(biāo)系使管線與軸重合，選擇管線的中點(diǎn)作為坐標(biāo)系的原點(diǎn)[4]，P為此時(shí)的磁場(chǎng)中一點(diǎn)，其強(qiáng)度B為：

在實(shí)際探測(cè)過程中，只要將3-5倍的管線置于地下，且只有單獨(dú)一根長度大于深度，就可以趨近于無限長度。而在周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)也會(huì)隨著管線的長短變化，與管線距離短，則磁場(chǎng)更強(qiáng)，同時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)按照?qǐng)A形的軌跡相互交替，垂直于管線。如果勘測(cè)的地理位置符合標(biāo)準(zhǔn)，管線的位置與地上的浮土存在阻力，那么受電流影響，管線周圍磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生變化。

其次，對(duì)于某些不受附近介質(zhì)影響的管線來說，限制電壓或者電流可以改變周圍的磁場(chǎng)變化，導(dǎo)致管線延遲產(chǎn)生效應(yīng)，滿足下列條件，如式（3）、式（4）所示：

若上述公式成立，那么就會(huì)出現(xiàn)預(yù)測(cè)的管線探測(cè)位置符合參數(shù)變化與計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)，可以看出當(dāng)管線中電阻R小于磁場(chǎng)波λ時(shí)，忽略自身產(chǎn)生電流，電荷速度v變不變時(shí)，才是近似理想的誤差范圍。

3.曲率信息檢測(cè)

非開挖管線一般應(yīng)用在鐵路或者修繕道路的復(fù)雜地段，由于管線眾多，增加了工作人員探測(cè)的難度。在探測(cè)過程中會(huì)遇到各種各樣的阻力，如，復(fù)雜的地形、下水管道和過多的障礙物都會(huì)干擾探測(cè)信號(hào)，混淆視線，不能準(zhǔn)確地得到管線位置信息，造成遺漏與錯(cuò)失管線等問題。針對(duì)這些容易出錯(cuò)的問題，可以在管道中放置傳感器來發(fā)出訊號(hào)，傳輸?shù)絻x器上，來判斷具體位置。

傳感器設(shè)置上帶有監(jiān)測(cè)裝置，可以根據(jù)管線周圍的磁場(chǎng)，檢測(cè)到管線轉(zhuǎn)換方向時(shí)的曲率信息，得到管線的一部分長度；再通過電場(chǎng)的作用得到管線起始部的坐標(biāo)點(diǎn)，來確定其位置，首先要得到的參數(shù)如下：

取管線中一點(diǎn)ρi（i=0,1,2,…n-1）；管線彎曲長度S；由于管線較長，含有較多彎道，將彎道弧度設(shè)置到最小值，將管道看作多個(gè)小線段構(gòu)成一個(gè)圓弧形狀，用坐標(biāo)系來進(jìn)行模擬，管道起點(diǎn)方向?yàn)閤軸方向，在第i段管線上，Pi是彎道上的一點(diǎn)，Oi是原點(diǎn)，ρi是圓弧半徑，二者之間的角度用θi來表示。ρi作為已知數(shù)值，依次將彎道的弧度曲率求出。

想要得到第i-1個(gè)圓弧線段的方程如式（5）所示：

通過以上公式，得到多組可變化的數(shù)據(jù)，畫出圓弧曲線。

4.管線彎度檢測(cè)

假設(shè)管線彎度達(dá)到最大，那么管線弧度、應(yīng)變以及傳感器之間的關(guān)系如式（6）所示：

式（6）中，ε為傳感器接收到的信號(hào)強(qiáng)度；ρ為圓弧的彎曲程度；C為曲率；r為圓弧的半徑。其裝置（如圖1所示）：

圖1 圓截面彈性梁純彎示意圖

當(dāng)r固定不變時(shí)，C的數(shù)值越大，ε也就越大，如果賦予r和C的數(shù)值，就可以簡單地知道傳感器的感應(yīng)能力。排除各種因素的影響，ε與ρ成正比，同理可知，C與ΔλB也呈正比例關(guān)系。ΔλB1與ΔλB2為發(fā)出的波長，可以利用正常狀態(tài)下磁場(chǎng)波長減去發(fā)生變化時(shí)的最短波長，其中，K是系數(shù)。利用發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳感器在管道中穿行，測(cè)得每個(gè)彎曲的弧度，獲得磁場(chǎng)波長，采集所有數(shù)據(jù)，傳遞到系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)探測(cè)目的。利用傳感器得到的數(shù)據(jù)還不足以獲取完整的管線位置，還要多次驗(yàn)證，得到變化曲線和管線的準(zhǔn)確方位。

5.非開挖封閉管線探測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了檢查此次設(shè)計(jì)的非開挖封閉管線探測(cè)質(zhì)量控制模型的有效性，進(jìn)行實(shí)例分析。此次實(shí)例分析地區(qū)為某城市地下管線，該測(cè)區(qū)內(nèi)存在多種開挖施工管線。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為實(shí)驗(yàn)城市的給水管線和供電管溝，地面上有檢修井，給水管線主要包含消防給水和生活給水，其水平距離為0.5m，詳細(xì)的管線的埋設(shè)情況（如圖2所示）：

圖2 管線埋設(shè)情況

5.1 給水管線探測(cè)誤差分析

經(jīng)過此次研究模型控制后，探測(cè)方法在消防給水管線探測(cè)誤差分析結(jié)果（如圖3、圖4所示）：

圖3 消防給水管線探測(cè)誤差分析

圖4 生活給水管線探測(cè)誤差分析

由圖3可知：消防給水管線埋深較淺，在探測(cè)時(shí)誤差較小。

由圖4可知：生活給水探測(cè)誤差有了一定的增加。原因是生活給水管線埋藏較深，從而增加了一些探測(cè)誤差，但是也在可接受范圍內(nèi)。

5.2 供電管線彎曲處探測(cè)誤差分析

在管線彎曲處探測(cè)上，對(duì)兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容（如圖5所示）：

圖5 管線彎曲處探測(cè)誤差分析

由圖5可知：在經(jīng)過此次研究的非開挖封閉管線探測(cè)質(zhì)量控制模型控制后，管線彎曲處探測(cè)的誤差較沒控制時(shí)的誤差少。說明此次研究的控制模型具有一定的應(yīng)用效果。

基于該方法施測(cè)的管線點(diǎn)位數(shù)據(jù)，結(jié)合控制測(cè)量和基礎(chǔ)地形圖，在相關(guān)GIS工具中可以快速編繪出三維地下管線圖，最終實(shí)現(xiàn)基于三維地理信息可視化技術(shù)進(jìn)行地下管線信息化管理，保障地下管線的安全。

6.結(jié)束語

此次研究的控制模型，不但能夠減少對(duì)地面的損傷，還能夠通過高精度測(cè)繪手段獲取管線的準(zhǔn)確位置。隨著城市的不斷擴(kuò)大，對(duì)非開挖管線探測(cè)的技術(shù)要求也就越高，所以要不斷優(yōu)化此次研究的模型，以適應(yīng)更高層次的要求。