论文部分内容阅读
【摘 要】非开挖施工技术敷设的管线埋藏深、位置不准确，缺乏有效探测手段。为了避免后期交叉施工给既有管线造成破坏，本文将惯性陀螺仪引入到非开挖施工管线的探测中，并与导向仪进行了对比。通过实例验证了陀螺定位仪在非开挖施工管线探测领域是切实可行的，有着其他探测技术不可比拟的优势。
【关键词】惯性陀螺仪；非开挖；管线探测
[Abstract] In order to avoid late cross construction to the existing pipeline caused the destruction， this article introduced into the inertial gyroscopes for trenchless pipeline detection， and compared with the guide instrument. The gyroscopes in the field of trenchless pipeline detection is feasible by an example and has the incomparable advantage of other detection technology.
[Key words] Inertia gyroscopes；Trenchless；pipeline investigation
一、引言
随着城市建设的飞速发展，燃气、排水、电力、化工、通讯等行业常常需要穿越铁路、公路、河流等障碍物敷设管道，基于对城市市容环境的考虑，在城市建成区利用非开挖施工技术敷设管线的情况也越来越多，由于敷设的管线具有埋深深、位置信息不准确等特点，而常规的管线探测仪等由于自身的局限性（探测深度浅、易受电磁干扰、场地地形可通达的条件差等）无法获得较准确的管线位置信息，导致后期交叉施工时易破坏、破坏后修复成本高且极易酿成人员伤亡事故。同时在城市规划管理过程中，因地下管线位置信息不准确，也造成地下空间资源的极大浪费。
为了获取非开挖施工管线的准确位置信息，科学地利用地下空间，最大限度避免管线切改，消除潜在的事故隐患，通过调研研究我们尝试采用惯性陀螺定位仪来对非开挖施工管线进行精确定位，来解决一些其他探测手段不能解决的实际问题。
二、惯性陀螺定位仪简介
一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的传感器就叫陀螺仪（gyroscope） 。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。陀螺仪用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。
陀螺仪和加速度计分别测量定位仪的相对惯性空间的的3个转角速度和3个线加速度延定位仪坐标系的分量，经过坐标变换，把加速度信息转化为沿导航坐标系的加速度，并运算出定位仪的位置、速度、航向和水平姿态。譬如将北向加速度计和东向加速度计测得的运动加速度aN、aE进行一次积分，与北、东向初始速度VN0、VE0得到定位仪的速度分量，即：
VN= ∫aNdt+ VN0 （1）
VE= ∫aEdt+ VE0 （2）
将速度VN和VE进行变换并再次积分得到定位仪的位置变化量，与初始经纬坐标相加，即得到定位仪的地理位置经纬坐标。
三、惯性陀螺定位仪的技术特点与应用范围
由上述原理可知，惯性陀螺定位仪三维精确定位技术作为新的地下管线定位方法，具有以下技术特点：
1、仪器必须置入管道内部
2、定位精度高且数据连续；
3、测量不受地形限制，不受深度限制，不受电磁干扰；
4、适合于任何材质的地下管道；
5、自动生成三维空间曲线图，并与GIS无缝兼容。
6、陀螺仪三维精确定位技术可作为管线定位仪、GPR探地雷达、CCTV摄像系统等检测方法的有力补充手段，对解决精确定位大埋深地下管线有重要作用。
运用惯性陀螺定位仪三维精确定位技术探测管线时必须具备以下条件：即该工法为管内探测法，需满足该设备在管道内部行进条件。如煤气管、油管、水管等密闭运行的管线，其必须在单管敷设完成后，分段敷设的管线连接前实施探测；在电力、通讯等群管敷设具有空管情况下或竣工完成时均可实施。
四、典型应用实例
某既有高压天然气管道（DN600）非开挖穿越河道施工已完成并已通气运营，但是电力公司需要在紧临燃气管道的位置进行高压塔桩基施工（见图2），由于非开挖施工的导向数据精度很低，并且可靠性差，无法作为施工依据。为了确保燃气管道的正常运营及安全，经过沟通与协调专业单位断气排空后对非开挖施工管线两端进行了切割，创造了两端开口的作业条件，分别采用惯性陀螺仪定位仪和导向仪两种探测方法对原有的燃气管道进行测量，对所得到的数据处理后得到平面位置对比图（图3）和纵断面对比图（图4）。
图2 工区位置图
图3 平面位置对比图 图4 纵断面位置对比图
由图3、图4 可以看出，两种方法平面图局部位置上相差约1.5m，纵向局部相差达2m，究其原因我们初步分析原因有三个：其一，导向仪不可避免的受到外界环境的电磁干扰；其二，导向仪数据只能得到相对深度，最终高程还须与GPS定位高程做代数运算，而GPS在定位时存在误差；其三，地形起伏也是影响导向仪探测精度的因素，陀螺仪则是直接获取三维坐标，不受任何电磁干扰、地形限制。同时不难看出陀螺仪剖面曲线比导向仪纵向剖面曲线圆滑，这是由于陀螺仪能够连续获取坐标的原因。最终依据陀螺仪所获取的三维精确坐标重新确定桩基施工位置，成功的避免了事故的发生。
五、结论
惯性陀螺定位技术作为一种高精度、抗干扰强的探测方法，伴随着非开挖施工技术的发展，其应用将会越来越广泛。特别是自来水、煤气、油管以及长远距离的大型穿越工程，均可利用该方法进行新敷设管线的竣工测量、工程验收以及老管线的修复、定位。毋庸置疑，此技术在以后的管线运营管理和维护中将会起到十分重要的作用。
参考文献：
[1] 李启明.城市地下管线探测与管网测漏新技术及非开挖施工管理大全[ M ] 北京： 建筑科学技术出版社， 1996 。
[2] 洪立波.城市地下管线面临的挑战与机遇 [J] . 地下管线管理. 2005（4）。
[3] 洪立波.城市地下管线探测技术规程（CJJ61-03）[M] 北京： 中国建筑工业出版社， 2002。
[4] 张才荣.小城镇地下管线普查方法探索[J] . 山西建筑， 2008，34（ 6） ：121-122。
【关键词】惯性陀螺仪；非开挖；管线探测
[Abstract] In order to avoid late cross construction to the existing pipeline caused the destruction， this article introduced into the inertial gyroscopes for trenchless pipeline detection， and compared with the guide instrument. The gyroscopes in the field of trenchless pipeline detection is feasible by an example and has the incomparable advantage of other detection technology.
[Key words] Inertia gyroscopes；Trenchless；pipeline investigation
一、引言
随着城市建设的飞速发展，燃气、排水、电力、化工、通讯等行业常常需要穿越铁路、公路、河流等障碍物敷设管道，基于对城市市容环境的考虑，在城市建成区利用非开挖施工技术敷设管线的情况也越来越多，由于敷设的管线具有埋深深、位置信息不准确等特点，而常规的管线探测仪等由于自身的局限性（探测深度浅、易受电磁干扰、场地地形可通达的条件差等）无法获得较准确的管线位置信息，导致后期交叉施工时易破坏、破坏后修复成本高且极易酿成人员伤亡事故。同时在城市规划管理过程中，因地下管线位置信息不准确，也造成地下空间资源的极大浪费。
为了获取非开挖施工管线的准确位置信息，科学地利用地下空间，最大限度避免管线切改，消除潜在的事故隐患，通过调研研究我们尝试采用惯性陀螺定位仪来对非开挖施工管线进行精确定位，来解决一些其他探测手段不能解决的实际问题。
二、惯性陀螺定位仪简介
一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的传感器就叫陀螺仪（gyroscope） 。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。陀螺仪用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。
陀螺仪和加速度计分别测量定位仪的相对惯性空间的的3个转角速度和3个线加速度延定位仪坐标系的分量，经过坐标变换，把加速度信息转化为沿导航坐标系的加速度，并运算出定位仪的位置、速度、航向和水平姿态。譬如将北向加速度计和东向加速度计测得的运动加速度aN、aE进行一次积分，与北、东向初始速度VN0、VE0得到定位仪的速度分量，即：
VN= ∫aNdt+ VN0 （1）
VE= ∫aEdt+ VE0 （2）
将速度VN和VE进行变换并再次积分得到定位仪的位置变化量，与初始经纬坐标相加，即得到定位仪的地理位置经纬坐标。
三、惯性陀螺定位仪的技术特点与应用范围
由上述原理可知，惯性陀螺定位仪三维精确定位技术作为新的地下管线定位方法，具有以下技术特点：
1、仪器必须置入管道内部
2、定位精度高且数据连续；
3、测量不受地形限制，不受深度限制，不受电磁干扰；
4、适合于任何材质的地下管道；
5、自动生成三维空间曲线图，并与GIS无缝兼容。
6、陀螺仪三维精确定位技术可作为管线定位仪、GPR探地雷达、CCTV摄像系统等检测方法的有力补充手段，对解决精确定位大埋深地下管线有重要作用。
运用惯性陀螺定位仪三维精确定位技术探测管线时必须具备以下条件：即该工法为管内探测法，需满足该设备在管道内部行进条件。如煤气管、油管、水管等密闭运行的管线，其必须在单管敷设完成后，分段敷设的管线连接前实施探测；在电力、通讯等群管敷设具有空管情况下或竣工完成时均可实施。
四、典型应用实例
某既有高压天然气管道（DN600）非开挖穿越河道施工已完成并已通气运营，但是电力公司需要在紧临燃气管道的位置进行高压塔桩基施工（见图2），由于非开挖施工的导向数据精度很低，并且可靠性差，无法作为施工依据。为了确保燃气管道的正常运营及安全，经过沟通与协调专业单位断气排空后对非开挖施工管线两端进行了切割，创造了两端开口的作业条件，分别采用惯性陀螺仪定位仪和导向仪两种探测方法对原有的燃气管道进行测量，对所得到的数据处理后得到平面位置对比图（图3）和纵断面对比图（图4）。
图2 工区位置图
图3 平面位置对比图 图4 纵断面位置对比图
由图3、图4 可以看出，两种方法平面图局部位置上相差约1.5m，纵向局部相差达2m，究其原因我们初步分析原因有三个：其一，导向仪不可避免的受到外界环境的电磁干扰；其二，导向仪数据只能得到相对深度，最终高程还须与GPS定位高程做代数运算，而GPS在定位时存在误差；其三，地形起伏也是影响导向仪探测精度的因素，陀螺仪则是直接获取三维坐标，不受任何电磁干扰、地形限制。同时不难看出陀螺仪剖面曲线比导向仪纵向剖面曲线圆滑，这是由于陀螺仪能够连续获取坐标的原因。最终依据陀螺仪所获取的三维精确坐标重新确定桩基施工位置，成功的避免了事故的发生。
五、结论
惯性陀螺定位技术作为一种高精度、抗干扰强的探测方法，伴随着非开挖施工技术的发展，其应用将会越来越广泛。特别是自来水、煤气、油管以及长远距离的大型穿越工程，均可利用该方法进行新敷设管线的竣工测量、工程验收以及老管线的修复、定位。毋庸置疑，此技术在以后的管线运营管理和维护中将会起到十分重要的作用。
参考文献：
[1] 李启明.城市地下管线探测与管网测漏新技术及非开挖施工管理大全[ M ] 北京： 建筑科学技术出版社， 1996 。
[2] 洪立波.城市地下管线面临的挑战与机遇 [J] . 地下管线管理. 2005（4）。
[3] 洪立波.城市地下管线探测技术规程（CJJ61-03）[M] 北京： 中国建筑工业出版社， 2002。
[4] 张才荣.小城镇地下管线普查方法探索[J] . 山西建筑， 2008，34（ 6） ：121-122。