黎重輝

（建勘勘測有限公司廣東第二分公司 廣東東莞 523068）

0 引言

隨著現(xiàn)代城市的快速發(fā)展，完整的地下管線很少能提供準(zhǔn)確的管線位置和深度，這影響了日益龐大的管線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理和維護(hù)。地下各種像蜘蛛網(wǎng)一樣的管道線路錯綜復(fù)雜，包括電力管線、供水供暖系統(tǒng)、燃?xì)夤苈?、城市的排污排水系統(tǒng)等，但是因?yàn)楦鞣N技術(shù)的限制以及歷史遺留問題，如何準(zhǔn)確地檢測諸如電力管道的地下管道的位置和埋藏深度已成為迫在眉睫的問題。

傳統(tǒng)的管道探測方法通常使用地球物理方法，或者使用電磁場來感應(yīng)金屬管道的位置和埋深（例如，管道儀器探測），另一方面可以利用不同管道和周邊包圍物的組成不同，即不同物質(zhì)間的差異性進(jìn)行物理探測，如地質(zhì)雷達(dá)。盡管這些方法都有其優(yōu)勢，但它們常常受到管道材料，埋深，周圍干擾過多，會影響定位精確度，使這種方法的測量精度降低，影響工程施工。電力管道通常使用非開挖定向穿越，其埋入深度經(jīng)常超出現(xiàn)有儀器的檢測范圍，這使這些方法無用。

慣性陀螺儀3D定位技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種新的管道測量技術(shù)。它把慣性陀螺儀的定位裝置拖拽到待測管道中，利用其自身的陀螺儀定位技術(shù)，同時整合了慣性導(dǎo)航技術(shù)、計(jì)算機(jī)的三維處理技術(shù)，會自動對定位裝置的運(yùn)動軌跡進(jìn)行跟蹤記錄，在計(jì)算機(jī)端直接顯示出定位裝置的三維坐標(biāo)，標(biāo)記處位置圖、管道中心線等信息。在實(shí)際測量的過程中，管道所用材料種類、管道挖埋得深度、管道周圍環(huán)境得地質(zhì)條件等因素幾乎對測試沒有影響，只需保證慣性陀螺儀得定位裝置能夠放進(jìn)被測管道，并發(fā)生移動，就可以實(shí)現(xiàn)高精度的管道測量。

1 慣性陀螺儀管道測量技術(shù)的工作原理

工作原理：

陀螺儀作為一種基于角動量守恒理論被設(shè)計(jì)出來的，所以他也是一種可以檢測角動量得裝置，陀螺儀位于軸心可高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子圍繞著周圍幾個與旋轉(zhuǎn)軸正交位置的軸旋轉(zhuǎn)，中心的陀螺儀狀態(tài)不會發(fā)生變化。并且人們已經(jīng)基于此功能開發(fā)了陀螺儀。陀螺儀的旋轉(zhuǎn)速度是驚人的。在正常情況下，速度可以達(dá)到每分鐘十幾萬轉(zhuǎn)。通常依靠多種方法來表征旋轉(zhuǎn)軸指示的方向，在應(yīng)用陀螺儀進(jìn)行作業(yè)的過程中，在保證能夠明確旋轉(zhuǎn)軸指向哪個位置后，測量數(shù)據(jù)將被傳輸?shù)秸麄€檢測系統(tǒng)。

在陀螺儀旋轉(zhuǎn)期間，如果施加外力，則轉(zhuǎn)輪的某個點(diǎn)將同時受到應(yīng)力，并且陀螺儀將立即傾斜。如果陀螺儀力點(diǎn)的勢能低于陀螺儀的速度，則由于陀螺儀的傾斜，力點(diǎn)將向傾斜的上角滑動。當(dāng)斜上角運(yùn)行時，陀螺儀受力點(diǎn)的勢能仍向下運(yùn)行，這使得當(dāng)陀螺儀達(dá)到斜上角時該力點(diǎn)的剩余勢能向下運(yùn)行。直徑的與力點(diǎn)相反的另一端也具有相應(yīng)的勢能。該勢能與力點(diǎn)的移動點(diǎn)正好相反，力點(diǎn)向下，勢能向上。該點(diǎn)通常稱為聯(lián)合力點(diǎn)。當(dāng)聯(lián)動力點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到180°時，它會從斜上角變?yōu)樾毕陆?。這時，聯(lián)動點(diǎn)將向上拉動陀螺儀。在力點(diǎn)和連桿力點(diǎn)的相互作用下，陀螺儀返回到平衡狀態(tài)。

在實(shí)際應(yīng)用中，慣性陀螺儀和加速度計(jì)隨著坐標(biāo)系的不斷變化，加速度的性質(zhì)也發(fā)生變化，并成為沿導(dǎo)航坐標(biāo)方向的加速度。例如，一次將由北和東加速度計(jì)測得的加速度值aN和aE進(jìn)行積分，并將從東，北方向的初始速度VN0和VE0導(dǎo)出的速度分量轉(zhuǎn)換為VN和VE并再次積分。獲取定位器的位置變化，然后將其添加到初始緯度和經(jīng)度坐標(biāo)以確定管道的實(shí)際位置。由于慣性陀螺儀的誤差值很小，為15cm，檢測深度達(dá)到500m以上，因此該檢測儀具有較高的應(yīng)用價值。

2 慣性陀螺儀的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍

從以上原理可以看出，慣性陀螺定位器三維精確定位技術(shù)作為一種新型的地下管道定位方法，具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢，具體如下：

（1）儀器必須放置在管道內(nèi)。

（2）定位精度高，連續(xù)數(shù)據(jù)。

（3）測量不受地形，深度和電磁干擾的限制。

（4）適用于任何材質(zhì)的地下管道。

（5）目的是與GIS完美兼容，會自動根據(jù)測量結(jié)果生成三維空間的示意圖。

（6）陀螺三維精確定位技術(shù)可以作為管道定位器，GPR探地雷達(dá)，CCTV攝像系統(tǒng)和其他檢測方法的有力補(bǔ)充，對精確定位大型地下深埋管道具有重要作用。

使用慣性陀螺定位器三維精確定位技術(shù)檢測管道時，必須滿足以下條件：該方法是管道內(nèi)檢測方法，必須滿足設(shè)備在管道內(nèi)移動的條件。對于封閉的輸氣管道，如煤氣管，油管，水管等，必須在完成單管鋪設(shè)之后且在連接各部分的管鋪設(shè)之前進(jìn)行檢測；電力，通信等的群管鋪設(shè)中有空管時或完成時，可以實(shí)施。

3 實(shí)際應(yīng)用舉例

慣性陀螺儀定位技術(shù)用于定位天然氣鋼管。本文介紹的案例是利用慣性陀螺儀測量某市區(qū)水路的一條煤氣管道的水平定向鉆井情況。本部分鋼管的規(guī)格為D325.3×7.8，管道的實(shí)際檢測長度為695.3m。

數(shù)據(jù)收集與計(jì)算：

（1）管道水平定向鉆進(jìn)施工完成后，將管道兩端切開，并用全站儀測量管道兩端軸線中點(diǎn)的坐標(biāo)并記錄下來。

（2）在管道內(nèi)部劃一條線，以將慣性陀螺儀來回穿過管道。當(dāng)前，有兩種線程化方法。

①管道穿線。

將過孔器放在管道的一端，手動將其連續(xù)推入管道中位于管道口處的管道內(nèi)，最后穿過管道的另一端。將裸露的管端金屬頭連接到牽引鋼絲繩上，然后將管向后拉過管，完成穿線工作。

②鼓風(fēng)機(jī)穿線。

將風(fēng)箏線綁在膨脹的塑料袋上，并將其放在管道的一端。將鼓風(fēng)機(jī)與管口處的塑料袋對齊，直到將塑料袋吹到管道的另一端。

（3）將管道中的電線連接到牽引鋼絲繩上后，更換管道中的牽引鋼絲繩，然后將牽引鋼絲繩連接到測量主機(jī)，并拉動測量主機(jī)從管道的一端滑到另一端最后，然后進(jìn)行牽引拖動鋼絲繩并將其在管道中來回傳遞之后，數(shù)據(jù)收集完成。

（4）用計(jì)算機(jī)程序解決測量主機(jī)收集的數(shù)據(jù)，以獲得管道的3D坐標(biāo)。慣性陀螺儀的定位測量軌跡如圖1所示。

為了驗(yàn)證慣性陀螺儀測量管道的結(jié)果是否精準(zhǔn)，可對非開挖的管道進(jìn)行開挖驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)分兩個地點(diǎn)進(jìn)行，開挖深度分別設(shè)定為4.5m和2m，開挖結(jié)果列于表1。

實(shí)際的工程中可以看出，電磁波和地層對慣性陀螺儀不會造成影響，慣性陀螺儀具有較高的精度，測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，出口處和入口處的數(shù)據(jù)可通過傳統(tǒng)方法以外的方法進(jìn)行測量，其余得到的數(shù)據(jù)，設(shè)備自行計(jì)算，消除了人為錯誤，可以反復(fù)驗(yàn)證，解決了測量準(zhǔn)確的問題。

圖1 慣性陀螺儀定位軌跡管線位置

表1 驗(yàn)證慣性陀螺儀測量準(zhǔn)確度的實(shí)際開挖結(jié)果

4 結(jié)束語

慣性陀螺儀中關(guān)鍵技術(shù)使陀螺儀定位導(dǎo)航技術(shù)，可以在管道中直接放置測量裝置，對中技術(shù)用于測量管道的中心軸位置。因此，當(dāng)前已知的非挖掘測量技術(shù)具有最高的測量精度。

慣性陀螺儀的定位系統(tǒng)具有自動測量的特點(diǎn)，不需要工作人員隨時跟進(jìn)測試進(jìn)行定位，所以這種測試的抗干擾能力很強(qiáng)，能夠在較為惡劣的天氣、不方便的交通、光線不足的情況下進(jìn)行工作，可實(shí)現(xiàn)24h不間斷的測量。由于慣性陀螺定位器在管道中使用直接測量方法，因此要求能夠通過管道，因此更適合于測量新建的非運(yùn)行管道。對于現(xiàn)有的運(yùn)行管道，必須保留空管道以進(jìn)行測量。如果一些舊管道被淤泥堵塞而無法通過，則無法測量。

慣性陀螺定位儀的3D測量技術(shù)不受管道材料，管道埋深，周圍環(huán)境和地質(zhì)條件等因素的影響，尤其在非開挖定向鋪設(shè)的管道中，靠慣性陀螺儀測試的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)，在管道的維護(hù)和管理工作中提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。