導向儀系統在城市非開挖非金屬管道探測中的應用

劉傳逢，張云霞，楊曉東，吳嵩

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

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導向儀系統在城市非開挖非金屬管道探測中的應用

劉傳逢*，張云霞，楊曉東，吳嵩

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

城市地下管線是城市的重要基礎設施，采用非開挖技術敷設的非金屬管道給地下管線探測工作提出新的挑戰。為應對城市建設中對地下管線高精度探測技術要求，筆者針對一端或兩端出露并有開口的非金屬管道，采用管道穿線器導引和CCTV管道檢測機器人攜帶導向儀系統傳感器進入非金屬管道中進行探測實驗，取得了較好的應用效果。關鍵詞：地下管線；非開挖；非金屬管道；導向儀

1 引 言

城市地下管線是城市的重要基礎設施，是城市運行的生命線。科學技術的發展促使城市地下管線的材質、施工方式不斷發生變化，金屬材料被穩定可靠、耐老化、耐腐蝕的聚乙烯PE，聚氯乙烯PVC等非金屬材料替代；城市建設中的交通繁忙、建筑物密集、地下管線復雜地區，明挖施工方式被非開挖技術替代[1]，而這些變化給地下管線探測工作提出了新的挑戰[2]。

目前傳統的地下管線探測方法主要是頻率域電磁法和探地雷達法。頻率域電磁法僅能探測管線材質為金屬管線或電纜，對于埋深較淺的未穿線非金屬管線可以采用示蹤探頭法，探測深度在 5 m范圍內精度較高[3]。非金屬管線的探測主要采用探地雷達法，但該方法探測效果往往受到探測場地、地質條件和地下水位高度的影響，效率相對低下。目前采用非開挖技術施工的大埋深地下管線，多為非金屬材質，且埋深幾乎都在 5 m～20 m范圍，傳統的地下管線探測方法已不再適用。

水平定向鉆進技術是非開挖技術領域主導地位并且發展最快的高新技術，它是利用水平定向鉆機以可控鉆孔軌跡的方式，在不同地層和深度鉆進并通過跟蹤與導向儀導向抵達設計位置而鋪設地下管線的施工新方法。非開挖導向儀系統是一個用以輔助使用者判斷并跟蹤非開挖水平定向鉆機地下鉆頭的位置和方向的導向儀器。由于導向儀系統的最大探測深度可達 28 m，具有抗干擾強，信號穩定，精度高的特點，可以解決非開挖技術施工大埋深非金屬地下管線探測的難題。為了滿足非金屬管道高精度探測詳查的要求，武漢市測繪研究院針對一端或兩端出露并有開口的非金屬管道，采用管道穿線器導引和CCTV管道檢測機器人攜帶導向儀系統傳感器進入非金屬管道中，通過采用接收器探測傳感器位置、埋深，從而確定非金屬管道的位置和埋深的方法進行探測實驗，取得了較好的效果，可以滿足探測的精度要求。

2 探測設備及方法

導向儀系統定位測深技術的基本原理是利用傳感器螺線管天線發射的電磁場的分布特征，位于地面的接收器采用一個或多個天線對電磁場進行接收，判斷計算出關于發射螺線管天線的位置和深度信息。圖1所示為美國DCI(Digital Control Inc.)公司最新的DigiTrak F5地下定位系統，由接收器、傳感器、遠程顯示器、電池充電器系統、可充電電池組構成。

圖1 DigiTrak F5定位系統

劉國安等[4]引進導向儀系統探測非開挖的大埋深電力頂管，實踐結果顯示該探測方法效果明顯。李超等[5]在頂管探查中使用了全新的DigiTrak Eclipse定位系統，解決了管線探測中無法準確探測頂管的難題，大大提高了管線探測精度。邱劍等[6]對該項探測技術申請了發明專利“一種運用導向儀進行深層地下管線探測的方法”，并詳細介紹了該種探測方法的操作流程：①在地面上對導向儀的接收器和傳感器進行測深校準；②將導向儀的傳感器固定在管道穿管器上，使傳感器處于工作狀態，然后利用管道穿管器從管線出露處將傳感器送入管口內；③用導向儀的接收器確定傳感器的初始位置以及測量出初始的埋深，量測管口的實際位置和埋深，并計算出導向儀所測的初始位置及量測的實際位置之間的差值V1，導向儀所測的埋深與量測的實際埋深之間的差值V2，即為修正值V1、V2。④將傳感器按照預定的距離依次往前推送，接收器跟蹤傳感器的移動軌跡，并在地面上根據前定位點、后定位點和定位線測出傳感器所處的位置及對應埋深；⑤根據所穿管的修正值V1、V2，修正其管的中心位置和埋深。

該探測方法具有如下特征[4]：①該方法僅適用于非金屬管線探測，金屬管線易屏蔽傳感器發射的一次磁場；②需要根據不同埋深、不同管徑管線選擇不同類型傳感器；③根據管道周圍干擾復雜程度，可以采用單頻或雙頻壓制干擾，提高探測精度；④確保探測管線具備傳感器穿越空間；⑤如管孔內存在淤積現象，需要采用高壓水槍或空氣壓縮機方式清理管孔，確保管道暢通。

3 工程實例

3.1 武漢市某路口探測非開挖敷設電力空管

武漢市某路口擬采用暗挖方法新建一條地下通道，而在設計通道北側有一條非開挖敷設電力管道，管道并未穿線，需要對該條電力空管進行準確定位及定深，以確定最終設計方案。由于常規的頻率域電磁法無法探測空管，現場不具備良好的接地條件無法采用主動源示蹤線法，被動源示蹤探頭法由于采用和管線儀類似的定位定深方法，深度大于 5 m時誤差較大，無法滿足探測精度要求。本次采用管道穿線器導引導向儀系統傳感器模擬非開挖管道施工過程，進而確定已埋設電力空管的平面位置和埋深。

圖2 導向儀系統探測電力頂管縱剖面分析圖 探測點地面高程、管線埋深和管線高程 表1

探測方法采用與“一種運用導向儀進行深層地下管線探測的方法”相同的操作流程，利用DigiTrak F5定位系統接收器沿管道接收傳感器信號，每 4 m記錄1次定深及定位數據。圖2為導向儀系統探測電力頂管縱剖面分析圖，表1列舉了各探測點的地面高程，埋深及管線高程。 圖2可見該電力頂管在垂向上呈圓弧形狀，連續性較好，最大埋深達到 8 m，對該電力頂管的探測效果較好。

3.2 武漢市某別墅區探測預埋雨水管道

測區為一別墅區高爾夫球場，預埋有一條管徑 400 mm PVC材質的雨水管道，測區內3個雨水檢修井被掩埋，該雨水管道敷設時未留下標明管道位置及埋深的相關竣工資料。由于測區內禁止開挖，傳統開井調查排水管道的測量方法無法進行。采用管道潛望鏡對該管道進行初勘時發現，該管道水流較小，淤泥也較少，具備采用CCTV管道檢測機器人進行檢測的條件，設計采用CCTV管道檢測機器人攜帶導向儀系統傳感器進入雨水管道內進行探測的方案。

本次采用設備為DigiTrak F5地下定位系統(圖1)和TVS-2000管道內窺攝像監測系統(圖3)，利用管道機器人將傳感器帶入雨水管道內，利用DigiTrak F5地下定位系統對傳感器定位及定深。由于導向儀系統定位定深采用的是電磁感應原理，現場試驗結果顯示帶電工作的CCTV管道檢測機器人對導向儀系統干擾較大，影響測量精度，故將傳感器固定于距離管道檢測機器人尾部 2.3 m處線纜上，再次試驗結果顯示不受干擾。

攜帶導向儀系統傳感器的CCTV管道檢測機器人進入雨水管道后將初始“管道長度”置零，然后控制機器人勻速前進，線纜盤對管道檢測機器人“管道長度”進行精確標定。為進一步增加探測精度，管道檢測機器人行進過程中在適當距離增加探測點，分別在 “管道長度”為 12.3 m，19.7 m， 32.3 m， 42.15 m處對傳感器定位及定深，編號分別為探點1，2，3，4；同時在地面上采用WHCORS系統RTK作業方法采集這些定位點，雨水管道圖如圖4所示。其中，在管道檢測機器人“管道長度” 17.39 m處可見一檢修井井蓋，如圖5所示；“管道長度” 41.98 m處管道內可見一明顯障礙物，管道檢測機器人無法繼續行進，如圖6所示。雖然本次實例未能探測出剩余的兩處檢修井位置及埋深，但實踐結果表明，采用CCTV管道檢測機器人和導向儀系統相結合的方法，可以實現對非金屬排水管道的探測，而且探測的精度非常高。

圖3 TVS-2000管道內窺攝像監測系統

圖4 雨水管道圖

圖5 CCTV管道檢測機器人“管道長度”17.39 m處影像圖

圖6 CCTV管道檢測機器人“管道長度”41.98 m處影像圖

4 結 語

城市建設中廣泛采用非開挖技術施工地下管道給管線探測人員提出新的挑戰，我院通過采用管道穿線器導引和CCTV管道檢測機器人攜帶導向儀系統傳感器進入非金屬管道中進行探測實驗，取得較好的應用效果。

目前，對于正在使用中的非金屬燃氣、給水和高壓污水管道，不具備應用此方法的條件，主要采取探地雷達法或其他物探方法進行精確定位[2，7]。城市建設管理部門除應加強施工監管和資料備案，可應用該方法對非開挖技術施工管道進行竣工驗收。

[1] 王鵬，張偉. 中國非開挖地下管線施工—市場潛力、技術現狀和發展趨勢[J]. 地質與勘探，1998，34(2)： 63～66.

[2] 楊振濤. 非開挖管線探測方法及其適用性分析[J]. 上海國土資源，2011(2)： 67～70+78.

[3] 張漢春，莫國軍. 特深地下管線的電磁場特征分析及探測研究[J]. 地球物理學進展，2006，21(4)： 1314～1322.

[4] 劉國安，劉繼芳. 導向儀在地下非金屬管線探測中的應用[C]. 中國城市規劃協會地下管線專業委員會2011年年會，2011.

[5] 李超，周呂，文鴻雁等. 寧波市地下管線探測中應用技術的探討[J]. 地理空間信息，2013，11(2)： 152～154+113.

[6] 邱劍，鐘洪德，廖富天等. 一種運用導向儀進行深層地下管線探測的方法[Z]. 2014.

[7] 王勇，王永. 綜合物探方法在非開挖工藝敷設地下管線探測中的應用[J]. 測繪通報，2011(4)： 58～61.

The Application of Guidance Instrument System In Detection of Urban Non-metallic Pipeline by the Trenchless Technology

Liu Chuanfeng，Zhang Yunxia，Yang Xiaodong，Wu Song

(Wuhan Geomatic Institute，Wuhan 430022，China)

Urban underground pipeline is an important urban infrastructure，the use of trenchless technology for laying underground non-metallic pipeline brings new challenges for detection. In response to the high accuracy requirements in underground pipeline detection，in one side or both sides exposed and with opening non-metallic pipeline，we use pipeline threader guide or CCTV pipeline inspection robot carrying guide instrument system sensor into the non-metallic pipeline for detection experiments，and achieve good application effects.

underground pipeline；trenchless；non-metallic pipeline；guide instrument

1672-8262(2016)05-163-04

P631

B

2016—05—30

劉傳逢(1976—)，男，正職高級工程師，現主要從事地下管線探測及交通市政工程測量等技術工作。