三維慣性陀螺定位技術在非開挖地下管線高精度探測中的應用研究

程銘宇，陳友良

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

隨著城市建設的飛速發展，主要道路下的管網已是十分密布、趨于飽和，對地下管線探測技術提出了極大挑戰。傳統的管線探測技術大多是基于地球物理勘探的原理，通過一套完整的發射-接收系統，分析地下管線和周圍介質的物性差異，以此推斷其空間位置和埋設深度。由于地下管線的復雜性和地下介質的多樣性，探測精度受到很大的影響，對于一些重要管線的建設和維護帶來很大的安全隱患。近年來，三維慣性陀螺定位技術日趨成熟，在地下管線高精度探測中得到了越來廣泛的應用。本文將結合比利時REDUCT公司生產的陀螺儀管道定位系統在廣東的應用實例，簡要介紹三維慣性陀螺定位技術的原理和工作方法，并探討該技術的應用優勢。

2 三維慣性陀螺定位技術的原理

陀螺儀是用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置，陀螺儀在角動量守恒原則下，具有兩大特性——定軸性和進動性，在航天航空的慣性導航系統中有廣泛的應用。

受慣性導航和示蹤探頭法探測地下管線的啟發，綜合運用陀螺儀和慣性定位技術，三維慣性陀螺定位儀應運而生，并在管線探測中得到了有效的應用。三維慣性陀螺定位儀主要有陀螺儀組件和加速度計組件組成，如圖1所示，分別測量定位儀的相對慣性空間的3個轉角速度和3個線加速度沿定位儀坐標系的分量，經過坐標變換，把加速度信息轉化為沿導航坐標系的加速度，并運算出定位儀的位置、速度、航向和水平姿態，如圖2所示。

圖1 慣性陀螺定位儀結構圖

圖2 慣性陀螺定位儀工作原理示意圖

3 REDUCT陀螺儀管道定位系統簡介

國內學者和科研機構在2005年左右開始三維慣性陀螺定位技術的研究，在產品化和商業應用方面有了一定的進展。目前，在地下管線探測領域常用的是比利時REDUCT公司生產的陀螺儀管道定位系統，它由慣性定位儀(OMU)和輪組系統組成，如圖3所示，并配備專用的計算機和數據處理軟件。

圖3 REDUCT陀螺儀管道定位測繪系統

REDUCT管道定位測繪系統操作簡便，具體工作步驟如下：

(1)起訖點測量：打開管線工作井，測量管段起訖點的坐標，量取管道內外徑；

(2)管道疏通：使用穿管器將牽引繩施放在管道內，將管道牛連接在牽引繩上，在管道內來回拖動，以確定儀器可以在管道內正常行走；

(3)陀螺定位測量：將陀螺儀連接牽引繩上在管道內拖動；

(4)坐標解算：將測量數據導入專用計算機，輸入管道起訖點坐標等測量參數進行坐標解算。

4 精度實驗驗證

為了驗證REDUCT陀螺儀管道定位系統的測量精度，搭建專用的測試管道，管道采用內徑 90 mm的PVC管道，長度 66 m，如圖4所示。

圖4 精度實驗測試場地

采用全站儀取軸線方向均勻取點測量，與REDUCT管道定位測繪系統測得的數據進行擬合對比，對比結果如圖5、圖6所示。經分析精度，最大水平偏差 0.06 m，最大垂直偏差 0.04 m，精度符合要求。

圖5 管線三維形態圖

圖6 管道平面圖

5 應用實例

為獲取佛山市110 kV東牽線、平林線等輸電線路定向鉆施工管線的準確空間位置坐標，采用REDUCT陀螺儀管道定位系統，共測量管線20段，總計長度約 3 686 m，經4次重復測量、部分檢測點的釬探、開挖、綜合物探驗證，探測精度優良，最終形成綜合探測報告、地下管線平面圖、縱斷面圖、三維效果圖、管線點成果表等一系列完整的管線高精度定位資料，為管線的建設和維護提供了保障。

以丹桂路口(金沙郵局旁)電力管線段為例，該段管線為管徑 200 mm的塑料管，全長約 170 m，橫跨丹桂路和立交橋。采用REDUCT陀螺儀管道定位系統進行測量，最終生成三維效果圖、平面位置關系圖、縱斷面圖，并以 1 m為間隔生成管線點成果表，如圖7、圖8所示。

圖7 現場作業照片

圖8 丹桂路口(金沙郵局旁)管線測量三維效果圖、平面圖、斷面圖及部分成果表

根據測量結果，本段管線埋深最大為 10.17 m，用常規的管線探測儀很難準確探測出管線的平面位置和埋深。為了驗證慣性陀螺儀定位的精度，選取6個埋深在 4 m內的管線點用常規的RD8000管線探測儀進行了對比分析(表4)，結果顯示平面位置偏差最大為 0.25 m，埋深最大偏差在 0.54 m。

慣性陀螺定位儀與常規管線儀探測結果對比分析 表1

6 結 論

三維慣性陀螺定位技術在非開挖地下管線高精度探測中取得了良好的效果，結合實際操作，得出如下結論：

三維慣性陀螺定位技術摒棄了傳統探測技術依賴于目標體物性差異的限制，具有精度高、性能穩定、受地下介質和外界條件干擾較小的特點，為地下管線精確定位提供了有效的解決方案。

由于陀螺定位儀需要在管道內拖動，要確保管道暢通，較適宜新建管線的高精度探測，對于已投入使用的管線必須要有預留的空管。

目前常見的輪組以 90 mm～ 500 mm為主，對于較大管徑的管線探測需要定制專用的輪組。