惯性陀螺仪在非开挖管线探测工程中的成果精度分析
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摘 要：文章通过ABM-90惯性陀螺仪应用在市政工程建设项目中的非开挖管线探测任务中，总结了陀螺仪探测中应注意的关键点，提出了非开挖管线采用触探法代替开挖验证，统计了探测结果和验证结果的偏差量并评定了探测结果精度，较好的指导了设计施工，取得了良好效果。
关键词：惯性陀螺仪；非开挖管线；城市坐标系；绝对精度
中图分类号：TU990.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）19-0067-03
Abstract： In this paper， ABM-90 OMU is used in the trenchless pipeline detection task of municipal engineering construction project. The key points that should be paid attention to in the detection of OMU are summarized. It is proposed that the trenchless pipeline should be detected by Cone penetration test method instead of excavation verification. The deviation between the detection results and verification results is counted and the accuracy of the detection results is evaluated. It is better to guide the design and construction and achieves good results.
Keywords： OMU； trenchless pipeline； urban coordinate system； absolute accuracy
1 概述
非开挖管道施工技术大量应用在城市电力、通信、燃气、给水、工业等市政工程建设领域，由于其不需要大面积开挖地面，施工场地要求小、施工速度快、对被穿越对象扰动少，而且能下穿河流、道路、建筑物等，所以在大型城市建设中发展迅速，且产生了较好的经济效益。由于早期的非开挖施工项目竣工资料不完备，可参考性较低。笔者在多年的探测经历中发现，从权属单位调查来的管线竣工资料仅仅是原设计图纸汇编而来，这就给后来的市政工程建设带来了极大隐患，因此非开挖管线探测技术应运而生。
目前国内主流的非开挖管线探测设备主要是比利时Reduct公司生产的ABM系列和DR系列，该系列管道探测系统可靠性高、操作简便、坚固耐用。本文主要研究了ABM-90惯性陀螺仪探测成果相对于城市坐标系下的绝对精度，指导了现场施工，取得了良好效果。
2 ABM-90惯性陀螺仪探测
2.1 探测原理
当陀螺仪从入口点A行进到出口点B时，ABM-90中的所有传感器自动记录数据，以100Hz或每秒100个采样进行。经过软件计算得到的数据分别是每个点的X方向（距离）、Y方向（航向）、Z方向（俯仰）和滚动位置的变化，最终将得到的一段管路的三维数据坐标。输入入口点和出口点的已知坐标，或者是入口点坐标和起始方位角，从而将一段管路的三维坐标归算至施工坐标系或城市坐标系下的管道三位坐标，由于采用数据足够多，因此能全面反映非开挖管道在地下的空间位置分布。
2.2 探测方法
惯性陀螺仪放入非开挖套管内，通过往返各两次贯穿测量，进行从A到B的正向测量（F）、从B到A的逆向测量（B），在A处将仪器掉头从A到B的逆向测量（B）、从B到A的正向测量（F），即FBBF测量顺序。此测量方法能够尽可能消除系统误差，提高测量数据的可靠性。
测试过程中应尽可能保证仪器以1m/s匀速运行，盡可能防止仪器运行过程中产生较剧烈的震动、突然加速、突然停止等引起加速度值突变的情况，这些突变情况会作为偶然误差，直接影响探测结果的精度和数据可靠性。其运行过程中禁止逆向运行，逆向测量的数据可视为粗差，将会作为正常数据参与计算，导致测量数据不可靠。
采用GPS或全站仪，精确观测A点和B点非开挖管线关口的管顶坐标，记录管径数据，为数据处理做准备。
数据处理时应注意FBBF四组测量数据的重现行，可以从四组数据的离散度来区分单向测量数据的优劣，应保证长度修正比数值小于2.5%。
3 探测案例
3.1 工程应用
ABM-90陀螺仪标称其平面重复测量准确度为0.25% L，高程重复测量准确度为0.10% L（L为当次测试长度），实际工程建设领域更关心在城市坐标系或施工坐标系下探测成果的绝对精度，而不是重复测量准确度，要通过精确探测确定非开挖管线平面位置和埋深，以便施工中合理避让。
某航道整治项目，河道长度约50km，河面宽度约80m，项目施工内容包括驳岸工程、桥梁工程、航道清淤工程等。经现场踏勘及相关权属单位交底该项目存在军通、信息、移动、东方有线、电力及超高压电力、燃气、给水、航油等共计9类非开挖管线，由于下穿航道的管线存在隐蔽性，航道维护疏浚施工作业存在一定风险。为保证下穿航道管线安全，确保航道维护疏浚项目顺利进行，需要对整个维护疏浚工程区域内的非开挖管线进行精探。其中电力和超高压管线共计12路，受电磁干扰等因素，只有采用陀螺仪探测才能满足本项目需要。探测成果详见表1。
3.2 触探法管线验证
在非开挖管线探测技术方法中，陀螺仪探测成果最优[2]，在验证陀螺仪探测精度时，应选择其他精度更高的方法，所以另寻他路借鉴静力触探测试方法。 在待验证管线上设计若干横断面进行垂直触探，触探杆可通过全站仪观测垂直度，配合固定支架保证其垂直，为获得土体内触探杆的垂直度，可通过在触探孔内设置测斜管，通过高精度测斜仪测试钻杆垂直度，以修正触探点的准确坐标。在设计好的触探断面上按一定间距进行触探作业，记录触探到验证管线的触探杆坐标和地面高程，即可获得各相应位置处管线中心的三维坐标，与探测成果资料对比，从而可验证管线的平面位置和埋深成果。
本项目共计验证8路非开挖电力管道，每路电力管道长度约为220m，每路由至少进行了一个点的触探验证，验证成果详见表2。
从表2可以看出，陀螺仪探测成果明显优于规范要求的平面0.1h和埋深0.15 h（h为管道埋深）的限差的精度指标。
4 精度分析
以不同時间、由不同操作员、用不同的仪器，进行重复探测，将原始观测与重复观测的定位、定深结果统计计算中误差。计算结果显示探测精度远高于规范限差要求，探测和验证结果均取得了良好效果。
5 结论
（1）陀螺仪探测成果完全满足于非开挖管线工程物探项目，尤其适用于桥墩桩基施工、航道护岸桩施工、航道疏浚等对管线平面位置和埋深结果精度要求较高的工程环境。
（2）惯性陀螺仪探测过程中最好采用可变力矩绞盘拖拽仪器，以保证仪器运行平稳，高精度的探测一定要采用FBBF测量模式，采集四组测量数据。
（3）讨论了地下管线探测隐蔽点验证方法，非开挖管线埋深较深，开挖验证不现实，提出采用触探加倾斜观测的手段，解决了深埋管线开挖验证问题，取得了良好效果。
（4）惯性陀螺仪高精度的探测成果供设计单位使用可以避免后期调整设计图纸，供施工单位使用可以避免因管线位置不准确而导致的管线事故，供建设单位使用可以控制因重大管线安全风险带来的资金预算，产生了较好的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]武汉大学测绘学院测量平差学科组.测量平差[M].武汉：武汉大学出版社.
[2]谢博.地下非开挖管线探测技术对比[J].华东科技：学术版，2017（6）：360-360.
[3]王晓东，宋健，苗小利.OMU在非开挖管线探测中的试验研究[J].矿山测量，2016，44（5）：5-7，53
[4]潘正华，叶初阳.深埋管线的集中探测技术与规程精度探讨[J].城市勘测，2009（2）：134-137.
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