惯性陀螺仪在管线测量中的研究与应用

张明敢

摘要：地下管线是现代城市正常运行的重要部件，但在日常勘察设计、施工中经常会遗漏或破坏到已运行的地下管线，故地下管线的精确测量在现实中至关重要。本文结合工程案例对惯性陀螺仪这种仪器在定位、定深的原理及在仪器探测精度方面进行了分析和总结。

关键词：深埋管线；惯性陀螺仪；精确测量

1.前言

随着我国城市建设发展的需求，国内众多城市开工建设了轨道交通和一些常规市政工程，为了减少对居民日常生活的影响，这就需要对深埋的地下管线进行精确的测量，为工程勘察设计与施工建设提供准确的三维数据进而避免重大的人员与财产损失。

地下管线的运行安全涉及到社会的和谐与稳定，对一些埋深较大的管线常规仪器探测精度不能满足勘察设计或施工要求时，运用惯性陀螺仪获取精确的三维坐标不失为一种解决问题的办法。本文结合了实际工程案例对惯性陀螺仪这种仪器在定位、定深的原理及仪器精度误差方面进行了分析和总结。

2.陀螺仪运行要点

2.1运行原理

陀螺仪工作原理就是利用物体高速旋转时，角动量很大，旋转轴会一直稳定指向一个方向，旋转轴转得越快，指向越稳定。如下图所示。

图1 惯性陀螺仪运行原理图

图2 惯性陀螺仪

运行惯性陀螺仪前需要运用RTK或全站仪实测管线起始点位，作为仪器运行计算的起始点，而后将惯性陀螺仪放置在待测管线内，使其慢慢沿管线向前运行，仪器会自动记录运行轨迹长度，运用专业软件计算出垂直和水平分量即可得到精确的三维数据。

2.2实施要点及误差分析

（1）运行仪器前需要检查管线内壁是否光滑，陀螺仪能否无障碍通过，最好能在管线应用前施测。

（2）陀螺仪在管道中运行时要尽量匀速前进，避免加速前行造成不必要的运算误差，运行长度不宜过长避免误差累计。

（3）通常还需实测一个终点数据用来作为对比数据，确定惯性陀螺仪运算成果是否达到要求，寻找分析原因不能满足要求时重新探测作业，直至精度符合要求。

2.3惯性陀螺仪技术优点

（1）实施起来不受地形、交通条件的限制，操作简单方便，节省人力。

（2）探测时不受现场其它管线信号干扰，探测方法与常规电磁波探测不同，获取的成果精度非常高。

（3）金属与非金属管材都可以探测，且不受管线埋设方式的限制。

（4）探测成果除起算点外，均由仪器和软件自动计算得来避免人工记录和计算带来的误差。

2.4工程应用案例

无锡市新区污水管网能级提升工程-汉江路污水管工程中，由于污水工作井在现状路面上实施人员车流量多交通压力大，无法大规模开挖施工，故全线采用顶管工艺，这就对与线路走向垂直相交的管线探测精度要求非常高。现查明横穿汉江路两侧西门子公司的通信电缆为非开挖施工埋深较大，为避免破坏电缆造成工厂停产，业主方委托我公司对线缆进行精确测量。

图3 探测成果图

本次工程实测管线长度为76.58m，共采集管线特征32个，测量间距约2.3m，管线埋深约0.7～4.85米；其中电缆最大埋深处与设计污水管线高程有冲突需调整原设计方案，探测线缆轨迹成果上图所示。

探测成果精度如下：

平面精度：±0.25%*L=±0.25%×76.58=±19cm m<0.1h

高程精度：±0.10%*L=±0.10%×76.58=±7.6cm<0.15h（其中L为轨迹运行长度，h为管道中心的埋深），精度满足规程要求。

3.结束语

经过我们的了解与实践运用，惯性陀螺仪已经在周边多个城市管线探测中得到运用，且取得不错的探测成果，为勘察设计、施工或城市规划部门提供了准确的基础数据，避免了深埋管线不必要的破坏。

参考文献：

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[2]张汉春.广东番禺某段定向钻LNG管线探测的验证[J].工程勘察，2008（8）：65～68

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