管道工程数字测绘关键技术研究与应用——以西气东输配套燃气工程为例

谢裕群

(平远县自然资源局，广东 平远 514600)

1 引言

近年来，国家大型天然气、石油等长输管道工程建设为管道测绘的发展提供了广阔的发展空间。管道测绘从单一的地面测量转变为航空摄影测量、卫星遥感与地面测量并用的模式[1]。管道数字化测绘是发展智慧化管道的重要基础，管道位置信息是建设数字化管道的重要内容[2]。然而，长输管道途经城市人口密集区、河流、公路、铁路，安全风险管控难度大，如果管道失效，发生泄漏、爆炸等事故，会造成巨大损失，污染水源和自然环境[3]。因此，摸清管道规模、位置关系、功能属性、产权归属、运行年限等基本信息是智能化管线建设的基础。本文以西气东输工程某管道工程测绘项目为例，研究总结了管道工程测绘尤其是施工测绘的基本内涵和关键技术，以期为同类工程的实施提供参考和借鉴。

2 管道测绘关键方法及技术

2.1 控制测量

天然气管道工程控制测量包括平面控制测量和高程控制测量。平面控制测量包括首级平面控制测量和线路平面控制测量。根据《工程测量规范》（GB 50026—2007）及相关测量规范标准，采用GNSS 进行平面静态观测。在天然气线路控制测量中，当国家等级点密度不能满足线路联测需要时，先进行国家等级点加密控制测量，加密控制网可视为线路的首级控制网。首级控制网沿线路按点对布设，构成四边形或大地四边形组成的带状网。点对间的距离一般为8 ～15 km，最长不超过20 km；组成点对的两点间相互通视，间距不小于400 m[4-5]。线路控制测量，以GNSS 加密点或国家四等及以上的等级点为起算点布网，线路GNSS 控制点的间距通常是200 ～500 m。其测量精度等级满足《油气输送管道工程测量规范》（GB/T 50539—2009）中规定的E 级要求[6]。

高程控制测量主要有三角高程测量和水准测量两种方式。在地势起伏较大的地方，可以采用三角高程测量代替水准测量，以提高作业效率；对于地势平坦、通视良好区域，采用水准测量方法能够保证较高精度。相关研究表明，通过改进仪器、作业流程和方法，三角高程测量可以替代二等水准测量，在特定条件下能达到一等水准测量的要求[7-8]。

2.2 投影坐标系到工程坐标系的转换

控制测量成果多采用投影坐标系或地方坐标系，通常沿管道前进方向和垂直管道前进方向建立工程坐标系，以便施工放样。因而，需要确定这两套坐标系的关系，建立投影坐标系到工程坐标系的转换模型[8]。施工坐标与测量坐标的换算如图1 所示。

图1 施工坐标与测量坐标的换算

设P点的施工坐标为投影坐标系坐标为（xP，yP），θ为放样直线段的方位角，则两者之间的转换关系如公式（1）所示。

通常情况下，在保证变形最小的前提下，可以采用最小二乘法原理计算转换参数，以实现坐标转换。工程中可灵活计算各桩点的工程坐标，便于开展开槽口放样、坡度控制、顶管测量、断面测量等工作。

2.3 槽口放线

利用RTK 和全站仪相结合的方法进行槽口放线。横断面比较平坦时，设中线到开挖边线的距离为B（称为槽口半宽），则槽口宽度2B可按公式（2）计算。平坦槽口开挖示意图如图2所示。

横断面高度变化较大时，中线两侧槽口宽度不一致，如果沟槽开挖较深，则常需变坡分级开挖，开槽宽度如公式（3），坡度较大槽口开挖示意图如图3所示。

2.4坡度控制标志的测设

坡度板法是坡度控制标志测设常用的方法，通过控制中线和构筑物的位置，掌握管道设计高程，从而进行跨槽埋设。（1）设置坡度板。根据工程进度要求及时埋设坡度板，当槽深在2.5 m 以内时，应于开槽前在槽口每隔10～15 m 埋设一块。（2）投测中线。坡度板埋好后用经纬仪将管道中心线投测到板顶面，并钉中线钉。其中，中线钉连线即为管道的中线方向。通过在中线钉或其连线上悬挂垂球将中线位置投影到管沟内。（3）测设坡度钉。为控制管道埋深，根据施工场地附近水准点，测定各坡度板顶面高程H板顶。再结合管底设计标高H管底和预先确定的下返系数c，计算每个板顶应向下或向上的调整数δ，根据δ值在高程板上钉设坡度钉，使之到管底设计标高的垂距为c。

当δ为“+”时，自坡度板顶向上调整；反之向下调整，并钉坡度钉，及时掌握槽底和基础面施工高程。

2.5顶管施工测量

在管道穿越铁路、公路、河流或建筑物时，由于不能或不允许开槽施工，故采用顶管施工。首先，建立施工段面地上和地下控制测量系统。其次，根据待施工管道设计施工图提供的坐标，利用光学经纬仪控制顶管轴线方位，用GNSS或全站仪确定工作坑位置和顶管起止点，利用水准仪和全站仪三角高程联合测量地下顶管推进高程[9]。同时，在每一步的测量中，结合使用动态测量不断复核预顶进轴线和静态测量，跟踪测量激光点的移动进行纠偏，校正顶进方向[10]。

2.6基于AutoCAD的线路纵断面测量

根据燃气管道纵断面的绘制要求及AutoCAD软件的特点，本文纵断面绘制的框架主要有参数设置、采样点绘制、纵断面数据、纵断面绘制[11]。（1）纵断面绘制参数主要有表格设置（如表头样式、文字高度、内容格式等）、断面比例尺和线条颜色设置、地面标高和埋深录入设置等。（2）采样点绘制用于表达燃气管线属性及空间位置，如原始地面高程、管顶高程、管径、埋深、距离等。（3）数据录入时将外业测量的基本数据录入即可，其他属性项可根据各属性项之间的关系进行相应计算。（4）获取所有采样点数据并根据配置信息绘制断面表格、断面线、标注等元素。

3 应用实例

3.1 项目概况

某市西气东输中段某支线配套天然气管道于2017年5 月开工建设，管线设计压力为10 MPa，传输介质为钢管，管径为600 mm，管线埋深1.5 m 左右，穿越城市主要干道及建筑物时顶管铺设，部分地区开槽铺设和架空铺设，实现管道工程合理化运营。

3.2 GNSS 控制测量

根据燃气管道设计路线，合理布局覆盖该任务区的D 级GNSS 控制网。其中，使用四台徕卡GNSS 接收机，通过静态测量观测1 个时段60 分钟。同时做好观测记录和点之记。对观测结果进行基线解算和无约束平差，获得WGS84 坐标成果，若匹配成果精度满足相关要求，则输出坐标转换模型，以便后期RTK 测量使用[12]。根据《全球定位系统（GPS）测量规范》，使用高程拟合的方法获得高程。项目通过静态观测联测13 个GNSS首级控制点进行平差[12]，精度如表1 所示；联测7 个已知点进行经典三维坐标转换，精度如表2 所示。

表1 精度统计

表2 精度统计

为了后期施工方便，需要将加密控制点转换为工程坐标用于后续放样过程。

3.3 管道地形及纵断面测量

管道工程地形测量过程中一般采用多元化测绘模式，测图比例尺为1∶2000 ～1∶500，其技术要求同油气田地形图测绘一致。获取的基础地形数据应用在可行性研究、初步设计到施工图设计等各个阶段，多种测绘产品的应用给管道线路选择和优化、施工图设计及施工招标提供了丰富的基础空间数据。

线路纵断面测量在管道铺设前及铺设过程中采用GNSS-RTK 直接测量原始地形平面坐标及高程信息，并记录此点的埋深、管径等信息。在AutoCAD 中录入采样点，设置相关参数，使用LongitudinalSection 命令快速绘制纵断面图，如图4 所示。

4 结语

图4 管线纵断面图（局部）

随着城市地下空间的发展，地下管线的数量及种类不断增多，合理选择管道测量方法及技术至关重要。本文对管道工程开槽铺设和顶管铺设的数字测绘各项应用关键技术进行总结和探讨，并以西气东输支线某标段配套工程为例，对各项技术进行验证，效果良好，为地下管线的科学配套铺设提供借鉴，促进城市管线工程的稳定发展。