惯性定位仪和导向仪在深层非金属管线探测中的应用分析

杜金桥

(福州市勘测院，福建 福州 350108)

1 引 言

地下管线是城市的生命线，随着城市的发展，地下管线的数量也在急剧增加，地下表层空间的利用越来越密集，导致越来越多的管线都采用拉管、顶管等非开挖施工工艺进行深层埋设，且多采用非金属管材。而传统的管线探测方法如电磁法、地质雷达法等仅针对金属管材、浅层管线可以有效准确探测，而对于这类深层管线则没有明显探测效果。现阶段对于深层管线的探测方法主要包括导向仪探测法、惯性定位仪法、钻孔磁梯度法[1]、钻孔触探法[2]等。这些非常规探测方法有各自的优缺点，但在探测效率及精确定位方面特别是非金属管线探测，导向仪探测法及惯性定位仪的应用要较另外两种方法更加广泛。那么这两种探测方法有什么区别，在日常生产中我们该如何选择它们来保证精度的同时提高工作效率？

2 工作原理

2.1 导向仪探测法工作原理

导向仪(定向钻进定位系统)探测法属于有源电磁法[3]，基本原理是利用传感器螺线管天线发射的电磁场的分布特征[4]。进行管线测量时，将能够发射固定频率电磁场的导向仪探棒利用穿管器等工具穿入需要探测的管道内，通过地面接收机对该探棒的位置进行定位，从而确定目标管线的平面位置及埋深(图1)。

图1 导向仪探测管线原理示意图

2.2 惯性定位仪测量法工作原理

惯性定位仪是以陀螺仪作为技术核心，用来感测与维持方向，基于角动量守恒定律的理论设计出来的[5，6]，通过仪器内部的惯性定位系统(图2)对仪器的行走路径进行模拟定位，结合管口的精确坐标，反算出整个管在空间的三维坐标。

图2 仪器内部的惯性定位系统[7]

惯性定位仪进行测量时(图3)需要在管内从一端前进至另一端，前进过程中方位测量器的传感器被动地测量数据，对每个采样点，软件计算X方向(距离Distance)，Y方向(水平角Heading)，Z方向(俯仰角Pitch)和侧滚位置Roll的变化[8，9]。每个样本点成为一个向量，依次相连，构成行进路径，重建路径和已知出入口点坐标相结合便可获得目标管线的三维坐标信息。

图3 惯性定位仪测量过程[5]

就工作原理而言，两种测量方法在数据采集过程中具有以下特点：

(1)导向仪采用电磁法原理受周边环境的干扰大，可能造成数据无法连贯；惯性定位仪采用全自主的测量模式受周边电磁环境影响较小，可以保证整条管道的连续测量。

(2)导向仪人为参与的项目较多，而惯性定位仪在整个测量过程中均为机器自主采集数据；因此在误差控制方面导向仪测量法比惯性定位仪测量法较差，需要有丰富的导向仪探测经验的技术人员才能减少人为因素这方面的误差。

(3)导向仪测量受地形影响较大，需要保证管道上方探测人员能安全自由通过，才能对管道进行测量；惯性定位仪采用管内机器自主测量，只要管道到达的地方，都能进行测量。

综上所述：在抗干扰、数据误差控制、数据连贯性方面，惯性定位仪测量法占有绝对优势。

3 探测条件

3.1 导向仪探测条件

(1)非金属管线：导向仪采用电磁法原理进行测量，电磁场的形成及传播受周边的环境影响较大特别是金属物体；金属管道及内部还有金属骨架的砼结构管道会对探棒产生的电磁场产生屏蔽作用从而无法对其进行定位定深；因此导向仪仅能用于非金属管线的探测。

(2)待测量管道必须有一端开口，且测量管道内部要保证有探棒进入的空间。

(3)地形等环境因素：导向仪探测需要地面接收信号，因此地形因素可能影响探测的完整性，如跨越河流、建筑物、快速车道等影响探测人员通行的地形；并且地面上的桥梁、房屋、车辆等都会对导向仪的信号产生屏蔽和干扰，影响探测结果。

3.2 惯性定位仪测量条件

(1)管道材质无要求：惯性定位仪采用陀螺仪原理，其测量仅与测量仪器的运行速度和方向有关，且全程自主记录数据无须对外发射信号，因此对于管线的材质没有要求。

(2)惯性定位仪的整个测量过程都是在测量管道内部进行，测量时仪器的测距轮需要全时紧贴管壁，且需要测量管道两端利用牵引绳带动其运行；因此整个测量管道需要两端开口、管径一致、管道内要保持干净无异物阻挡仪器前进。

(3)惯性定位仪是通过管道内部进行测量，因此对地形没有特殊要求。

从测量条件来看，导向仪测量对管线材质的要求比较苛刻，但对于非金属管线探测，导向仪测量比惯性定位仪测量的要求较少；实际工作中对于已经启用的管道采用导向仪测量比惯性定位仪测量更加方便。

4 探测精度

导向仪主要通过对实际的探棒位置进行定位来确定目标管线的平面位置及埋深，在没有干扰的情况下，导向仪的测量数据永远都会是一个固定值，因此在数据有效的情况下它每次测量的数据都是有效数据，其精度主要受环境及人为误差影响；惯性定位仪主要通过自主构建的路径相对于出入口的坐标点及高程来确定目标管线的平面位置及高程，在测量过程中受仪器前进方向和加速度的影响每次测量的路径都会有很大的差异，我们需要多次采集测量数据并保证每条数据的有效性(满足仪器测量标定限差)，通过多条数据的平均来满足管线探测的精度要求，其精度主要受仪器精密程度和出入口坐标采集精度影响。

我们通过两步来对这两种方法进行对比，第一步对试验场的管道进行测量，来确定两种方法的精度及有效性；第二步在实际工程中对未知管道进行测量，对比两种方法的精度。

4.1 试验场管道测量对比

该试验场管道位于福州市勘测院地面停车场，无地下室，周边无其他环境因素干扰；管道采用DN200 PE材质管道，长约 30 m，按照起伏管模式埋设(图4)，覆土前对该管道进行实测采集数据保存。采用导向仪及惯性定位仪分别对该管线进行测量，并将两次测量的数据与实测数据进行对比(图5、图6)。

图4 试验场地管道埋设纵断面图

图5 两种测量方式与实际管道平面位置对比

图6 两种测量方式与实际管道纵断面位置对比

采用两种测量方法获得的数据在平面位置(图5)及埋深、高程测量(图6)方面较实际管道都没有较大的偏差，都有较高的精度。根据规范要求规定管线隐藏点的探测限差指标[10]为：平面0.1h，埋深0.15h(h为地下管线的中心埋深，单位为(mm)，当h<1 000 mm时，以h=1 000 mm代入计算)。将测量数据进行对比，取它们中间的特征数据(平面位置相差较大或者平面位置重合时埋深较大)如表1、表2所示：

导向仪测量数据与实测数据对比 表1

惯性定位仪测量数据与实测数据对比 表2

将这些特征点作为检查点，根据地下管线规范[8]可知：隐藏管线点的平面限差δts和埋深限差δth分别按式(1)、式(2)计算；隐藏管线点的平面中误差Mts和埋深中误差Mth按式(3)、式(4)计算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：hi—各检查点管线中心埋深(mm)，当hi<1 000 mm时，取hi=1 000 mm；n—检查点数；△sti—管线点的平面偏差(mm)；△hti—管线点的埋深偏差(mm)。

通过表1，对导向仪的数据进行计算得到管线水平限差δts=345 mm，埋深限差δth=518 mm，平面中误差Mts=48 mm，埋深中误差Mth=79 mm。

通过表2，对惯性定位仪的数据进行计算得到管线水平限差δts=297 mm，埋深限差δth=445 mm，平面中误差Mts=27 mm，埋深中误差Mth=35 mm。

4.2 未知管道中两种方法测量对比

本次选择的目标管道为一条暂未启用的非开挖电力管道，具有典型的非金属深埋设的特点。该管线横穿马路及绿化带，周边具有一定的电磁干扰，属于一般的地下管线探测环境。本次利用两种方法分别对同一空管进行测量，其测量平面图如图7所示，纵断面图如图8所示：

图7 同一管道两种测量方式的平面对比

图8 同一管道两种测量方式的纵断面对比

结果对比表明：两种方法测量的数据，除了导向仪测量过程中受电磁干扰的部分，其余部分在平面位置及管线高程都相差不大，表明两种方法在正常工作环境下都能对深层非金属管线进行有效测量。但导向仪测量数据受周边环境的干扰因素较大，测量稳定性没有惯性定位仪测量方法好。

5 深层非金属管线测量中两种方法的选择与配合

通过各方面的对比分析，两种测量方法都能满足深层非金属管线的测量，就精度而言，惯性定位仪的精度稍高于导向仪，而且能保证数据的完整性；但惯性定位仪的测量条件要求要稍高于导向仪。导向仪的优势在于操作简单，现场可以快速地定位出管线投影到地面的位置及埋深。因此在日常生产应用中我们可以根据实际情况来选择具体的测量方法。

新敷设的管道尽量采用惯性定位仪测量，保证数据的完整性及连续性。对于已敷设启用的管道我们可以根据现场环境和业主要求选择测量方法，如已经通气的燃气，现场只能对一端进行破口，测量时间有限的情况下选择导向仪进行测量是完全能够满足测量要求的。

根据现场条件结合业主的要求选择正确的测量方法，既能保证测量精度，又能提高工作效率。两种方法在日常测量工程中是相辅相成的，在某些特定管道的测量中两者相互配合，能够更加完美地解决问题，提高工作效率和精度(主要体现在电力等孔数较多的非开挖管线的测量上面)。

例如在进行多孔数非开挖管线测量时，可以先利用导向仪对管线的路径进行区分，再利用惯性定位仪对每道路径上的一到两个孔位进行准确测量来得到该路径的具体数据，避免对该路径的所有管道进行惯性定位测量，从而提高测量效率。

路径区分时应注意：①导向仪定位点应距离管道起终点有一定的距离且周边环境干扰要小；②不同管道的导向仪定位点应分散在各自周边，便于路径区分。

根据惯性定位仪的测量原理，待测管道的管口坐标的采集精度对整个测量数据的准确性有很大的影响。但在已经启用的管道工井中，测量仪器很难直接对管口的三维坐标进行采集，因此只能将管口位置投影到地面上，通过投影点的坐标来推算出管口的坐标，此时可以利用导向仪进行辅助投影定位来提高管口坐标采集准确性。这种辅助投影的方法笔者在实际工程中主要采用两种方式：管口定位法、内顶投影定位法。

(1)管口定位法

将探棒直接放入测量孔内，保证探棒处于水平状态，量取探棒到测量孔管顶的距离，做好记录；通过对探棒的定位定深来确定管口的位置。

该定位法主要用于沿管道方向地表无障碍物，且井室或者铁质井盖无法干扰导向仪信号时采用。

(2)内顶投影定位法

利用铅锤和水平尺等将管口位置投影到工井内顶上方，并做好标记，记录管口到内顶投影位置埋深；将校准好的导向仪探棒中心紧贴该投影点(图9)，在工井上方对探棒的位置进行定位定深，通过探棒的位置、埋深及管口到内顶投影点的埋深确定管口在地面的投影位置及到投影位置的埋深，计算得到较为精确的管口位置。

图9 内顶投影定位法操作示意图

该方法主要用于第一种方法无法对管口进行定位时采用，如顺着管道走向定位时井盖对导向仪信号的干扰；测量孔倾斜度太大，探棒在管内无法保证水平状态；测量孔位置在水面下较深的地方，探棒无法调试成水平状态等。

对于测量条件好的情况下，采用两种方法定点比对，更能提高投影精度。

利用导向仪进行管口投影需注意以下几点：

①导向仪测量前要校准检查；

②探棒放置时需保证水平状态，防止定位偏差；

③投影点探测时，探棒信号发射部分的中心位置应与内顶投影点或者管口待测点位置保持一致。

6 工程案例分析

6.1 已启用管道的测量方法选择

某PE材质市政中压天然气管道跨河段采用非开挖工艺敷设，属于典型的非金属深埋管线。因河道清淤截污工程，需对该管道进行精确定位，避免在施工过程中造成破坏。由于该管道已经启用，需燃气公司配合破管测量。对河道两端的燃气管道破管过程中发现管线的一端开口需要很长时间可能影响到周边居民的供气情况，结合对周边环境的考察及河道水已经排空的情况，决定在破一个口的情况下利用导向仪对该管道进行快速定位。导向仪定位完成后采集定位点的过程中，就可以对管道进行焊接启用，减少断气时间，同时定位点也可以现场做好固定标识，给施工单位提供警示作用。本次测量成果如图10、表3所示：

该测量结果连续性好，短距离跨度定位定深，测量数据已经能够很好地满足施工需求。在外部干扰小的情况下，导向仪的测量精度是可以满足工程需求的，相对于惯性定位仪测量要求的条件较少，测量准备及测量时间要快，可根据现场实际情况具体选择，保证精度的条件下提高效率，减少社会影响。

图10 燃气管道测量成果平面图

燃气管道测量成果表 表3

6.2 多孔数管道两种方法配合测量

某施工地块红线范围内存在一路高低压共用线路，该线路采用非开挖拖拉管的方式埋设，具有轨迹不确定性。为避免施工过程中对该线路造成破坏，需对该电力管道位置进行精确测量。

图11 待测电力管道井内断面情况

该线路共有36孔(图11)，其中24孔已穿电缆，属于典型的已启用多孔数多路径非开挖深埋管线。解决该类管线的探测首先需要区分出各道路径的孔数及断面，再从每道路径中选择测量条件好的孔位进行惯性定位测量。

据现场调查发现该线路两端检查井并非拉管施工的出入点，因此检查井内的断面排列非常整齐，无法通过聚集性区分出路径走向；但通过井内量测对比发现该线路存在两种管径各占18孔，可以初步区分出两道路径，因其中一道已经全部启用，只有通过导向仪结合管线探测仪的方法来具体区分该线路走向。利用导向仪对所用空管进行探测对比，对于有电缆的孔位利用管线探测仪采用夹钳法的方式在干扰源小的地方对每条电缆进行定位对比。具体区分出路径走向后，对于有空管的那道路径选择仪器操作方便且管口变形较小、距离较远的两个空管利用惯性定位仪进行测量；对于另外一道所有管都已经起用的路径，无法利用惯性定位仪进行测量，但有两个管内敷设的是电力通信线路，线缆较细未占用整个管道，可以利用导向仪采用检查井两端推送探棒进行探测。测量成果平面图如图12所示。

该工程属于两种探测方法的结合应用，惯性定位仪测量提供精确的测量数据，导向仪测量辅助提高测量效率，同时也可以对测量条件苛刻的管道进行准确测量。对于断面尺寸较大的多孔数拉管或者大部分孔位已经启用的非开挖管线可以利用两种方法结合来提高效率和精度。

图12 电力管线走向平面图

7 结 语

(1)在测量条件好的情况下，导向仪测量法和惯性定位仪测量法对于深层非金属管线的测量都具有较高的精度；但从测量原理来看，导向仪容易受周边环境干扰，且测量工程中人为参与较多，造成的误差会比惯性定位仪测量法大，因此惯性定位仪的测量精度比导向仪精度要高。

(2)由于导向仪采用电磁法原理，对于超深层管线的探测效果还是不如惯性定位仪测量法，且对管线的材质要求较严格。惯性定位仪对材质和深度没有要求，只要满足测量条件就可以进行测量。

(3)惯性定位仪测量法不受地形限制，但测量条件要求相对于导向仪要求的条件多，因此对于已经起用的管线，我们可以根据现场实际情况和业主要求选择测量方法，在测量条件允许的情况下尽可能采用惯性定位仪测量法。

(4)在实际测量中导向仪和惯性定位仪相互配合使用，可以提高整个测量工程中的效率和精度。

(5)两种方法能有效地解决深层管线探测难题，但还存在很大的局限性，如探测条件要求较多等。只有通过各方努力来解决，主动联系各管线业主单位，在管线新敷设阶段测量条件最好的情况下进行测量留档，保证数据的完整性、有效性。