惯性陀螺仪在地下管线测量中的应用
摘要：随着城市化的不断发展，城市建设日益完善，地下管线作为城市日常运营的重要命脉，其建设质量至关重要。地下管线测量为城市建设与管理提供必要的基础资料，应用科学、精确的探查技术十分关键。文章以地下管线测量为脉络，着重就惯性陀螺仪的应用展开探讨。
关键词：地下管线；测量方法；惯性陀螺仪
目前，我国城市地下管线存在管理部门及权属单位多、资料参差不全、数据信息缺失、测量手段落后、数据点稀疏等问题，甚至有些领域还未建立地下管线信息系统。大部分城市由于各种原因，存在地下管线资料老旧不全、精度不高等问题，此种情况下即使建立地下管线信息系统也不能发挥很好的作用，时常发生因没有准确掌握地下管线位置而导致管线事故发生的情况，给城市建设、管理和发展带来严重的困扰。为了减少电缆、燃气、给水管线损坏等事故的发生，我们就得先对地下管线进行准确定位。本次通过对城市地下管线非开挖探测技术现状和所披露问题的分析，采用管线探测仪、惯性陀螺仪等方法，结合实例对非开挖探测技术的实效性、可靠性、精准度进行对比、分析。 一、惯性陀螺仪定位测量 （一）惯性陀螺仪原理
一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的传感器就叫陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到几十万转/min，可以工作很长时间。陀螺仪用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。惯性陀螺定位仪交叉利用了重力场、计算机矢量计算等多学科知识，其核心原理为陀螺仪定向及惯性导航。
在测量定位过程中，牵引器通过钢丝等工具牵引惯性定位仪在管道中运行，依据惯性导航技术和多信息融合技术获得管道的坐标信息；采用GPS等技术获得管道起点和终点的地理坐标；根据起终点地理坐标将惯性定位仪获取的坐标信息转换到地理坐标系中，从而得到管道的三维地理信息。惯性陀螺定位仪正是运用了陀螺仪和惯性定位原理而研制的。陀螺仪和加速度计分别测量定位仪的相对惯性空间的3个转角速度和3个线加速度沿定位仪坐标系的分量，经过坐标变换，把加速度信息转化为沿导航坐标系的加速度，并运算出定位仪的位置、速度、航向和水平姿态。
（二）惯性陀螺仪方法
用GNSS-RTK接收机测量管道两端的轴线中点坐标，用穿管工具将管道起点的绞盘钢缆穿过管道，并在管道另一端将两个绞盘的钢缆分别固定于仪器两端的万向节上，抽出穿管工具。启动测量，将整个仪器放于管道内让其处于自然扩张状态且保持静止（轮不动），等待15s后牵引仪器从起点穿行到终点。在仪器快要到达终点时减慢牵引速度，到达终点后（6个轮子均不出出管道，保持仪器不动15s，然后再将仪器起始端牵引。在仪器快要到达起始端时应减慢牵引速度，当仪器到达起始端后保持仪器不动15s，将测量数据下载到U盘，同时将仪器关机。检查数据完整性并将数据拷贝到电脑进行计算成图。 二、实例应用 （一）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。 （二）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，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。 三、精度分析
根据《城市地下管线探测技术规程》CJJ61-2017 等规范规定，探测隐蔽点平面位置限差和埋深限差分别按公式（1）、（2）分别计算。
以不同时间、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。 四、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]李瑞通.基于陀螺仪技术的管线三维可视化研究[D].太原理工大学，2019 [2]葛文宇，王建业，王春起，杜小虎.陀螺仪惯性定位技术测量埋地管线三维坐标误差分析[C].中国土木工程学会燃气分会.中国燃气运营与安全研讨会（第九届）暨中国土木工程学会燃气分会201+8年学术年会论文集（下）.中国土木工程学会燃气分会：《煤气与热力》杂志社有限公司，2018
惯性陀螺仪在地下管线测量中的应用
