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摘要：惯性陀螺仪在非开挖管道探测时已经得到广泛使用，但传统的惯性陀螺仪均需同时测量入口点和出口点两点坐标，而现实作业中常有无法同时测取入、出口两点坐标的情况发生。本文利用ABM-40惯性陀螺仪配合最新的计算软件即可实现单向约束条件下管道轨迹探测，通过与传统惯性陀螺仪探测方法的对比，分析了单向约束条件下惯性陀螺仪探测的方法及注意事项，评定了探测结果精度，为类似探测工作的实施提供了解决方案和经验数据。
关键词：非开挖管道探测；惯性陀螺仪；双向约束；单向约束；引导点
1.引言
非开挖管道施工技术已经在城市市政工程建设领域得到大量应用，管线探测项目中经常遇到非开挖管道的探测工作。惯性陀螺仪以其探测精度高、受管道深度和长度影响小、受外部环境影响小等优势，已成为管线探测工作重不可替代的一部分。但是传统的惯性陀螺仪探测时需同时测量入口点和出口点两点坐标（即双向约束条件），而现实作业中常有无法同时测取两点坐标的情况发生，例如一端的井口被埋、一段管道中间被堵塞等等。此外，还有一些水平钻孔单向管道，如盾构机推进前，外围土体冻结所用的冷冻管等。想要准确确定上述管道的轨迹，采用传统的惯性陀螺仪探测方式明显无法实现。于是单向约束条件下的惯性陀螺仪探测方式应运而生了。
本文介绍的ABM-40惯性陀螺仪及配套计算软件，经过多个项目的现场测试，确定该设备在单向约束条件下陀螺仪探测精度可靠，可操作性良好。
2.ABM-40惯性陀螺仪单向约束探测
2.1探测原理
ABM-40惯性陀螺仪硬件核心是方向测量单元（OMU），包含精确测量X方向（距离）、Y方向（航向）、Z方向（俯仰）和滚动位置变化的传感器，经过软件处理后形成一段路径的三维数据坐标。然后根据目标坐标系下入口点及出口点的坐标，或者是单向入口点坐标及引导点（或方位角）坐标，从而得到目标坐标系下管道路径的空间三维坐标。
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图1 惯性陀螺仪传感器设置示意图
2.2探测方法
传统惯性陀螺仪测量方法是将陀螺仪放入非开挖套管内，开机后开始数据采集、记录，测量往返各两次贯穿数据。分别为从A到B的正向测量（F）、从B到A的逆向测量（B），然后在A处将仪器掉头采集从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，再结合测得的A点及B点的坐标值，导入数据处理软件，生成管道空间三维坐标成果。
ABM-40惯性陀螺仪同样可以进行上述传统陀螺仪测量，但当进行单向约束测量时则有所不同。首先，将一根新的Φ50PE空管道一端端头封牢，插入拟探测管道内，直到无法继续插入为止。Φ50PE管另一端根据现场条件宜超出待探测管道管口尽量长距离，并沿管道放置路径固定牢靠，用全站仪或GPS精确采集Φ50PE管口及拟探测管道口位置50PE管道的精确坐标；然后，将ABM-40惯性陀螺仪连接通条，以陀螺仪后退的姿态推入Φ50PE管道内，无法推动时，松开通条并回拉30cm左右。然后，在通条上做好标记，此时陀螺仪所在的位置假定为A，Φ50PE管道口的位置假定为B。最后，将陀螺仪以大致1m/s的速度匀速拉出。反复上述推拉工作四次，过程中保持拖拉的起终点均在A、B位置，并且拉动前后保证陀螺仪有足够的静置标定时间，数据处理时仅提取前进姿态的数据，即4次A到B的数据。
2.3数据处理
数据采集完成后，利用数据线和专用电脑将数据导入专业数据处理软件。结合全站仪或GPS精确采集的Φ50PE管口及拟探测管道口位置50PE管道的精确坐标，即可生成拟探测管道的空间三维坐标。
需要注意的是，如果采用传统的双向约束方法，在测量选项时仅能选择“双入口：入口点+出口点”的计算方法，而ABM-40惯性陀螺仪单向约束测量时测量选项应选择“单入口：入口点+引导点”的计算方法。其中入口点坐标即Φ50PE管口坐标，引导点坐标即拟探测管道口位置50PE管道坐标。
此外，传统的双向约束测量方法在数处理时评定数据精度的指标有两个，一个是长度修正比，即实测出入点距离和陀螺仪测试的出入点距离之差，与实测距离的比值，要求不大于±2.5%；另一个为弥散量，即陀螺仪重复测量精度，要求平面重复测量最大差不大于0.25% L，高程重复测量最大差不大于0.10% L（L为当次测试长度）。而ABM-40惯性陀螺仪单向约束测量时数据精度的衡量指标只有弥散量。
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图1 单向约束惯性陀螺仪测量现场照片1 图2 单向约束惯性陀螺仪测量测量现场照片2
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图3 单向约束惯性陀螺仪测量数据传输现场照片 图4 单向约束惯性陀螺仪测量数据处理测量选项界面
3.案例数据对比及分析
3.1案例一：双向约束条件和单向约束条件对比
某管道长约115m，同时具备陀螺仪双向约束和单向约束探测条件。探测时利用双向约束条件、采集了四次数据，数据结果均满足长度修正比和弥散量精度要求；然后利用单向约束条件采集了四次数据，数据结果满足弥散量精度要求。分别用全站仪测量了双向约束所需的出、入口点坐标和单向约束所需的入口点及引导点坐标，单向约束的引导点距离入口点5.6m。
数据处理后发现，双向约束条件和单向约束条件的探测数据差异最大位置均位于出口点，即单向约束探测的最远端，符合理论推测，最大平面差异值为0.37m，高程差异值为0.16m。
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图5 双向约束和单向约束探测路径对比图
3.2案例二：单向约束条件探测与直接触探成果对比
某航道整治项目要沿航道岸线打桩，一路电力非开挖管道横穿该航道，要求准确探明该电力非开挖管道临近岸线区域的路径。经现场初探确定，该路管道在河道中间位置堵塞，不具备陀螺仪双向约束探测条件，且该区域电磁信号干扰明显，也不具备导向仪探测条件。因此，仅能进行陀螺仪单向约束探测，然后配合直接触探法进行验证，其中单向约束引导点距离入口点14.3m。
触探法验证采用钻探的作业方式，在距离管口约80m的位置进行钻孔验证，钻孔深度11.7m时触及管道，然后埋设测斜管，利用高精度测斜仪测试钻杆垂直度，以修正触探点的位置，保证触探验证成果的精度。经验证，该位置验证点平面位置距离陀螺仪探测轨迹0.25m，深度差小于0.10m。
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图6 触探验证现场照片 图7 单向约束探测与触探验证成果对比图
3.3比对结果分析
（1）通过案例一：双向约束条件和单向约束条件下测量成果对比，可以确定单向约束条件下探测成果的整体稳定性和一致性。此外，针对115m的管道，单向约束的引导点距离入口点5.6m的情况下，最远端点和实测点平面差为0.37m，高程差为0.16m。为类似项目采取单向约束探测的精度分析提供了经验数据。
（2）案例二：单向约束条件探测与直接触探成果对比中，可以假定直接触探成果为实际管线位置，根据《城市地下管线探测技术规程》CJJ61-2017等规范规定，隐蔽点平面位置限差和埋深限差分别按0.1h和0.15h（h为隐蔽管线点的埋深，案例中管线点埋深为11.7m）计算。则案例二中验证点管线平面位置限差为±117cm；埋深限差为±176cm。而单向约束条件下陀螺仪探测成果与触探成果平面差为25cm，埋深差为10cm，远小于规范规定限差，满足规范规定。
4.结论
（1）针对无法进行双向约束陀螺仪探测的非开挖管道、水平钻孔单向管道等探测项目，以前是一个无法解决的问题，现在利用惯性陀螺仪单向约束探测法，可以得到较好的解决。
（2）惯性陀螺仪单向约束探测法和传统的双向约束探测法相比，数据整体稳定性较好，管线探测精度主要受拟探测管线长度及引导点距入口点距离的影响，拟探测管线越长、引导点距入口点的距离越近，探测误差越大。
（3）经过直接触探验证，确定惯性陀螺仪单向约束探测成果满足规范要求。
参考文献：
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[2] 中华人民共和国国家标准《工程测量规范》（GB50026-2016）
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