导向仪系统在城市非开挖非金属管道探测中的应用

刘传逢，张云霞，杨晓东，吴嵩

(武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)



导向仪系统在城市非开挖非金属管道探测中的应用

刘传逢*，张云霞，杨晓东，吴嵩

(武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)

城市地下管线是城市的重要基础设施，采用非开挖技术敷设的非金属管道给地下管线探测工作提出新的挑战。为应对城市建设中对地下管线高精度探测技术要求，笔者针对一端或两端出露并有开口的非金属管道，采用管道穿线器导引和CCTV管道检测机器人携带导向仪系统传感器进入非金属管道中进行探测实验，取得了较好的应用效果。关键词：地下管线；非开挖；非金属管道；导向仪

1 引 言

城市地下管线是城市的重要基础设施，是城市运行的生命线。科学技术的发展促使城市地下管线的材质、施工方式不断发生变化，金属材料被稳定可靠、耐老化、耐腐蚀的聚乙烯PE，聚氯乙烯PVC等非金属材料替代；城市建设中的交通繁忙、建筑物密集、地下管线复杂地区，明挖施工方式被非开挖技术替代[1]，而这些变化给地下管线探测工作提出了新的挑战[2]。

目前传统的地下管线探测方法主要是频率域电磁法和探地雷达法。频率域电磁法仅能探测管线材质为金属管线或电缆，对于埋深较浅的未穿线非金属管线可以采用示踪探头法，探测深度在 5 m范围内精度较高[3]。非金属管线的探测主要采用探地雷达法，但该方法探测效果往往受到探测场地、地质条件和地下水位高度的影响，效率相对低下。目前采用非开挖技术施工的大埋深地下管线，多为非金属材质，且埋深几乎都在 5 m～20 m范围，传统的地下管线探测方法已不再适用。

水平定向钻进技术是非开挖技术领域主导地位并且发展最快的高新技术，它是利用水平定向钻机以可控钻孔轨迹的方式，在不同地层和深度钻进并通过跟踪与导向仪导向抵达设计位置而铺设地下管线的施工新方法。非开挖导向仪系统是一个用以辅助使用者判断并跟踪非开挖水平定向钻机地下钻头的位置和方向的导向仪器。由于导向仪系统的最大探测深度可达 28 m，具有抗干扰强，信号稳定，精度高的特点，可以解决非开挖技术施工大埋深非金属地下管线探测的难题。为了满足非金属管道高精度探测详查的要求，武汉市测绘研究院针对一端或两端出露并有开口的非金属管道，采用管道穿线器导引和CCTV管道检测机器人携带导向仪系统传感器进入非金属管道中，通过采用接收器探测传感器位置、埋深，从而确定非金属管道的位置和埋深的方法进行探测实验，取得了较好的效果，可以满足探测的精度要求。

2 探测设备及方法

导向仪系统定位测深技术的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，位于地面的接收器采用一个或多个天线对电磁场进行接收，判断计算出关于发射螺线管天线的位置和深度信息。图1所示为美国DCI(Digital Control Inc.)公司最新的DigiTrak F5地下定位系统，由接收器、传感器、远程显示器、电池充电器系统、可充电电池组构成。

图1 DigiTrak F5定位系统

刘国安等[4]引进导向仪系统探测非开挖的大埋深电力顶管，实践结果显示该探测方法效果明显。李超等[5]在顶管探查中使用了全新的DigiTrak Eclipse定位系统，解决了管线探测中无法准确探测顶管的难题，大大提高了管线探测精度。邱剑等[6]对该项探测技术申请了发明专利“一种运用导向仪进行深层地下管线探测的方法”，并详细介绍了该种探测方法的操作流程：①在地面上对导向仪的接收器和传感器进行测深校准；②将导向仪的传感器固定在管道穿管器上，使传感器处于工作状态，然后利用管道穿管器从管线出露处将传感器送入管口内；③用导向仪的接收器确定传感器的初始位置以及测量出初始的埋深，量测管口的实际位置和埋深，并计算出导向仪所测的初始位置及量测的实际位置之间的差值V1，导向仪所测的埋深与量测的实际埋深之间的差值V2，即为修正值V1、V2。④将传感器按照预定的距离依次往前推送，接收器跟踪传感器的移动轨迹，并在地面上根据前定位点、后定位点和定位线测出传感器所处的位置及对应埋深；⑤根据所穿管的修正值V1、V2，修正其管的中心位置和埋深。

该探测方法具有如下特征[4]：①该方法仅适用于非金属管线探测，金属管线易屏蔽传感器发射的一次磁场；②需要根据不同埋深、不同管径管线选择不同类型传感器；③根据管道周围干扰复杂程度，可以采用单频或双频压制干扰，提高探测精度；④确保探测管线具备传感器穿越空间；⑤如管孔内存在淤积现象，需要采用高压水枪或空气压缩机方式清理管孔，确保管道畅通。

3 工程实例

3.1 武汉市某路口探测非开挖敷设电力空管

武汉市某路口拟采用暗挖方法新建一条地下通道，而在设计通道北侧有一条非开挖敷设电力管道，管道并未穿线，需要对该条电力空管进行准确定位及定深，以确定最终设计方案。由于常规的频率域电磁法无法探测空管，现场不具备良好的接地条件无法采用主动源示踪线法，被动源示踪探头法由于采用和管线仪类似的定位定深方法，深度大于 5 m时误差较大，无法满足探测精度要求。本次采用管道穿线器导引导向仪系统传感器模拟非开挖管道施工过程，进而确定已埋设电力空管的平面位置和埋深。

图2 导向仪系统探测电力顶管纵剖面分析图 探测点地面高程、管线埋深和管线高程 表1

探测方法采用与“一种运用导向仪进行深层地下管线探测的方法”相同的操作流程，利用DigiTrak F5定位系统接收器沿管道接收传感器信号，每 4 m记录1次定深及定位数据。图2为导向仪系统探测电力顶管纵剖面分析图，表1列举了各探测点的地面高程，埋深及管线高程。 图2可见该电力顶管在垂向上呈圆弧形状，连续性较好，最大埋深达到 8 m，对该电力顶管的探测效果较好。

3.2 武汉市某别墅区探测预埋雨水管道

测区为一别墅区高尔夫球场，预埋有一条管径 400 mm PVC材质的雨水管道，测区内3个雨水检修井被掩埋，该雨水管道敷设时未留下标明管道位置及埋深的相关竣工资料。由于测区内禁止开挖，传统开井调查排水管道的测量方法无法进行。采用管道潜望镜对该管道进行初勘时发现，该管道水流较小，淤泥也较少，具备采用CCTV管道检测机器人进行检测的条件，设计采用CCTV管道检测机器人携带导向仪系统传感器进入雨水管道内进行探测的方案。

本次采用设备为DigiTrak F5地下定位系统(图1)和TVS-2000管道内窥摄像监测系统(图3)，利用管道机器人将传感器带入雨水管道内，利用DigiTrak F5地下定位系统对传感器定位及定深。由于导向仪系统定位定深采用的是电磁感应原理，现场试验结果显示带电工作的CCTV管道检测机器人对导向仪系统干扰较大，影响测量精度，故将传感器固定于距离管道检测机器人尾部 2.3 m处线缆上，再次试验结果显示不受干扰。

携带导向仪系统传感器的CCTV管道检测机器人进入雨水管道后将初始“管道长度”置零，然后控制机器人匀速前进，线缆盘对管道检测机器人“管道长度”进行精确标定。为进一步增加探测精度，管道检测机器人行进过程中在适当距离增加探测点，分别在 “管道长度”为 12.3 m，19.7 m， 32.3 m， 42.15 m处对传感器定位及定深，编号分别为探点1，2，3，4；同时在地面上采用WHCORS系统RTK作业方法采集这些定位点，雨水管道图如图4所示。其中，在管道检测机器人“管道长度” 17.39 m处可见一检修井井盖，如图5所示；“管道长度” 41.98 m处管道内可见一明显障碍物，管道检测机器人无法继续行进，如图6所示。虽然本次实例未能探测出剩余的两处检修井位置及埋深，但实践结果表明，采用CCTV管道检测机器人和导向仪系统相结合的方法，可以实现对非金属排水管道的探测，而且探测的精度非常高。

图3 TVS-2000管道内窥摄像监测系统

图4 雨水管道图

图5 CCTV管道检测机器人“管道长度”17.39 m处影像图

图6 CCTV管道检测机器人“管道长度”41.98 m处影像图

4 结 语

城市建设中广泛采用非开挖技术施工地下管道给管线探测人员提出新的挑战，我院通过采用管道穿线器导引和CCTV管道检测机器人携带导向仪系统传感器进入非金属管道中进行探测实验，取得较好的应用效果。

目前，对于正在使用中的非金属燃气、给水和高压污水管道，不具备应用此方法的条件，主要采取探地雷达法或其他物探方法进行精确定位[2，7]。城市建设管理部门除应加强施工监管和资料备案，可应用该方法对非开挖技术施工管道进行竣工验收。

[1] 王鹏，张伟. 中国非开挖地下管线施工—市场潜力、技术现状和发展趋势[J]. 地质与勘探，1998，34(2)： 63～66.

[2] 杨振涛. 非开挖管线探测方法及其适用性分析[J]. 上海国土资源，2011(2)： 67～70+78.

[3] 张汉春，莫国军. 特深地下管线的电磁场特征分析及探测研究[J]. 地球物理学进展，2006，21(4)： 1314～1322.

[4] 刘国安，刘继芳. 导向仪在地下非金属管线探测中的应用[C]. 中国城市规划协会地下管线专业委员会2011年年会，2011.

[5] 李超，周吕，文鸿雁等. 宁波市地下管线探测中应用技术的探讨[J]. 地理空间信息，2013，11(2)： 152～154+113.

[6] 邱剑，钟洪德，廖富天等. 一种运用导向仪进行深层地下管线探测的方法[Z]. 2014.

[7] 王勇，王永. 综合物探方法在非开挖工艺敷设地下管线探测中的应用[J]. 测绘通报，2011(4)： 58～61.

The Application of Guidance Instrument System In Detection of Urban Non-metallic Pipeline by the Trenchless Technology

Liu Chuanfeng，Zhang Yunxia，Yang Xiaodong，Wu Song

(Wuhan Geomatic Institute，Wuhan 430022，China)

Urban underground pipeline is an important urban infrastructure，the use of trenchless technology for laying underground non-metallic pipeline brings new challenges for detection. In response to the high accuracy requirements in underground pipeline detection，in one side or both sides exposed and with opening non-metallic pipeline，we use pipeline threader guide or CCTV pipeline inspection robot carrying guide instrument system sensor into the non-metallic pipeline for detection experiments，and achieve good application effects.

underground pipeline；trenchless；non-metallic pipeline；guide instrument

1672-8262(2016)05-163-04

P631

B

2016—05—30

刘传逢(1976—)，男，正职高级工程师，现主要从事地下管线探测及交通市政工程测量等技术工作。