（机械电子工程专业论文）非开挖地下信息管道三维测绘系统前期研究.pdf

上海大学烦研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 摘要 本课题是非开挖地下信息管线的三维测绘系统关键技术研究项目的前期研 究。主要研究设计一种新型的利用光纤光栅传感器进行管线弯曲变形检测的系 统。将两根布拉格光纤光栅成9 0 。粘贴在一种细径弹性基材上，形成直径5 m 的弯曲变形测量传感器，然后将传感器封装在特殊的定心机构里面，驱动装置驱 动定心机构，带动传感器沿被检测管线间歇式前进，在前进过程中。用光纤光栅 解调仪在等间隔点上采样传感器的波长读数，经计算得到相应各点的应变和空间 曲率信息。然后运用基于等距离离散点曲率信息的空间曲线重建方法重建出管道 的空间位置形状。 围绕这一主题，课题主要进行了以下研究工作：第一章主要对课题的研究背 景以及国内外研究现状做了介绍，对整个课题的研究概况和已有的研究基础作了 介绍，并对本课题研究目标和研究内容作了概述。第二章介绍了水平导向非开挖 施工技术铺设管道的情况，并对实际施工中测量的管道曲线数据进行了分析。第 三章是系统总体方案设计，提出了两种可行方案：光纤光栅传感方案和准直仪方 案，分析比较后选用光纤光栅传感方案，然后对这一方案中的关键技术进行了分 析。第四章对光纤光栅的各种制作方法和利用光纤光栅制作本系统的传感头的工 艺进行了介绍。第五章介绍了传感器定心机构的设计并进行了功能分析。第六章 介绍了基于曲率的空间曲线重建的原理和方法。第七章对基于曲率的空间曲线重 建算法和传感装置进行了实验验证。最后一章是对全文的总结，根据所取得的主 要进展，提出了对今后研究工作的设想。 关键词：管线探测非开挖技术光纤光栅传感器曲线重建 卜海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i s0 fs h a n g h a lu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h i sr e s e a r c hi st h ep r e r e s e a r c ho f r e s e a r c ho fk e yt e c h n o l o g i e so n3 ds h a p e d e t e c t i o ns y s t e mo fu n d e r g r o u n di n f o r m a t i o np i p e l i n e s ”t h em a i no b j e c t i v eo ft h i s r e s e a r c hi st od e s i g nan e w s y s t e mt od e t e c tt h ec u r v i n gi n f o r m a t i o no ft h e s ep i p e l i n e s a tf i r s t ，t w of i b e rb r a g gg r a t i n g s ( f b g s ) a r em o u n t e do nas l i mc y l i n d r i c a ls u b s t r a t e i n9 0d e g r e e st om a k eas t r a i nd e t e c t i n gs e n s o rw i t had i a m e t e ro f5 r a m t h e nt h e s e n s o ri sp l a c e di nan o v e ld e s i g nc e n t e r i n gc l a m p i n gd e v i c et od e a lw i t ht h ec e n t e r i n g a n dl o n g i t u d i n a lf o r c eu n l o a dp r o b l e m w h i l et h ec e n t e r i n gc l a m p i n gd e v i c ed r i v e st h e s e n s o rt om o v ea l o n gt h ep i p e l i n es t e pb ys t e p ，t h ed a t ao fb r a g gw a v e l e n g t ho ft h e s e n s o ri s p i c k e du p b yd e m o d u l a t o re v e r ye q u i d i s t a n c ep o i n t s s p a c ec u r v a t u r e i n f o r m a t i o no fe a c hp o i n tc a l lb ec a l c u l a t e df r o mt h i sd a t a a tl a s t t h el o c a t i o na n d3 d s h a p eo ft h ep i p e l i n ei sr e c o n s t r u c t e db yt h eu s eo ft h es p a c ec u r v ef i t t i n gm e t h o d ， w h i c hi sb a s e do nc u r v a t u r ei n f o r m a t i o no f d i s c r e t ep o i n t s i na c c o r d a n c ew i t ht h i st o p i c ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hc o n d i t i o na r e i n t r o d u c e df i r s t l y , t h er e s e a r c ha i ma n dr e s e a r c hc o n t e n ta r es u m m a r i z e da f t e r w a r d si n c h a p t e r1 。c h a p t e r 2i n t r o d u c e st h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o n a ld r i l l i n g p i p e l i n e s c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , a n dan e wc o n s t r u c t e dp i p e l i n e sc u r v ei sa n a l y z e d c h a p t e r3 i st h es y s t e md e s i g n t w ok i n d so fm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d ：f b gs t r a i ns e n s o ra n d c o l l i m a t o r a f t e ra n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h et w ok i n d so fm e t h o d s ，t h ef b gs t r a i n s e n s o rm e t h o di sc o n f i r m e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fr e s e a r c h ，t h e nk e y e l e m e n t so ft h i sm e t h o da r ea n a l y z e d i nc h a p t e r4t h ef a c t u r eo ff b ga n dh o wt o d e s i g nt h ef b g s e n s o ro f t h es y s t e ma r ei n t r o d u c e d 1 1 1 ed e s i g no f c e n t e r i n gc l a m p i n g d e v i c ei si n t r o d u c e di np a r t i c u l a ri nc h a p t e r5 c h a p t e r6p r e s e n t st h ec u r v ef i r i n g m e t h o db a s e do nt h ec u r v a t u r ed a t ao fd i s c r e t ep o i n t s c h a p t e r7i se x p e r i m e n t s ，t h er e s u l t o f c u r v ef i t t i n gm e t h o da n d3 ds h a p er e c o n s t r u c t i o no f p i p e l i n e si sm e a s u r e di nt h ee x p e r i m e n t s f i n a l l y , t h el a s tc h a p t e rs u m m a r i z e st h ew h o l er e s e a r c hw o r ka n dp r e s e n ts u g g e s t i o nf o r t h ef i l n 】r ew o r k k e y w o r d s ：p i p e l i n e sd e t e c t i o n t r e n e h l e s st e c h n o l o g y f b gs e n s o r c u r v er e c o n s t r u c t i o n 1 i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致i 身十的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：目期 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的金部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名；日期： 上海大学硕十研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so f s h a n g h a lu n i v e r s i t y 1 1 问题的提出 第一章绪论 非开挖技术是8 0 年代后期国外发展起来的一项管道施工新技术，近年来，随 着我国经济建设的快速发展，现代非开挖技术在我国的管道施工中得到日益广泛 的应用，如随着城市化进程的加快，城市人口的增加，将使市政基础设施的增容 改造工程量大幅度增加，这为非开挖技术的推广应用提供了一次很好的发展契 机。此外，我国许多旧城区有庞大的地下管线系统，且使用多年，因而污水管塌 陷、自来水管泄漏、煤气管漏气等现象时有发生，每年有大量的地下管线需要修 复和更新。如此大规模的管线工程量将为非开挖施工技术提供了巨大的市场。 “非开挖地下信息管线的三维测绘系统关键技术”项目受国家自然科学基金 ( 编号5 0 4 7 5 1 8 2 ) 、上海市重大科技攻关项目子项( 编号：0 4 d z l 2 0 1 1 ) 支持。是 根据工程实际需要而提出得。该课题通过相关技术的研究，实现非开挖地下信息 管道三维形状的检测、显示和管道施工竣工图的绘制。从学术上解决了以离散曲 率重建空间曲线的理论和方法；从技术上解决了植入式应变传感器对管道轨迹的 检测和再现的难题；从实验方法上验证植入式应变传感器技术实现非开挖地下管 道竣工位置探测的方法；从系统集成上提供了非开挖地下信息管道位置检测的新 型设备。本研究取得的成果可望应用于非开挖地下信息管道位置的现场检测，为 具有自主知识产权的地下信息管线测试手段准备理论方法和技术基础。 非开挖技术t t ( t r e n c h l e s st e c h n o l o g y ) ，即非开挖铺设地下管线施工技术， 意指在不开挖地表的情况下，对各种管线进行铺设、更换和维护，可广泛应用于 石油、天然气、给排水、煤气、热力、自来水、电讯、有线电视等诸多领域的地 下管线施工，并在提升环保、交通、市政施工等领域的技术进步，以及改善城市 居民生活质量等方面体现出了很大的技术优势。如传统的开挖施工技术对正常生 产和生活秩序有很大的损害和干扰，集中表现在对交通、环境、周边建筑基础的 破坏，以及与附近居民摩擦和不良影响的产生，而非开挖施工技术不会阻断交通， 也不会破坏绿地、植被等居民生活工作的周边环境；非开挖施工还减少了开挖和 回填的施工作业，减少了施工和运输机械的使用，从而减少了污染物的排放。另 外在环境治理过程中，施工管道常常要穿越河流、湖泊、重要交通干线、重要建 筑物的地下管线等，而这种场合传统施工方法往往无法施工或是不允许开挖，此 时采用非开挖技术就可从其下方穿越铺设，并可将管线设计在工程量最小的最佳 地点穿过。可见，非开挖施工的实际意义，不仅体现在施工时对环境破坏程度较 上海大学硕= i ：研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 小的环保意识，而且通过减少工程量和降低施工成本，极大地促进了生产效率的 提高，尤其在不允许中断交通的繁华闹市区、交通要道、或者穿越铁路和高速公 路等进行管线施工，此时非开挖施工更能体现出它的特有优点“1 。 近年来，随着我国经济建设的快速发展，现代非开挖技术在我国的信息管道 施工中得到日益广泛的应用，并有着迫切的应用需求和巨大的市场潜力。如现代 化和城市化的快速发展，使我国每年投入大量资金进行城市信息管道设施建设， 这为非开挖技术的推广应用提供了一次很好的发展契机“”。据上海某信息管线 公司的数据，在过去的两年多时间里，该公司已进行管线铺设近9 0 0 公里，其中 很大部分是采用非开挖技术手段完成的，未来几年尚有数千公里的信息管线有待 铺设。 由于城市地下情况非常复杂，不仅有卵砾石和建筑结构等障碍物，而且有未 经标明的现存地下管线，无疑会给非开挖施工带来很大困难和风险。因此施工前 必须充分做好准备工作，弄清地下土层的变化和已有管线的分布情况，精心设计 钻孔轨迹，并制订合理的工艺和技术措施，以便安全顺利钻进。同时施工过程中 必须加强现场监测和现场质量控制，施工前对地下情况进行初步探测；施工中对 钻孔轨迹的监控嘲；施工后，对管线位置进行复查；施工质量要得到监理( 监督) 部门验收合格后，全部现场施工工作才告完成，并且应根据实测管线精确位置绘 制施工图，完成竣工资料的编写。竣工图是日后管线维护检修的依据，也为以后 的地下工程施工提供可靠的资料”。 当前非开挖施工的困难问题，突出表现在施工前和旌工中对地下管线精确走 向数据掌握得不够准确，施工后对已成钻迹的位置和走向数据无精确检测手段， 进而又影响到下一个管道安全准确施工的进行，从而陷入恶性循环，尤其以此不 准确的测量数据归档，为今后管线修复更换和新管线的铺设留下了极大的不良隐 患。 1 2 国内外非开挖技术与装备的研究现状 现代非开挖施工技术与装备是上世纪8 0 年代在发达国家兴起并形成的新产 业。1 9 8 6 年成立了国际性的行业协会一国际非开挖技术协会，旨在推动该技术的 发展，促进同行间的交流，扩大该技术的使用范围。该技术是对传统地下管线开 挖、铺设、更换和维修的一次革命。自正式进入工程施工市场至今，在短短2 0 余年的时间内，以其独到的技术优势以及对环境、城镇交通的最小影响和危害， 以其效率和成本等优势，日益受到欧美发达国家的重视和提倡，取得了很好的社 会和经济效益。1 9 9 4 年美国政府实施了7 年期的“先进的钻探和掘进技术国家计 划”( n a e d t ) 。将此技术列入城市基础设施和建筑业发展规划中，以增强美匡l 在 2 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 此领域内的技术领先和市场竞争优势。此外，如英国曼彻斯特工业大学、美国路 易斯安娜理工大学、德国波鸿大学等高等院校均及时适应产业结构调整的雪要， 相继设立了非开挖技术专业和相应的研究机构，以培养该领域的专业技术人才。 对地下管线工程来说，非开挖技术可以分为以下几个方面： 1 2 1 非开挖施工技术和设备 非开挖铺设地下管线的施工方法有1 0 多种，目前主要的有以下6 种”1 ： 1 顶管法 顶管法是最早使用的施工方法，始于1 8 9 6 年的美国北太平洋铁路铺设工程。 我国顶管施工最早始十1 9 5 3 年的北京，采用人工手掘式顶管，设备简单。时至 今日，人工手掘式顶管已被机械掘进顶管代替。该系统由工具管( 掘进机) 、顶 进系统、吊装设备、出泥设备、泥浆润滑系统等组成。从顶管平衡理论来分，机 械掘进顶管法可以分为泥水平衡式顶管、土压平衡式顶管和气压平衡式顶管三大 类，下面以泥水平衡式顶管为例说明。 图l l 泥水平衡式顶管工艺示意图“1 泥水平衡式顶管的工作原理是靠顶管机前端的刀盘切割泥土和岩石，为使挖 掘面保持稳定，在泥水舱中充满一定压力的泥水，在挖掘面上形成一层不透水的 泥膜，阻止泥水向挖掘面渗透。同时，依靠泥水本身的压力平衡地下水压力和土 压力，并采用水力输送刀盘切割下来的弃土。在后部液压千斤顶推动顶管机前进， j ：海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs 姒n g h a iu n e r s l t y 依据激光导航系统的方向指示，不断地调整顶管机的方向，完成挖掘。 顶管法的优点是使用范围广，可有效保持挖掘面的稳定，对周围土体的扰动 小，地面沉降比较小。缺点是在掘进过程中，要根据挖掘面的压力变化情况，采 取相应的措施和对策，才能保持挖掘面的稳定。顶管施工可适用于排水、引水、 给水、热力、电缆管道的铺设。随着现代城市的发展，交通繁忙，建筑物密集， 地下管线众多，促使我们对管道施工提出新的要求，顶管施工特别是平衡式顶管 施工日益受到重视。其发展方向是长距离、高精度顶进。一般一次标准顶距为 1 0 0 2 0 0 米，采用中继环接力后则可达几千米。 目前，主要的顶管机生产厂商有日本的伊势机、奥村，德国的海瑞克等。 2 微型隧道 微型隧道施工法的发源地是同本，1 9 7 5 年，日本k o m a t s u 公司推出世界第 一台微型隧道铺管设备。该系统由钻掘系统、激光导向系统、出渣系统、顶管系 统、管道润滑系统、操作系统等组成。微型隧道旌工法是在机械掘进顶管法的基 础上研制开发的，本应属于顶管法之一，但由于它是一种由施工人员在地面操作 的全遥控导向的小口径管道专用非开挖技术，因此将其单独归为一类。 微型隧道旌工法的工作原理是依靠安装在管道头部的的钻掘系统不断切削 土屑，边顶进、边切削、边输送，将管道逐段向前铺设，在顶进过程中通过激光 导向系统和操作系统纠偏来调节铺管方向。图1 - 2 是n t t 公司“a c e m o l e ”微型隧 道机器人系统示意图。 图1 2n t t 公司的微型隧道掘进系统示意图“” 3 定向，导向钻进 定向钻进和导向钻进是从石油钻进技术中引进和开发的，两者之间并没有十 分严格的界限。由于小型定向钻进采用的钻机轨迹测量、控制技术与大中型的不 一样，因此国际分类的方法是将小型定向钻进称为“导向钻进”，大中型定向钻 进称为“定向钻进”。 定向导向钻进的工作原理是利用导向钻头的特殊结构和性能，在导向测控 仪的帮助下，使导向钻头按设计的钻进轨迹施工，完成导向孔施工。在导向孔完 成后，再在钻杆柱端部接大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的代铺设管道， 在钻机将钻杆回拉的同时将先前施工的导向孔扩大，同时将管道拉入，完成管道 的铺设。其施工示意图如图1 3 所示。 定向，导向钻进的优点：对地表的干扰较小，施工速度快，可控制铺管方向， 施工精度高。定向钻进的缺点：对施工场地的要求高，在非粘性土层的施工比较 4 海大学硕 1 研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n l v e r s i t y 困难，一般随时用于不含有大卵石的各种地层，包括含水地层。导向钻进的缺点 是不适用于砂层和砾石层，由于受到探测器的探测深度的限制，导向钻进的深度 有限。 图1 3 穿越公路非开挖铺设地下管线示意图“1 4 水平螺旋钻进法 水平螺旋钻进法在美国使用最广，该系统主要有水平螺旋机、螺旋钻杆、螺 旋钻头、方向控制系统和泥浆润滑系统组成。 水平螺旋钻进法的工作原理是在管道头部安装螺旋钻头，后部安装与螺旋钻 头相连接的螺旋钻杆，动力在螺旋钻机的尾部。随着螺旋钻机的转动，螺旋钻杆 向切削钻头传递钻压和扭矩来切削土层并将土屑排到工作坑。待铺设的管道在螺 旋钻杆之外，由项进油缸向前顶进管道，边顶进、边切削、边输送，将管道逐段 向前铺设。 水平螺旋钻进法的优点是在钻进施工过程中，若地层发生变化或钻头磨损， 可随时通过退出螺旋钻杆更换钻头。若遇到障碍物，亦可用人工排除。缺点是虽 然具有一定的方向控制能力，但不可控制铺管方向，施工精度有限；同时在含大 卵石的地层或极软土层中施工极为困难。 5 夯管施工法 夯管施工法是用夯管锤将待铺的钢管沿设计线路直接夯入地层实现非开挖 铺管的技术。该系统的配套机具有空压机、夯管锤、带抓压盘、锥形接头、排士 锥、张紧带及切削管头。 夯管施工法的工作原理是夯管锤在压缩空气驱动下产生的较大冲击力直接 作用在钢管后端克服土层与管体间的摩擦阻力，通过前端钢质切削管头切如土 体，被切削的土芯暂时留在钢管内，待夯管成功后，取下切削管头，用压气、高 压水射流或螺旋钻杆等方法将土芯排出。 夯管施工法的优点是对地层的适应性较强，除有大量岩体和较大石块外，几 乎可以在任何土层中都可使用该法。可在覆盖土层较浅的情况下施工，铺管直径 范围大，设备简单，投资少，操作、维修方便，施工成本低，施工精度高，水平 上海火学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so f s h a n g h a iu n i v e r s i t y 和高程偏差可控制在2 范围内。由于管材要承受相当大的冲击力，因此夯管施 工法仅限于钢管施工，一般使用无缝钢管，且壁厚要满足一定要求。 6 冲击矛铺管技术 冲击矛铺管技术是由波兰人发明并取得专利，冲击矛铺管技术常用设备有冲 击矛、发射架、瞄准仪、空压机、高压胶管、注油器等。其中冲击矛由冲击头、 壳体、活塞、控制阀、尾部、拉管接头等组成。 冲击矛铺管的工作原理是利用冲击矛内活塞的后端在0 6 0 7 m p a 的压缩空 气作用下，迅速向前打击冲击矛的头部，此时，在控制阀切换中，活塞将产生气 压差动而向后运动。当活塞恢复至原位时，控制阀又切换，活塞又向前打击冲击 矛的头部。活塞往复冲击，频率为2 0 0 5 7 0 次，使矛头获得很大的冲击力来克服 与土层之间的摩擦力，将土挤压至周围。冲击矛在自动向前推进过程中形成先导 孔，在先导孔完成后再将管道拉入。管道拉入的方法有：冲击矛直接拉入、冲击 矛方向拉入和扩孔后拉入。 冲击矛铺管技术适用于可压缩的土层，如淤泥、淤泥质粘土、软粘土、亚粘 土、粉质粉土、非密实的砂土等地层。冲击矛铺管技术的优点是操作简单，无需 较高的专业技术，施工成本低。缺点是当地层条件发生变化或遇到障碍物时，管 线容易偏离设计方向，施工精度较低。 1 2 2 非开挖探测技术 当前国内外采用的地下管线检测方法主要包括以下几种“”： 1 管线定位器 管线定位器采用电磁原理对管线进行定位。探测金属管线时有两种方法：a ) 直接充电法：是将人工电流通过出露点接在管线上，用接收机直接接收一次场信 号，来达到探测地下管线的目的；b ) 感应法：发射机发出的电磁信号遇到地下金 属管线后，产生感应电流和感应电磁场，即二次场，在地面上通过接收机探n - 次 电磁场异常后，便可确定地下管线的位置和埋深“”。而探测非金属物体，如塑料 管、水泥管、陶瓷管等，由于它们不能传导电流，要对其定位，可以采用一种示 踪的方法，就是把发射探头送入非金属管线中，发射电磁信号，由接收器追踪探 头发出的电磁信号，从而通过检测探头的位置来确定非金属管线的位置0 1 。 使用较高的发射和接收频率能提高管线定位器的接收效果，可是发射频率太 高会产生更多的辐射，造成信号“溢出”。另外由于城市地下管线众多，信号常 常耦合到附近的管线上去，使定位发生误差。同时旌工地区往往存在着种种干扰， 如电力和电话电缆、交通信号回路、其它能发出电磁信号或产生电磁场的干扰源， 以及金属管道、钢板护栏、钢筋混凝土、盐水等，都会使来自发射器的信号失真， 6 上海太学硕士研究生学位论文 t h e p o s t g r a d u a t e t h e s 皓o r s h a n g h a iu n i v e r s i t y 和高程偏差日 控制在2 范围内。由于管材要承受相当大的冲击力，因此夯管施 工法仅限于钢管施工，一般使用无缝钢管，且壁厚要满足一定要求。 6 冲击矛铺管技术 冲击矛铺管技术是由波兰人发明并取得专利，冲击矛铺管技术常用设备有冲 击矛、发射架、瞄准仪、空压机、高压胶管、注油器等。其中冲击矛由冲击头、 壳体、活塞、控制阀、尾部、拉管接头等组成。 冲击矛铺管的工作原理是利用冲击矛内活塞的后端在o 6 0 7 m p a 的压缩空 气作用下，迅速向前打击冲击矛的头部，此时，在控制阀切换中，活塞将产生气 压差动而向后运动。当活塞恢复至原位时，控制阀又切换，活塞又向前打击冲击 矛的头部。活塞拄复冲击，频率为2 0 0 5 7 0 次，使矛头获得很大的冲击力来克服 与土层之阳j 的摩擦力，将土挤压至周围。冲击矛在自动向前推进过程中形成先导 孔，在先导孔完成后再将管道拉入。管道拉入的方法有：冲击矛直接拉入、冲击 矛方向拉入和扩孔后拉入。 冲击矛铺管技术适用于可压缩的土层，如淤泥、淤泥质粘土、软粘土、亚粘 土、粉质粉士、非密实的砂土等地层。冲击矛铺管技术的优点是操作简单，无需 较高的专业技术。施工成本低。缺点是当地层条件发生变化或遇到障碍物时，管 线容易偏离设计方向，施工精度较低。 1 2 2 非开挖探测技术 当前国内外采用的地下管线检测方法主要包括以下几种“”： 1 管线定位器 管线定位器采用电磁原理对管线进行定位。探测金属管线时有两种方法：a ) 赢接充电法：是将人工电流通过出露点接在管线上用接收机直接接收一次场信 号，来达到探测地下管线的目的；b ) 感应法：发射机发出的电磁信号遇到地下金 属管线后产生感应电流和感应电磁场，即二次场，在地面上通过接收机探n - 次 电磁场异常后，便可确定地下管线的位置和埋深“”。而探测非金属物体，如塑料 管、水泥管、陶瓷管等，由于它们不能传导电流，要对其定位，可以采用一种示 踪的方法，就是把发射探头送入非余属管线中，发射电磁信号，由接收器追踪探 头发出的电磁信号，从而通过检测探头的位置来确定非金属管线的位置9 。 使用较高的发射和接收频率能提高管线定位器的接收效果，可是发射频率太 高会产生更多的辐射，造成信号“溢出”。另外由于城市地下管线众多，信号常 常耦合到附近的管线上去，使定位发生误差。同时施工地区往往存在着种种干扰， 如电力和电话电缆、交通信号回路、其它能发出电磁信号或产生电磁场的干扰源， 以及金属管道、钢板护栏、钢筋混凝土、盐水等，都会使来自发射器的信号失真， 以及会属管道、钢板护栏、钢筋混凝土、盐水等，都会使来自发射器的信号失真， 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 从而造成较大的定位误差“”。 图1 4 英国雷迪地下管线探测仪r d 4 0 0 “” 2 探地雷达 探地雷达( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ，简称g p r ) ，是一种对地下埋藏的不 可见目标体或界面进行定位的技术。探地雷达与探空雷达类似，均利用高频电磁 波以宽频带脉冲形式，通过一个发射天线定向送入地下，经存在电性差异的地下 目标体反射后返回地面，由另一接收天线所接收。由于g p r 的探测分辨率高于其 它地球物理手段，具有图像直观清晰、非破坏性和适应性强的特点，因此g p r 技 术显示了较好的应用前景。但高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度 与波形将随所通过介质的电性特征及几何形态而变化，目标回波能量小，因此g p r 技术仍未达到成熟的地步，当前探地雷达探寻城市地下管线一般仅适用于埋深较 浅的情况“”。 图1 - 5 瑞典m a l a 公司达r a m a cx 3 m 探地雷达“” 3 陀螺仪检测 能保持固定方向和不受磁性干扰是陀螺仪的最大优点，当前在管道形状检测 中有少量应用1 1 9 1o 但是为了穿入小型管道，要求陀螺仪尺寸较小，而小型陀螺 仪精度较低且漂移较大，同时设备较为复杂，需要专门操作人员，因此极大地限 制了它的应用。 据了解，目前城市信息管道非开挖施工采用的设备是水平定向钻机，该设备 的定位原理以法拉第电磁感应为基础，在掘进头处装有一个高频发射传感头，在 掘进过程中不断发射高频信号，并由地面的接收器追踪探头信号，进而通过连续 检测探头的位置确定钻孔轨迹。但这一技术存在以下三方面主要不足： ( 1 ) 定位信号深受地质状况和管线网络的影响 受城市已有管网的制约，新信息管线的铺设可能在地下3 l o 米深度处，在 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g 姒iu n e r s i t y 其上方可能就是已有的各种金属、非金属等多用途管网，掘进探头在复杂的地质 构造下，如粘土层、盐渍地质、腐泥土层、浸水层等地质状况，所发射的信号会 大大衰减；同时掘进到上方有各种已存管网的地方，信号更被遮挡或屏蔽，同时 发射频率还可耦合在附近其它管线上，使定位发生误差，从而严重影响地面接收 器的接收和追踪。 ( 2 ) 定位信号严重受到城市空间电磁干扰的影响 大城市的空间电磁干扰问题非常严重，这也是影响掘进探头定位产生很大误 差的主要原因，尤其在地质条件复杂的区域，接收器接收的信号本己很微弱，再 加上空间耦合的电磁干扰信号，更加混淆了精确定位信号的提取和分辨，据实际 施工单位介绍，用电磁定位方法误差有时高达3 0 5 0 。 ( 3 ) 追踪钻7 l 轨迹变化的能力不强 掘进钻头在行进过程中，当碰到卵石或其它障碍物时，在辅之以操作人员的 判断和操纵基础上，具有自动避让和转向掘进的能力，但此钻孔轨迹的改变在变 化量不大的情况下，接收器对其的变化追踪能力不强，常常不能分辨轨迹的改变。 1 3 本课题研究内容和意义 1 3 1 整个课题的研究概况 整个项目的核心是利用传感导管携带的微小光纤光栅变形传感器，结合计算 机图像处理技术，将地下管道的形状和位置信息精确检测、处理、显示出来。基 本思路是将头部植入了光纤光栅变形传感器的柔性导管在非开挖施工铺设完成 的地下信息管道内拖动，通过测出管道等距离位置上的弯曲曲率，并根据管道连 续变化的特点，以及管道两端已知点的位置，研究基于曲率的空间曲线的拟合方 法，重建出管道的空间三维形状，从而可以得到整个被检测信息管道的精确位置 和走向定位，系统概念图如图卜6 所示。 管内检测机构包括三个部分：检测弯曲信息的传感头、测量移动距离的计程 机构以及保证传感头在检测过程中基准的水平机构。由牵引机构带动管内检测机 构在管内间歇移动，当传感头移动了预设距离后，计程机构发出信号，牵引机构 停止运作，由水平机构检测传感头的基准并自动调整，调整完成后光纤光栅解调 仪读取光纤光栅变形传感器的信息并储存到计算机，信息采集完成后，发启动信 号到牵引机构，牵引机构带动管内检测机构继续移动。到下一个点，重复上述步 骤，当管内检测机构穿越整个管道以后，计算机进行数据处理，利用基于曲率的 空间曲线的拟合方法重建出管道的空间三维形状。 上海大学硕：e 研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 1 最示器2 计算机3 光纤光栅解调仪4 连接电缆、光纤5 管内检测机构6 乖引机构 图1 6 系统概念图 1 3 2 本论文的主要研究内容 作为整个项目“非开挖地下信息管线的三维测绘系统关键技术”的一部分 本论文是整个系统的前期研究，其主要内容包括以下五部分： 1 测量对象的分析 2 系统整体设计和关键技术分析 3 系统传感机理研究 4 传感器定心装置的设计 5 空间曲线拟合方法研究 1 4 已有的研究基础 本论文的技术基础，在于作者所在的上海大学“医疗机器人与计算机辅助外 科”研究小组，近年来掌握的渐进式空间形状检测方法和已掌握的技术实现手段 2 0 - 2 2 。 本研究小组在对医疗机器人与计算机辅助外科方面的研究中，从智能内窥检 查的需要出发，制作了可以实时检测内窥镜空间形状的，并且基于单点光纤光栅 传感头的内窥镜形状感知系统“”。具体的实现方法，主要是利用细小空间圆柱 体的曲率变化与表面光栅的反射波中心波长成正比的基本原理，利用多根刻有光 栅的光纤，将光纤以一定角度粘贴在基材上，建立一个传感头；利用该传感头自 动介入内窥镜钳道，采集各个离散点的睦率数据，然后根据定的算法拟合重建 出整个内窥镜的空间形状，重建效果良好，如图1 7 所示为空间形状熏构与显示 效果图。此项技术已于不久前通过8 6 3 专家组的验收，得到高度评价。这一应用 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s l so f s h a n g h a iu n i v e r s i t y 于内窥镜以显示其在人体中形状的原创性技术，可以拓展为对非开挖施工中的管 线三维形状检测技术的研究。这些技术储各可以为本项目研究提供可靠的理论基 础和技术手段，由于非开挖施工环境与人体环境有许多不同，所以本研究尚有许 多工作有待探索。 1 5 小结 图1 - 7 内窥镜形状重建结果“” 非开挖技术包括非开挖施工技术、施工设备和非开挖管道探测技术等方面。 在非开挖管道探测方面，存在的一个共性的问题就是由于受探测原理限制和电磁 干扰的影响，对管道的探测和定位精度有较大的误差，特别是对于埋设较深管径 较小的非金属管道，探测效果更加不好。我们的研究是使用光纤光栅变形传感器 来进行管道探测。其原理上不受管道埋设深度和管径大小的影响的特点，并且由 于光纤光栅传感器是波长解调的，不受电磁干扰的影响。本章除详细比较和分析 已有的技术的不足以外，介绍了与论文有关的整个项目的基本情况，并说明了本 论文的主要研究内容和现有的研究基础。 o 上海大学硕士研究生学位论文 r h ep o s t g r a d u a t et h e s i so f s h a n g h a iu n i v e r s i t y 2 1 引言 第二章测量对象分析 本论文设计的是非开挖地下信息管道形状检测系统，是主要针对导向钻进非 开挖施工铺设的信息管道进行探测，准确测量出管道的形状和位黄信息。在系统 设计前我们要对检测对象进行详细的了解和分析。对导向钻进非开挖施工技术的 原理、施工过程、导向孔轨迹的设计要有理论上的了解；对实际管道铺设施工技 术进行分析，根据实际工程施工现场测量的数据进行管道曲线重构，分析其弯曲 信息。最后对我们要研究的信息管道进行了明确。 2 2 导向钻进非开挖施工技术 2 2 1 导向钻头工作原理 导向钻进技术的关键是先导孔钻进技术，即导向钻进。导向钻进中采用带斜 面的非对称式钻头，当回转和给进同时进行时，钻孔呈直线延伸，当只给进不回 转时受斜面反力的作用，钻孔沿斜面法线的反方向延伸，因此可根据测出的钻进 参数判断钻孔位置与设计轨迹的偏差并随时调整，确保钻孔沿设计轨迹前进。 如图2 1 所示，当导向钻头匀速回转钻进时( 如a 所示) ，在钻进推力p 的作 用下，土层作用在造斜面上的反力p 的方向也沿圆周作均匀变化。如果钻头周 围的土层硬度大致相同，在不考虑钻头本身质量的情况下，在一定时间内即可认 为反力p 对钻头的作用互相抵消。与此同时，水射流在孔底切出相同深度的圆 槽，导向钻头进行保直钻进。当钻杆只给进不回转时( 如b 所示) ，即只有推力p 的作用时，则反力p7 作用方向始终朝着某一方向，与此同时，水射流也只冲蚀该 方向上的土层，钻头将朝该方向前进，从而实现造斜钻进。由于钻头是靠土层对 造斜面的反作用力而使钻孔变向，故地层愈硬造斜效果愈好，反之，造斜效果愈 差，当钻头前方为空洞时将不能造斜。另外，给进速度对造斜效果也有影响”1 。 ao 图2 1 导向钻头受力示意图”1 尊 卜海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so f s h a n g h a iu n i v e r s i t y 2 2 2 施工过程 融虢 捶孥罅辫，墟礴文凌 图2 2 导向钻进非开挖铺管过程” 导向钻进非开挖铺管技术是指利用地表放置的钻机、随钻测量仪器以及有关 钻具，沿设计管线轨迹先钻成一个先导孔，然后卸下钻头，在钻杆末端安装扩孔 器，钻杆回拉扩孔，将孔径扩大到铺管要求的口径，并将管线同步或分步拉入从 而实现不开挖铺管的施工技术，其施工的过程如图2 2 所示。该技术的关键部分 是先导孔钻进技术，它是利用放置在导向钻头附近的探头发射信号，地表导向仪 器接收信号，可随时测出导向钻头的位鬓、深度、顶角、工具面向角等参数，与 钻机配合及时调整钻孔方向，使现有目标的引导式钻进，即导向钻进。 2 3 导向孔轨迹设计 2 3 1 确定导向孔5 项基本参数 一般的导向孔轨迹如图2 3 所示，它由第一造斜段a b 、直线段b c 和第二造 斜段c d 组成。直线段是管道穿越障碍物的实际长度，第一造斜段是钻杆进入铺 管深度的过渡段，第二造斜段是钻杆出露地表的过渡段。因此，典型的导向钻进 铺管施工导向孔的位置形态由5 项基本参数决定：穿越起点b ：穿越终 点c ；铺管深度h ：第一造斜段曲率半径r1 ，由钻杆最小曲率半径凡和 铺管深度h 决定，一般取r l ，r d = 1 2 0 0 d ( d 为钻杆直径) ；第二造斜段曲 卜海大学硕 一研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 率半径r 2 ，由所铺管的允许弯曲半径决定，一般取r 2 1 2 0 0 d ( d 为待铺管线赢 径) 17 1 。 莆二= 漶辫藏第一追麟鞋 图2 3 导向孔轨迹”1 2 3 2 确定导向孔其它参数的方法 确定其他设计参数的方法有两种”1 ： 第一种是作图法，如图2 3 所示，确定b + 、c 。点后按铺管深度h e l l 可确定 直线段轨迹b c 、长度为l ；作半径为r 1 的圆与直线b c 相切于b 点，与占c 的 延长线相交于a 点，则该圆在a 点的切线与4 b + 的夹角为入射角n ，, 4 b 。的长 度即为造斜距离l l 。用类似的方法亦可画出c d ，求出a2 、l2 。 第二种方法是计算法，根据有关公式推导后有如下关系： 厶= , h ( 2 r 1 一h ) ( 2 1 ) 毛删留j 赤 之) l 2 = ( 2 r 2 一厅) ( 2 3 ) 口2 = 2 a r c t g ( 2 4 ) 式中r 1 、r2 分别为第一、第二造斜段弯曲曲率半径；al 、a2 分别为入口、 出口倾角。设i 点为第一造斜段a b 上的一点，其对应地面a d 上的，+ 点，则有： h ，= 一r ，+ 瓜二了 ( 2 5 ) 口=舢刮未备( 2 6 ) 式中h i 为i 点轨迹深度；l i 为，。点和口点间距离；ni 为i 点轨迹倾角。 同样，如设i 点为第二造斜段c d 上的一点，可用( 2 5 ) 、( 2 6 ) 两式算出i 点的 深度h i 和倾角a 。用作图法和计算法得出各参数之后，还应考虑其它因素对入口 倾角、出口倾角的限制。钻机倾角的可调范围是限制入口倾角的主要原因，一般 压 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a lu n i v e r s i t y 钻机的倾角可在1 0 。3 5 。之间调节。假设用中5 0 m m 钻杆，要求，2 3 。， 取r 1 = 6 0 m 代k ( 2 2 ) 式可算出管道铺设的深度h 的限制范围：o 7 6 m h 4 7 m 。 当实际铺管深度h 4 7 m 时可采用下列两种方法使nj 2 3 。：适当加大r ，根 据式( 2 2 ) ，这样可以使oi 2 3 。；但增大r l 时ll 也增大，增加钻进和铺管长度。 若要l1 尽可能小可采用第二种方法，先以进口倾角2 3 。直线钻进一段后再进 行第一造斜段的钻进，其造斜曲率r 1 不变。这可使li 在保证入口倾角的条件下 最小。 考虑到小赢径钢管管道的焊接问题，出口倾角a2 一般控制在0 。1 5 。范围 内，对于p e 、p v c 管一般控制在0 。3 0 。内。可