呂宏權

(中鐵隧道集團一處有限公司， 重慶　401121)

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黃島50萬m3地下液化石油氣水封洞庫庫容測量

呂宏權

(中鐵隧道集團一處有限公司， 重慶401121)

摘要：地下水封液化石油氣(LPG)洞庫建成驗收后，要對洞罐的容積進行測量。為了測量結構復雜的黃島50萬m3LPG地下水封洞庫的庫容容積，首先，確定測量模型，把組成洞庫的單個洞室或巷道定義為特殊尺寸的隧道并作為測量單元，分析斷面測量過程中影響庫容容積精度的因素；其次，探討高精度自動測量Ⅰ級全站儀、隧道斷面測量系統(tǒng)和三維實體建模軟件的組合應用，根據采集的斷面點集數據，通過人工計算和建模自動計算的相互驗證，并與第三方成果對比分析；最后，創(chuàng)建洞庫三維模型，水平剖切得到規(guī)定要求的一定深度容積計量表、切片圖和洞庫三維模型切片儲量報告。結果表明： 采用斷面法測量洞庫庫容是一種比較可行的測量方法，易操作，能保證精度要求。

關鍵詞：黃島地下水封洞庫； 液化石油氣(LPG)洞庫； 庫容測量； 斷面測量； 建模； 測量精度

0引言

地下LPG水封洞庫屬于施工新領域，相關規(guī)范規(guī)定，洞庫工程驗收后，應對洞罐的形狀和容積進行測量[1-2]，但目前地下洞罐庫容測量還沒有成熟的測量方法和相關技術資料。本文提出把地下洞庫的單個洞室或巷道作為特殊尺寸的隧道，整個洞庫單元隧道容積的累加就是洞庫的總庫容，單元隧道的容積可以采用激光斷面法和掃描法測量計算。在實際應用中，高益健等[3]運用激光機載軟件斷面法進行了地鐵隧道的斷面面積測量，盧松耀等[4]運用PDA后處理軟件激光斷面法進行了地鐵隧道的斷面面積測量，周景全[5]和孫昊等[6]運用激光斷面法進行了隧道的圍巖收斂測量。三維激光掃描儀法僅用于隧道的變形監(jiān)測[7-8]和常規(guī)斷面面積測量[9-11]，并沒有用于洞庫容積的測量計算。黃島50萬m3庫容測量采用激光斷面法，結合現有的常用測量設備，分析了影響洞庫容積精度的因素，根據庫容測量原理，制定了切實可行的測量方案，從而實現了地下LPG水封洞庫的庫容測量。

1洞庫庫容測量

1.1洞庫庫容測量要求

根據規(guī)范要求，庫容測量斷面間距不宜大于2 m，環(huán)向測點間距不宜大于0.5 m，2次庫容測量誤差不應大于0.5%。

1.2影響洞庫庫容精度因素分析

地下儲庫斷面結構和環(huán)境條件復雜，以黃島50萬m3LPG丙烷庫為例，含連接巷道就有7種斷面，見圖1，且斷面開挖粗糙。

圖1　丙烷庫的三視圖

采用斷面法測量洞庫庫容，常規(guī)斷面中，2個平行斷面間所夾的體積按梯形柱體法計算。因此，洞庫庫容的中誤差

(1)

由式(1)可得洞庫體積的相對中誤差為

(2)

由式(2)可以看出，洞庫體積的相對中誤差主要受斷面面積相對中誤差和洞庫長度l方向增量的相對中誤差影響，即影響洞庫總容量精度的主要因素為斷面測量的精度和斷面間距的精度。

1.2.1斷面測量精度

斷面測量時，斷面上采樣到的每一個數據點構成了庫容的最基本單元，點的集合決定了洞庫的總庫容，斷面上點位的精度和密度影響著斷面的面積測量精度。斷面測量系統(tǒng)中采集到的每個點的坐標都是通過對采樣點進行測角、測邊計算得出來的，可見，斷面的測量精度決定于全站儀的測角、測邊精度和斷面點位密度。

1.2.1.1測邊、測角精度

黃島LPG洞庫主要由城門型和三心圓型2種斷面組成。其中： 城門型斷面主要分布在連接巷道，共計有7種不同結構參數的斷面； 三心圓型主要分布在主洞庫，斷面結構參數只有1種，其最大高度26 m、最大寬度18 m。為方便分析，假設主洞庫是半徑為R的圓斷面，則有面積S=πR2，設面積測量中誤差為mS、半徑測量中誤差為mR，根據誤差傳播定律，可得

(3)

日常使用的全站儀測邊中誤差為±2～±5 mm，洞庫斷面最大高度不超過30 m，則斷面面積測量誤差為1/3 000～1/7 500，小于0.5%的誤差要求。同樣，設儀器的方向測角中誤差為mβ，則有

(4)

由此可知，日常普遍使用的2～5″級全站儀，其對斷面面積測量精度的影響遠小于0.5%的誤差要求。

1.2.1.2點位密度

點位密度就是測量斷面上點的分布狀態(tài)，在實際測量過程中，也就是全站儀采樣的點與點之間的間隔距離或相鄰點與點之間的角度分隔值。由于洞庫施工后沒有進行二次襯砌，洞壁僅進行了初噴，洞壁表面凹凸不平，采樣點就是在粗糙的表面上測量，凹凸的差值大小不一，使斷面采樣存在著代表性誤差問題。對于整個洞庫來說，凹凸的差值符合正態(tài)分布規(guī)律，這樣通過約束固定采樣點位的密度就可以解決洞庫庫容的代表性誤差。黃島地下水封洞庫斷面最大半徑為26 m，實際采集斷面點時按半徑大小設定，根據點的密度增大、點與點之間的曲線(弧長)近似為直線(弦長)的原則，計算點間距為0.45 m。

1.2.2斷面間距精度

由式(2)可知，斷面間距精度就是垂直于斷面方向的洞庫長度增量的相對中誤差，實際是測站點的測量精度，測站點的測量精度主要表現為控制網的測量精度。黃島洞庫庫容測量導線控制網長度為5 325.621 m，測角中誤差為2.06″，導線全長相對閉合差為1/37 682，優(yōu)于四等導線測量精度。黃島洞庫縱向最大長度322 m，參考實測的控制網精度和庫容測量誤差不大于0.5%的規(guī)定，斷面間距為1.61 m，滿足規(guī)范對于庫容測量斷面間距不應大于2 m的規(guī)定。

1.3庫容測量原理

黃島LPG洞庫容積測量以洞庫的單個洞室或巷道作為特殊尺寸的隧道為模型，采用高精度免棱鏡智能型Ⅰ級全站儀+機載斷面軟件進行斷面測量，沿洞庫方向按照一定間距采集垂直或水平斷面。根據各斷面實測的斷面線，計算出斷面面積和斷面間距，并計算出各洞庫的容積，然后對采集的三維測量數據借助專業(yè)軟件進行洞庫三維空間實體模型的建立，使得產生的模型形狀可以用來三維可視化，從而計算出某一水平面高程下的洞庫容積，得到實體容量報告。

1.4主要測量設備

洞庫測量需要一些設備和軟件來完成三維坐標數據的采集、測量數據的處理和模型的建立等，見表1。

表1　測量設備軟件一覽表

1.5洞庫庫容測量方案實施

黃島庫容測量中使用了標準精度為0.5″、1×10-6mm的徠卡TM30和TS30精密測量機器人，采用了配套的TPS斷面測量系統(tǒng)。庫容測量前，應將洞罐以及所有測量部位的粉塵、碎石渣等雜質用高壓水沖刷干凈，并保持洞罐及各測量部位底板無積水。

1.5.1建立洞庫測量控制網

以地面控制點或洞內施工控制點為基準，對整個洞庫建立統(tǒng)一的測量控制網，在控制網的基礎上對需要測量的部位進行控制點加密，測量使用精密全站儀依據四等精度指標完成，經平差計算后得到各控制點的三維坐標。

1.5.2定義TPS隧道斷面測量系統(tǒng)參數

對洞庫的設計參數進行復核后，在全站儀的斷面測量系統(tǒng)中依據設計數據定義平曲線、豎曲線和各測量部位的設計斷面參數，得到閉合的設計參考斷面。其中，豎曲線和平曲線的錄入工作相對較容易，能較快完成錄入和比對復核工作；設計橫斷面的錄入，要先建立斷面坐標系，見圖2。橫斷面曲線要素數據根據右手坐標系求得，坐標系以線路在斷面里程處設計標高點為原點，以線路中線前進方向右側法線為X軸，以原點天頂方向為Y軸，輸入設計斷面時，按照順時針方向依次輸入每段直線和圓弧。需注意的因素有坐標系及原點的確定、大里程方向和順時針方向； 輸入要素有各線型變化處的坐標、線型、半徑和圓心角； 斷面線型有直線及圓，斷面必須要封閉。

圖2　設計斷面圖

1.5.3斷面三維數據

1.5.3.1數據采集

在洞庫(巷道)底板中線附近架設全站儀并對中整平，采用自由設站的方法，可以得到測站點的三維坐標，經設站精度滿足要求和用第3個點檢核無誤時，方可置全站儀為無棱鏡模式，選擇平曲線、豎曲線、斷面類型、點間距和斷面間距等設計參數。按照里程方向1 m和垂直方向0.45 m的點間距設置，然后自動開始測量掃描，凹凸點人工加密采集，并記錄斷面里程，測量點的點號、偏中距、高差和三維坐標。洞庫封頭和交叉口斷面的數據按照相貫線的畫法逐點加密采集。

1.5.3.2數據格式

橫斷面數據導出為文本文件，每一斷面以“》”分界，后面緊跟該斷面里程和設計標高。下一行為測量點信息，分別以點號、偏中距、高差、X坐標、Y坐標和H高程排列，這樣做的目的是為后續(xù)數據域處理帶來方便。

1.5.4洞庫的建模和剖切

1.5.4.1測量數據的預處理

軟件采用測量數據庫來處理測量數據。首先把斷面測量數據轉換成線文件格式(線文件中的每一個斷面點先組合成段，由一個洞庫的所有段組成線串)，然后編程對原始測量數據格式進行轉換，采用VB6.0編寫，可以輕松地實現庫容測量數據轉換到三維軟件所需的線文件數據格式 .str文件。

1.5.4.2洞庫的建模

實體模型是由一系列相鄰的三角面包裹成內外部透氣的實體。實體是由一系列在線上的點連成內外部透氣的三角網。任何三角面的邊必須有相鄰的三角面，任何三角面的3個頂點，必須依附在有效的點上，否則實體是開放的或是無效的。實體模型中的三角形是個完全封閉的結構，將其定義成實心體或者空心體模型，產生的形狀可以用來三維可視、計算體積、計算任意方位的切割剖面等，如圖3所示。

圖3洞體形成示意圖

Fig. 3Flowchart of modeling cavern formation

根據斷面測量方法，選擇剖面線建模法，以黃島丙烷洞庫為例，通過斷面線建模和創(chuàng)建三角網，構成實體模型。將實體的兩端封閉起來，就形成了洞庫的實體，如圖4所示。

圖4　實體模型構成圖

1.5.4.3實體的有效性驗證

組成實體的各三角面若存在自相交、無相鄰邊、重復邊和無效邊，則不是有效的實體，無效的實體不能計算體積、空間約束和邏輯運算等。

1.5.4.4洞庫實體運算

通過實體的有效性驗證，在實體之間、實體與面之間進行空間交集、并集和差集的運算。通過實體運算，先形成各洞室的分體圖，再形成洞庫的合并體圖，最后形成洞庫的實體模型圖，如圖5所示。

圖5　形成的丙烷庫實體模型圖

合并完成后要對實體進行有效性驗證，驗證通過后對模型進行保存，以便以后對模型操作。

1.5.4.5洞庫實體模型的剖切

定義以Z軸作為剖面軸線，以軸的垂直方向進行剖切，定義庫容計量起點高程，輸入剖面標高，軟件就會自動計算并繪制出該標高的剖面。黃島丙烷洞庫-145 m的剖切圖如圖6所示。

圖6　丙烷洞庫-145 m標高處容積曲線圖

Fig. 6Storage capacity curves of propane storage cavern at altitude -145 m

2洞庫總庫容的計算

2.1建模軟件自動計算

依據構建好的洞庫三維立體模型，通過實體的有效性驗證，可以自動生成實體報告文件，文件中包含洞庫總體積和按高程間隔值計算的體積。以黃島LPG洞庫為例，按高程計算體積一覽表見表2。

圖層名為黃島LPG三維仿真模型10.dtm；

高程間隔值為0.01 cm (即按照1 cm/個斷面進行切片)；

體=1;

三角網=1;

驗證=通過;

狀態(tài)=實心體;

三角網坐標范圍：X最小219 759.146,X最大219 903.713;Y最小101 356.327,Y最大101 691.681；Z最小-116.485，Z最大-87.259。

表2　按高程計算體積一覽表

2.2人工計算

通過人工編程，計算所有的垂直或水平斷面面積，再與每個測量單元的長度積分求得總庫容，人工計算模型見圖7。

圖7　人工計算模型

計算公式為：

(5)

(6)

采集的洞庫斷面面積可借助TPS隧道測量數據后處理功能模塊進行，橫斷面面積數據見圖8。

圖8　TPS斷面測量系統(tǒng)后處理模塊(單位： m)

Fig. 8Reprocessing module of TPS cross-section measuring system(m)

將人工計算的總庫容與自動計算的總庫容相互比較驗證。黃島洞庫設計總庫容為505 301 m3,人工計算總庫容為512 945.479 m3，建模計算總庫容為513 631.791 m3，人工計算總庫容和建模計算總庫容相差686.312 m3,其中第三方斷面法測量計算總庫容為511 152.472 m3，誤差小于0.5%。

3結論與討論

1)利用常規(guī)全站儀采用斷面測量法測量庫容，其數據采集過程簡單方便，內業(yè)人工計算和建模自動計算可以相互驗證，此方法簡單、易懂、易操作。

2)采用斷面法測量，影響庫容容積精度的主要因素在于斷面上點位的采樣精度和密度，可以通過選用精度較高的智能化自動全站儀和加大采集密度的方法來提高庫容容積精度。

3)由于庫容測量的是洞庫施工后的空間體積，所以庫容測量控制網可以由施工控制網引測，也可以對洞庫建立相對獨立的控制網。根據施工控制網布網的優(yōu)點在于能隨時檢查洞內施工情況。

4)在斷面交叉口處采集數據時，盡可能在不同的斷面范圍內多測量幾組斷面，并對凹凸點人工加密采集。

5)洞庫建模要選擇合適的建模方法，對所有的數字化段進行分析解譯，對有問題的三角網要手工編輯并多次驗證。

6)從影響洞庫總庫容的精度因素來看，選擇合適的洞庫主軸線和斷面密度是保證總庫容精度的關鍵。

斷面法測量雖然簡單易行，但若遇到上百萬m3的洞庫庫容，投入的人力、財力、設備會更大，測量時間會更長，這些將影響到測量單位的經濟成本。

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Study on Storage Capacity Measurement of Huangdao Underground Liquefied Petroleum Gas (LPG) Water-sealed Cavern

LYU Hongquan

(TheFirstConstructionDivisionCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Chongqing401121,China)

Abstract:The storage capacity of underground liquefied petroleum gas (LPG) water-sealed cavern has to be measured after acceptance. In this paper, the measuring model of Huangdao underground LPG water-sealed cavern is decided； and then the factors effecting the storage capacity of cavern during cross-section measurement are analyzed; the combination application of Grade I high-precision automatic total station, tunnel cross-section measuring system and 3D entitative modeling software is discussed; the artificially calculated results and the modelling automatic calculation results based on data collected are compared with results from the third party. Finally, a 3D model of the cavern is established； and a series of achievement is obtained. The results show that the cross-sectional measuring method is feasible and convenient, and it can meet the precision requirements of storage capacity measurement.

Keywords:Huangdao Underground Water-sealed Cavern; liquefied petroleum gas(LPG) storage cavern; storage capacity measurement; cross-section measurement; modeling; measuring precision

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)03-0309-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.010

作者簡介：呂宏權(1970—)，男，河南新安人，1995年畢業(yè)于鄭州解放軍測繪學院，工程測量專業(yè)，本科，高級工程師，現主要從事施工技術工作。E-mail： 631620305@qq.com。

收稿日期：2015-10-10； 修回日期： 2015-12-09