盾構導向系統(tǒng)控制點布設優(yōu)化分析

宮瑋清

（1. 同濟大學測繪與地理信息學院，上海 200092；2. 上海隧道工程股份有限公司，上海 200062）

在城市地鐵建設中，盾構法施工有其獨特優(yōu)勢，成為城市隧道施工的首選工法。而在軟土層中進行盾構法施工，為防治地面沉降等環(huán)境地質問題[1～3]，實時監(jiān)測是必不可少的[4～7]。在施工中對盾構姿態(tài)的控制是關鍵工序，及時測量盾構機的姿態(tài)，可使盾構掘進線路與設計軸線之間的誤差控制在一定范圍內(nèi)。盾構姿態(tài)的測量方法一般分為激光法、棱鏡法、陀螺儀定向三大類，相比較而言，棱鏡法在測量精度、設備成本、操作難易程度等方面具有優(yōu)勢，故應用較為普遍。

棱鏡法是采用坐標轉換來解算盾構姿態(tài)，屬于間接測量的方法。而棱鏡布設位置與最終的解算精度有很大關系，因此對棱鏡的布設位置進行研究有利于提高解算精度，從而為盾構姿態(tài)的控制提供保障。

本文對采用坐標轉換方法的盾構導向系統(tǒng)解算過程進行分析，并根據(jù)誤差理論探討棱鏡控制點的優(yōu)化布設原則與實施方案。

1 盾構姿態(tài)的棱鏡法解算原理與方法

在隧道施工前，先測定盾構機的初始姿態(tài)，同時在盾構機上安裝3個以上棱鏡，測量它們的坐標，此坐標在施工坐標系O-XYZ下；同時建立盾構坐標系o-xyz，并得到各個棱鏡在盾構坐標系中的坐標，這些棱鏡就作為施工坐標系O-XYZ與盾構坐標系o-xyz之間的公共點。這些點在盾構整個掘進過程中，棱鏡和盾構機的相對關系是固定的。

在盾構機掘進過程中，盾構機的姿態(tài)發(fā)生變動，相當于盾構坐標系發(fā)生了平移和旋轉，此時施工坐標系O-XYZ與盾構坐標系o-xyz之間的旋轉參數(shù)由已知變?yōu)槲粗４藭r再次測量棱鏡坐標，利用空間三維坐標旋轉運算，用最小二乘法擬合，求得6個旋轉參數(shù)，重新得到盾構姿態(tài)[8～11]。

坐標旋轉公式：

式中：

由于有6個待求值，所以至少需要3個棱鏡坐標。

實測盾構機各棱鏡，得到新的絕對坐標，并以此分別列出誤差方程：

各旋轉陣：

以間接平差方式求解，由于是同精度觀測，所以權陣P取單位陣，得到δx，未知數(shù)由近似值x0修正為x0+δx；重新組成誤差方程、法方程，求解δx、修正近似值，迭代至改正數(shù)δx足夠?。ㄊ諗浚?，最終得到旋轉參數(shù)。

驗后單位權中誤差σ0：

在平差前，將旋轉參數(shù)的初值代入得到系數(shù)陣A0，并給定驗前單位權中誤差，則可對旋轉參數(shù)的求解精度進行驗前估計。D為方差—協(xié)方差陣，旋轉參數(shù)的求解精度為：

對任意轉換點，將其坐標代入式(4)，得到矩陣Ai，L為任意觀測值，由誤差傳播定理[12]，坐標轉換后其精度為：

2 控制點布設及其優(yōu)化

棱鏡法是通過測量盾構機內(nèi)部的棱鏡坐標，采用坐標轉換來解算盾構姿態(tài)，屬間接測量，所以影響系統(tǒng)精度的因素比較多。它不僅與棱鏡坐標本身的測量誤差有關，還與由此產(chǎn)生的誤差在計算中的傳遞有關。在相同的測量精度下，比較好的網(wǎng)型可以很好地控制誤差的傳播。因此，棱鏡布點及其優(yōu)化對于提高系統(tǒng)自身的解算精度是一關鍵環(huán)節(jié)。

在盾構機內(nèi)部布置3個點，其無論怎樣布置，都可分解為在XOY與XOZ上的投影。在XOY面上時，如控制點布設在同一水平面（盾構坐標Z方向坐標值相等），則此3點的投影圖形，其投影的三角形的一條邊或垂直于X軸，或相交于X軸。

假設棱鏡的觀測誤差為1mm，利用協(xié)因數(shù)陣對不同的布點方案進行討論。

2.1 布設方案

選擇6種布設方案作比較分析，其控制點布置網(wǎng)型見圖1、其盾構坐標見表1。

圖1 控制點布設方案Fig.1 The disposal scheme of control point

表1 布設方案的控制點盾構坐標 (m)Table 1 The shield coordinates of control points of disposal scheme

2.2 精度分析

為評估布設方案的精度，并遴選出優(yōu)化原則，對不同網(wǎng)型的參數(shù)求解精度進行比較分析。

布設方案(a)是假設控制點布設在同一水平面（盾構坐標Z方向坐標值相等），為各點在盾構坐標系中的分布，固定1#點，分別取(1#,2#,3#)、(1#,4#,5#)、(1#,6#,7#)、(1#,6#,8#)構成不同的網(wǎng)型。

方案(b)、方案(c)都是在方案(a)基礎上，分別考慮第3個點在沿Y軸、X軸布設的情況。均固定1#,2#點，分別取(1#,2#,3#)、(1#,2#,4#)、(1#,2#,5#)構成不同的網(wǎng)型。

a,b,c三種方案均屬控制點投影三角形的一條邊垂直于X軸的情況，而方案d,e,f則為控制點投影三角形的一條邊與X軸相交情況。

方案(d)是取第三個點布設在X軸附近，固定1#,2#點，分別取(1#,2#,3#)、(1#,2#,4#)、(1#,2#,5#)構成不同網(wǎng)型。

方案(e)、方案(f)都是在方案(d)基礎上，將三個控制點在平面上的布設定為前二后一的形式，并且前兩個控制點垂直于X軸，后一個控制點在X軸附近，再將控制點投影到XOZ面上，討論控制點沿Z軸布置對解算精度的影響。

其中方案(e)是固定前兩個點的高度，考慮后一個點的高差情況；方案(f)是固定后一個點和前一個點的高度，考慮另一個點的高差情況。同樣固定1#,2#點，分別取(1#,2#,3#)、(1#,2#,4#)、(1#,2#,5#)構成不同的網(wǎng)型。

6種布設方案的參數(shù)求解精度見表2。

2.3 結果評價

由表2可以看出，對于布設方案(a)而言，若沿Y軸布設兩個控制點，其布設的間隔越大，其解算精度越高，對各解算參數(shù)的精度都有提高，對Y坐標與α的解算精度提升明顯，而且，最好能分布在軸線兩側。

表2 布設方案參數(shù)求解精度Table 2 The parameter accuracy of disposal scheme

方案(b)，控制點布置在中軸線附近，雖然Y坐標和γ的精度略有降低，但其他參數(shù)解算精度都有提高，而且相比較而言，參數(shù)解算精度比較均衡。

方案(c)，沿X軸布置的控制點，其布設的間隔越大，其解算精度越高，對X坐標、Z坐標和β的解算精度提升尤為明顯。

方案(d)，此形式布設的控制點對解算精度的提高并不明顯；而方案(e)、方案(f)表明，相互間的高差越大，其6個參數(shù)的解算精度越高，但是γ的精度相反。

綜上分析，控制點在水平面上布設時，沿Y方向的控制點，對Y坐標與α的解算精度有較大影響，控制點的間距越大，Y坐標與α的解算精度提升越明顯；沿X方向的控制點，對X坐標、Z坐標和β的解算精度有較大影響，間距越大，對其精度的提升越顯著；沿Z方向的控制點，對6個參數(shù)的解算都有一定影響，各控制點間Z方向的間距越大，總體解算精度就越高，只有γ的精度會降低。

3 結論

本文基于空間三維坐標旋轉，對盾構姿態(tài)解算方法與精度進行了分析，特別是對棱鏡的布設及其優(yōu)化作了探討。布置在盾構機內(nèi)部的棱鏡作為解算的控制點，它的布設形式對解算的精度有直接的影響，盾構機內(nèi)部的空間有限，布點很難達到良好的網(wǎng)型結構，但在有限的空間內(nèi)，可以盡量將網(wǎng)型布設得較為合理，以提高解算精度。棱鏡布設的要點就是三個棱鏡之間的間距盡可能拉大，并均勻布置在盾構中軸線兩側，并使它們之間有相應的高差。

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