SLS—T與UNS—GNS測量系統(tǒng)應(yīng)用比對

航云2標(biāo)電力隧道監(jiān)理部

摘要：近年來廣州新城區(qū)如雨后春筍般地拔地而起，白云新城當(dāng)然也乘著這一春風(fēng)嶄露頭角，而新城區(qū)的出現(xiàn)必然引起新一輪對配套設(shè)施的需求。電力作為現(xiàn)代人類生存必不可少的資源，新城區(qū)如果仍采用如風(fēng)景破壞者般的高架電纜未免“貽笑大方”，而電力隧道在解決風(fēng)景問題的同時，能夠更好地節(jié)約土地資源，這將成為未來電力輸送最主要的方式。在以盾構(gòu)法施工的電力隧道中測量系統(tǒng)作為前行的眼睛，比對現(xiàn)今最主要的兩套測量系統(tǒng)SLS-T與UNS-GNS在應(yīng)用中的區(qū)別顯得尤為重要，筆者將結(jié)合曾經(jīng)參與的兩個項目部作為材料，對比分析出兩套測量系統(tǒng)在電力隧道施工中優(yōu)劣。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)；SLS-T；UNS-GNS；測量系統(tǒng)；比對

1 工程概況

1.1 220千伏航云輸變電電力隧道工程（第二標(biāo)段）

220千伏航云輸變電電力隧道工程（第二標(biāo)段）全線里程為BDK0+000～BDK3+386.282，新建永久及臨時工作井4個，北1#～北5#工作井之間為盾構(gòu)法區(qū)間隧道，北1#～4#工作井為明挖結(jié)構(gòu)。其中北4#工作井為盾構(gòu)雙向始發(fā)井，首先由北4#井向南掘進，至北1#工作井吊出；轉(zhuǎn)運盾構(gòu)機至北4#工作井，向西掘進，至北5#工作井吊出。工程中采用SLS-T測量系統(tǒng)作為盾構(gòu)的導(dǎo)向系統(tǒng)，隧道設(shè)計線路中轉(zhuǎn)彎半徑主要為R=250、R=600，同時北4#～5#井區(qū)間始發(fā)經(jīng)過8.8米直線段后直接進入R=250的左轉(zhuǎn)彎，對于測量控制來說無疑是一個莫大的挑戰(zhàn)。

1.2 220千伏犀牛站電纜隧道工程

220千伏犀牛站電纜隧道工程采用隧道外徑Ф4100盾構(gòu)施工，北起犀牛變電站，沿沙太路地下向南，進入沙太南路和興華路交界附近的8#工作井后，穿越天平貨運配載交易市場地下，到達麒麟變電站，總長約為3.856千米，采用明挖、盾構(gòu)施工工藝進行施工。本工程各過井及明挖段采用明挖法施工，區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，其中DK3+049.130至DK3+236.692段（120m小半徑轉(zhuǎn)彎段，穿過8號工作井），共187.562延米采用800mm小管片，其余區(qū)段全部采用1000mm管片。工程中采用UNS-GNS測量系統(tǒng)作為盾構(gòu)的導(dǎo)向系統(tǒng)，隧道設(shè)計線路中轉(zhuǎn)彎半徑主要為R=160、R=200、R=300等，轉(zhuǎn)彎普遍有半徑小、變化急的特點。

2 測量系統(tǒng)簡介

2.1 SLS-T測量系統(tǒng)

SLS-T測量系統(tǒng)是由德國的“VMT”公司開發(fā)研制的一套非常先進，并且功能強大的TBM自動定位測量導(dǎo)向系統(tǒng)。確定盾構(gòu)機的位置是由三維坐標(biāo)（即：X、Y、Z）來控制的。在盾構(gòu)機掘進過程中，通過操作駕駛室內(nèi)VMT的PC機，使SLS-T系統(tǒng)進入掘進狀態(tài)，這時激光全站儀開始進入工作狀態(tài)，它發(fā)出的激光束穿過臺車及盾構(gòu)機內(nèi)一段無障礙物的測量通道，直射到裝于盾構(gòu)機尾盾的電子激光系統(tǒng)（ELS）及測距棱鏡上，ELS就能根據(jù)激光束射入面板的角度計算出水平角、仰角，TBM的滾動和傾斜通過安裝在ELS上的測斜儀直接測定，同時全站儀照準(zhǔn)測距棱鏡，得到ELS靶與全站儀之間的距離，從而得到TBM的準(zhǔn)確里程，這些數(shù)據(jù)每兩分鐘（此時間的長短可由TBM的掘進狀態(tài)來調(diào)整）向VMT的電腦上傳送兩次，這時電腦上顯示出盾構(gòu)機在當(dāng)時的掘進姿態(tài)和里程。盾構(gòu)機司機可以根據(jù)電腦所顯示的信息做出調(diào)整。激光全站儀安放在管環(huán)左上方的支架上，通過激光站的前移（前移距離具體根據(jù)線路的情況決定）持續(xù)指引盾構(gòu)機的前進。

SLS-T 測量系統(tǒng)在現(xiàn)場應(yīng)用證明是一個組合了各種必備功能的優(yōu)秀系統(tǒng)。它不需要再另外精心的鋪設(shè)電纜及增加其它組件。任何一個經(jīng)過培訓(xùn)的技術(shù)人員均可以很快地掌握該系統(tǒng)的配置，現(xiàn)在測量員的工作可以集中在主要控制測量方面。本次對比工程中的SLS-T測量系統(tǒng)中全站儀采用徠卡TS15，測量精度為±2〞。

2.1.1 SLS-T測量系統(tǒng)構(gòu)成

SLS-T測量系統(tǒng)主要由全站儀、ALTU激光靶、通信單元、外置雙軸傾斜儀及控制電腦等構(gòu)成。

2.2 UNS-GNS測量系統(tǒng)

近年來，國內(nèi)外研制的陀螺經(jīng)緯儀精度不斷提高的同時也在向自動化、智能化的方向發(fā)展，而UNS-GNS測量系統(tǒng)就是這樣一款應(yīng)運而生的測量系統(tǒng)，它首先由人工測量測出盾構(gòu)機姿態(tài)，并將盾構(gòu)機軸線方位與線路軸線方位的相對關(guān)系輸入到計算機上，作為自動導(dǎo)向系統(tǒng)電子陀螺儀的初始方位參數(shù)。由盾構(gòu)機制造商安裝的傳感器分別測量推進千斤頂和中折千斤頂左、右、頂、底四個位置的伸長量，以此得到盾構(gòu)機推進的里程，并將結(jié)果傳到控制室內(nèi)的計算機中。初始方位確定以后，固定在盾構(gòu)機上的電子陀螺儀就可以以初始方位參數(shù)為基準(zhǔn)測出盾構(gòu)機推進至任一里程的方位，加上千斤頂行程所提供的里程，就可以確定盾構(gòu)機的平面位置與姿態(tài)。然后通過連接充滿水的傳感器測出盾構(gòu)機的高程。以上數(shù)據(jù)隨推進千斤頂和中折千斤頂?shù)纳扉L值及盾尾與管片的凈空值一起，經(jīng)由控制電纜輸入到盾構(gòu)機的編程控制器中，再經(jīng)計算機中專用掘進軟件的計算和整理，盾構(gòu)機的位置就以數(shù)據(jù)和圖表的形式顯示在控制室內(nèi)的屏幕上。

通過對盾構(gòu)機當(dāng)前位置和設(shè)計位置的綜合比較，盾構(gòu)機操作手就可以采取相應(yīng)的操作方法盡快且平緩地逼近設(shè)計線路。如此往復(fù)，操作手就可以在每環(huán)的掘進中很好地控制住盾構(gòu)機的掘進方向，使之與設(shè)計線路的偏差保持在較小的允許范圍內(nèi)。本次對比工程中的UNS-GNS測量系統(tǒng)中陀螺儀采用海瑞克提供的MWDⅡ，測量精度為±1.7mrad≈±6〞，需要注意的是陀螺儀不能使用于兩極和⊿≥75°的高緯度地區(qū)。

2.2.1 UNS-GNS測量系統(tǒng)構(gòu)成

UNS-GNS測量系統(tǒng)主要由陀螺儀、長度編碼器（測輪）、HWL高度傳感器、液體靜力水準(zhǔn)儀及控制電腦等構(gòu)成。

3 SLS-T與UNS-GNS測量系統(tǒng)的比對

3.1 SLS-T測量系統(tǒng)的應(yīng)用

過去計算隧道設(shè)計線路中線數(shù)據(jù)都需要通過第三方軟件才能更好地計算出來，而現(xiàn)在通過VMT自帶系統(tǒng)輸入設(shè)計線路上的水平、垂直元素，就能準(zhǔn)確地計算出水平及豎向關(guān)鍵點，同時通過VMT系統(tǒng)計算關(guān)鍵點更能消除普通計算過程中因小數(shù)點后四位所產(chǎn)生的累積誤差。

SLS-T測量系統(tǒng)在施工現(xiàn)場的安裝情況，ALTU激光靶主要安裝在盾尾靠近管片拼裝機的固定點上，這么做能夠更好地反映出盾構(gòu)掘進每一環(huán)后拼裝時的管片姿態(tài)近乎等于掘進結(jié)束后的盾尾姿態(tài)，而全站儀、后視靶的吊籃可以設(shè)計成直接安裝在管片螺栓上，不需要電鉆打眼安裝，避免形成新的滲水點。每次搬站時ALTU激光靶無需任何移動，只需把全站儀吊籃安裝2號臺車附近，而后視靶安裝在8號臺車尾部。

SLS-T測量系統(tǒng)操作通過安裝在中控室的觸屏電腦，選擇可視化系統(tǒng)上的對應(yīng)選項便能迅速地完成相應(yīng)的操作。在VMT系統(tǒng)中可以直接查看推進油缸行程、當(dāng)前隧道軸線半徑、坡度及當(dāng)前、下一個設(shè)計軸線元素，較為形象能讓中控手更快捷地修正當(dāng)前掘進姿態(tài)。

3.2 UNS-GNS測量系統(tǒng)的應(yīng)用

UNS-GNS測量系統(tǒng)中隧道設(shè)計線路中線只能夠通過第三方軟件計算，如excel列出公式計算同樣可以計算出設(shè)計軸線中每一米的X、Y、H坐標(biāo)，但計算的過程中可能會產(chǎn)生難以消除因小數(shù)點后四位所產(chǎn)生的累積誤差，計算出的結(jié)果經(jīng)過復(fù)核后便可導(dǎo)入測量系統(tǒng)內(nèi)，作為指導(dǎo)掘進施工的依據(jù)。

UNS-GNS測量系統(tǒng)在施工現(xiàn)場中的安裝情況，在始發(fā)井中選擇一個相對不受外界環(huán)境影響的地方安裝HWL基準(zhǔn)傳感器、HWL補償水箱、液體流體靜力水準(zhǔn)儀及長度編碼器，而井下盾構(gòu)設(shè)備上將安裝陀螺儀和HWL高度傳感器?；鶞?zhǔn)傳感器與高度傳感器硬件其實是相同的，其區(qū)別在于其CAN-BUS地址不一樣，它們之間通過HWL連續(xù)軟管連接至補償水箱及靜力水準(zhǔn)儀，通過靜力水準(zhǔn)儀測算出盾構(gòu)高程。長度編碼器設(shè)置在始發(fā)井內(nèi)的管子上，其用于測量已插入管件的當(dāng)前長度，即隧道里程測量。而陀螺儀作為核心部件，與SLS-T測量系統(tǒng)一樣安裝在盾尾靠近管片拼裝機的地方，通過測定真北方向的作用，測算出方位角。

UNS-GNS測量系統(tǒng)操作同樣通過安裝在中控室的觸屏電腦，選擇可視化系統(tǒng)上的對應(yīng)選項完成相應(yīng)的操作。但相對SLS-T測量系統(tǒng)的操作界面更簡單，較數(shù)據(jù)化，不夠形象。UNS-GNS測量系統(tǒng)優(yōu)點在于長距離方向控制和快速運動物體，缺點是僅對方向控制提供參考、精度偏低、需定時歸零、操作較繁復(fù)、不給定三坐標(biāo)量（X、Y、H），對推進只起到有限的參考作用。

3.3 盾構(gòu)姿態(tài)方面

3.3.1 直線段姿態(tài)對比

通過對220千伏航云輸變電電力隧道（第二標(biāo)段）中BDK1+200～BDK1+300與220千伏犀牛站電纜隧道工程中DK0+219～DK0+319的100m直線段盾構(gòu)姿態(tài)進行對比。

從以上兩表比對分析，航云2標(biāo)隧道171環(huán)剛從轉(zhuǎn)彎半徑R=600m右轉(zhuǎn)彎段轉(zhuǎn)出進入直線段，SLS-T測量系統(tǒng)人工復(fù)測盾構(gòu)水平姿態(tài)偏差為4mm，而犀牛隧道163環(huán)同樣剛從轉(zhuǎn)彎半徑R=160m的左轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)出進入直線段，UNS-GNS測量系統(tǒng)人工復(fù)測水平姿態(tài)出現(xiàn)71mm的偏差，而當(dāng)兩隧道完全進入直線段后，SLS-T測量系統(tǒng)與UNS-GNS測量系統(tǒng)水平、垂直偏差均基本維持在20mm以下。據(jù)此可以判斷，SLS-T測量系統(tǒng)在剛轉(zhuǎn)出轉(zhuǎn)彎段時精度較UNS-GNS測量系統(tǒng)高，而當(dāng)進入直線段后，兩測量系統(tǒng)在水平、垂直姿態(tài)精度方面差別不大，與陀螺儀在長距離方向控制優(yōu)點上相吻合。

3.3.2 轉(zhuǎn)彎段姿態(tài)對比

通過對220千伏航云輸變電電力隧道（第二標(biāo)段）中BDK1+300～BDK1+420轉(zhuǎn)彎半徑R=600m右轉(zhuǎn)彎與220千伏犀牛站電纜隧道工程中DK0+430～DK0+480轉(zhuǎn)彎半徑R=200m左轉(zhuǎn)彎盾構(gòu)姿態(tài)進行對比。

從以上兩表比對分析，航云2標(biāo)隧道BDK1+300～BDK1+420為轉(zhuǎn)彎半徑R=600m右轉(zhuǎn)彎，在轉(zhuǎn)彎過程中SLS-T測量系統(tǒng)顯示的盾構(gòu)水平、垂直姿態(tài)偏差基本維持在20mm以下，控制精度較高，但在短短的120m轉(zhuǎn)彎段內(nèi)搬站次數(shù)達到10次，平均每12m搬站一次，每次搬站耗時在1個小時左右，增加了轉(zhuǎn)站過程中的累積誤差，局限了盾構(gòu)掘進速度的提高，相對來說工作效益不會太明顯。同時受限于全站儀測量激光只能通過直線轉(zhuǎn)播因素，在電力隧道普遍直徑為4.3m的情況，必須對臺車、風(fēng)管進行改造，讓測量光路形成通視；但當(dāng)盾構(gòu)掘進至轉(zhuǎn)彎段時由于轉(zhuǎn)彎趨勢的影響，管片必然形成弧度而遮擋了測量激光，這時就必須采取搬站的措施重新形成通視，轉(zhuǎn)彎半徑越小，需要重新搬站的次數(shù)就越多；而且當(dāng)盾構(gòu)掘進速度較快的時候，由于搬站頻率過高，有時候會出現(xiàn)搬站跟不上掘進，造成一段時間的盲推，這也造成了航云2標(biāo)在轉(zhuǎn)彎段里程的偏差。

犀牛隧道DK0+430～DK0+480為轉(zhuǎn)彎半徑R=200m左轉(zhuǎn)彎，在轉(zhuǎn)彎過程中UNS-GNS測量系統(tǒng)在378環(huán)出現(xiàn)了-57mm的偏差，在401環(huán)轉(zhuǎn)彎變化最大的DK0+458.490出現(xiàn)了-108mm的偏差，極不利于對盾構(gòu)掘進姿態(tài)的控制，但當(dāng)加強對陀螺儀系統(tǒng)的人工復(fù)測工作后，測量系統(tǒng)偏差可以維持在±10mm以內(nèi)，可以滿足掘進控制的要求，同時由于UNS-GNS系統(tǒng)對里程的測算方式不同于SLS-T系統(tǒng)，所以里程上的偏差基本為零。

4 小結(jié)

綜上所述，SLS-T測量系統(tǒng)具有測量精度高，操作簡單，計算便捷的特點，但是卻受限于空間中通視情況。而UNS-GNS測量系統(tǒng)則具有直線段精度高，而轉(zhuǎn)彎段精度稍差的特點，但是由于陀螺儀與全站儀測量原理的不同，減少了轉(zhuǎn)站過程中的累積誤差，當(dāng)隧道里程越長的時候，相比全站儀卻有著更好的測量成果。對于如地鐵等對轉(zhuǎn)彎半徑及盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制精度要求較高，且開挖面較大的隧道，適合使用SLS-T測量系統(tǒng)，理由是SLS-T測量系統(tǒng)對盾構(gòu)姿態(tài)無論在直線段、轉(zhuǎn)彎段的控制精度較高，且地鐵等開挖面較大的隧道也能更好讓全站儀有更好的測量環(huán)境和空間。而如電力隧道等對轉(zhuǎn)彎半徑及盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制精度要求較低，且開挖面較小、轉(zhuǎn)彎較多的隧道來說，更適合采用UNS-GNS測量系統(tǒng)。但是在施工過程中，同樣建議承包商在使用陀螺儀測量系統(tǒng)的時候，采用朝北精度達到±1.7mrad以上的陀螺儀，以達到更好的控制效果。

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