利用兩棱鏡測(cè)量方法提高測(cè)量成果精度在盾構(gòu)施工自動(dòng)導(dǎo)向中的應(yīng)用

錢(qián)美剛

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

隨著近些年來(lái)盾構(gòu)設(shè)備制造業(yè)的飛速發(fā)展，現(xiàn)階段幾乎所有盾構(gòu)機(jī)供貨服務(wù)商，均能夠給予采購(gòu)方一站式服務(wù)，其中就包括了盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)服務(wù)。目前市場(chǎng)上主流的盾構(gòu)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)，主要分為激光法自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)和棱鏡法自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)，這2種不同原理的自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)在盾構(gòu)施工中均得到了大量的運(yùn)用，并獲得了廣大用戶(hù)的認(rèn)可。而隨著盾構(gòu)施工工藝的不斷完善和提升，以及測(cè)繪技術(shù)和測(cè)繪裝備的不斷發(fā)展與更新，施工人員對(duì)盾構(gòu)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)量成果精度以及測(cè)量成果的穩(wěn)定性提出了更高的要求[1-4]。

本文將結(jié)合工程實(shí)例，詳細(xì)闡述一種棱鏡法自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)通過(guò)改變常規(guī)兩棱鏡測(cè)量方法的方式，獲取盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)。通過(guò)成果數(shù)據(jù)對(duì)比分析，說(shuō)明此法能夠有效穩(wěn)定地提升盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)的精度以及成果的穩(wěn)定性，滿(mǎn)足施工人員對(duì)盾構(gòu)實(shí)時(shí)姿態(tài)高精度及高穩(wěn)定性的要求，順應(yīng)了測(cè)繪技術(shù)及測(cè)繪裝備發(fā)展和更新的潮流。

1 兩棱鏡測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)方案

1.1 兩棱鏡安裝位置設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的棱鏡法自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)是在盾構(gòu)機(jī)殼體內(nèi)部安裝3個(gè)目標(biāo)棱鏡：前端設(shè)置2個(gè)目標(biāo)棱鏡，后端設(shè)置1個(gè)目標(biāo)棱鏡。實(shí)時(shí)姿態(tài)的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)測(cè)量3個(gè)目標(biāo)棱鏡中任意2個(gè)目標(biāo)棱鏡的三維坐標(biāo)，并結(jié)合各個(gè)目標(biāo)棱鏡與盾構(gòu)機(jī)相對(duì)獨(dú)立的關(guān)系，以及盾構(gòu)機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)角，計(jì)算盾構(gòu)機(jī)切口及其盾尾的三維坐標(biāo)，并將其歸算至設(shè)計(jì)軸線(xiàn)上，獲取盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)的切口（盾尾）里程、平面偏離值和高程偏離值，指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)按設(shè)計(jì)軸線(xiàn)掘進(jìn)。

通過(guò)對(duì)大量盾構(gòu)施工測(cè)量實(shí)踐的分析發(fā)現(xiàn)，安裝于后端的目標(biāo)棱鏡，由于下方是吊運(yùn)襯砌環(huán)的吊裝設(shè)備，在襯砌環(huán)吊運(yùn)的過(guò)程中，安裝于后端的目標(biāo)棱鏡始終處于一個(gè)變化的狀態(tài)（即與盾構(gòu)機(jī)相對(duì)關(guān)系不夠固定），如果安裝于后端的目標(biāo)棱鏡參與了最終的計(jì)算，獲取的最終姿態(tài)成果，必然存在一定的誤差。

盾構(gòu)機(jī)殼體前端的2個(gè)目標(biāo)棱鏡通常都是安裝于盾構(gòu)機(jī)的加強(qiáng)環(huán)部位，安裝于此部位的2個(gè)前端目標(biāo)棱鏡，均穩(wěn)定牢固。在非人為移動(dòng)的情況下，其與盾構(gòu)機(jī)相對(duì)關(guān)系固定，滿(mǎn)足棱鏡法自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)棱鏡安裝的位置要求。

綜上所述，采用棱鏡法導(dǎo)向原理獲取盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)，并通過(guò)改變兩棱鏡常規(guī)的測(cè)量方法可實(shí)現(xiàn)提高盾構(gòu)自動(dòng)導(dǎo)向精度的目標(biāo)。2個(gè)目標(biāo)棱鏡均安裝至盾構(gòu)機(jī)加強(qiáng)環(huán)的部位，取消盾尾后端的目標(biāo)棱鏡。為方便目標(biāo)棱鏡的安裝與拆卸，以及重復(fù)使用及經(jīng)濟(jì)的目的，棱鏡選用L形棱鏡（圖1）。

圖1 L形棱鏡示意

1.2 兩棱鏡測(cè)量方法設(shè)計(jì)

兩棱鏡測(cè)量方法的設(shè)計(jì)為本自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，其測(cè)量方法設(shè)計(jì)直接關(guān)系到最終的成果數(shù)據(jù)精度是否得到有效提高。

常見(jiàn)的棱鏡法自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)，都是通過(guò)測(cè)量3個(gè)目標(biāo)棱鏡中的任意2個(gè)，從而獲取盾構(gòu)實(shí)時(shí)姿態(tài)，上文已提到，如果測(cè)量了后端不穩(wěn)定的目標(biāo)，會(huì)給測(cè)量成果帶來(lái)一定的誤差；而如果只通過(guò)測(cè)量安裝于前端的2個(gè)穩(wěn)定的目標(biāo)棱鏡，理論上，其獲取的成果精度高于前者。但實(shí)際施工中，我們更多的是要獲取盾構(gòu)機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)，而盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)處于一個(gè)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，從而導(dǎo)致2個(gè)目標(biāo)棱鏡在采集數(shù)據(jù)時(shí)并不同步，采集到的數(shù)據(jù)不是在同一狀態(tài)下的數(shù)據(jù)成果，這將直接造成獲取的盾構(gòu)實(shí)時(shí)姿態(tài)成果存在一定的誤差。因而如何消除或降低2個(gè)目標(biāo)棱鏡因獲取的數(shù)據(jù)不同步而造成的實(shí)時(shí)姿態(tài)成果誤差，將是兩棱鏡測(cè)量方法設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

為有效控制上述誤差，在本次設(shè)計(jì)中，擬通過(guò)對(duì)其中1個(gè)目標(biāo)棱鏡進(jìn)行雙觀(guān)測(cè)，通過(guò)雙觀(guān)測(cè)值進(jìn)行線(xiàn)性?xún)?nèi)插，獲取雙觀(guān)測(cè)目標(biāo)中間時(shí)段的測(cè)量成果數(shù)據(jù)，與另一個(gè)目標(biāo)棱鏡采集到的數(shù)據(jù)一起參與最終的實(shí)時(shí)姿態(tài)計(jì)算。

安裝于前端的2個(gè)目標(biāo)棱鏡，分別編號(hào)為1號(hào)和2號(hào)，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，2個(gè)目標(biāo)棱鏡均處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。自動(dòng)測(cè)量開(kāi)啟后，先測(cè)量1號(hào)目標(biāo)棱鏡，獲取1號(hào)目標(biāo)棱鏡數(shù)據(jù)，再測(cè)量2號(hào)目標(biāo)棱鏡，獲取2號(hào)目標(biāo)棱鏡數(shù)據(jù)，再次測(cè)量1號(hào)目標(biāo)棱鏡，第2次獲取1號(hào)目標(biāo)棱鏡數(shù)據(jù)，這樣1號(hào)目標(biāo)棱鏡就有了2個(gè)測(cè)量成果數(shù)據(jù)，將這2次測(cè)量成果數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性?xún)?nèi)插，獲取2次測(cè)量成果中間時(shí)段的數(shù)據(jù)。由于盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)基本上為勻速掘進(jìn)，采用這樣的測(cè)量方法，通過(guò)線(xiàn)性?xún)?nèi)插獲得的1號(hào)目標(biāo)棱鏡數(shù)據(jù)和2號(hào)目標(biāo)棱鏡數(shù)據(jù)基本為同一狀態(tài)的數(shù)據(jù)，有效提高了盾構(gòu)實(shí)時(shí)姿態(tài)的成果數(shù)據(jù)。

2 兩棱鏡測(cè)量方法自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方案

兩棱鏡測(cè)量方法自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)主要是在原自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行功能和性能上的改進(jìn)和提升。

2.1 自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)主要構(gòu)成

1）操作電腦：自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)操作電腦為常規(guī)使用筆記本電腦或工業(yè)電腦，用于軟件的安裝以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等，對(duì)電腦操作系統(tǒng)無(wú)特殊要求，均為常規(guī)Windows操作系統(tǒng)。

2）自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)軟件：軟件為自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的核心，用于自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)指令的下達(dá)、數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)的處理、成果可視化等（圖2、圖3），利用VB語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

圖2 軟件界面

圖3 相關(guān)參數(shù)設(shè)置界面

3）通信裝置：通信裝置采用無(wú)線(xiàn)電臺(tái)模式，通信模塊分中心模塊和次級(jí)模塊。中心模塊和次級(jí)模塊分別采用RS232串口與操作電腦和測(cè)量?jī)x器連接（圖4）。

圖4 通信模塊

4）具備自動(dòng)搜尋及精確照準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡的智能型全站儀；用于目標(biāo)間關(guān)系的測(cè)量，如：水平角、垂直角、斜距等。

5）雙軸傳感器：安裝于盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部，用于采集盾構(gòu)機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)角，即旋轉(zhuǎn)角和仰俯角。

6）其他相關(guān)設(shè)備：如 Y 線(xiàn)，用于智能型全站儀與次級(jí)模塊的連接；目標(biāo)棱鏡，用于數(shù)據(jù)采集的測(cè)量目標(biāo)；相關(guān)電源設(shè)備，為操作電腦、儀器、模塊等提供電源。

2.2 兩棱鏡自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)原理概述

1）通信連接測(cè)試與數(shù)據(jù)庫(kù)的建立將中心模塊通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與操作電腦連接，智能型全站儀通過(guò) Y 線(xiàn)與次級(jí)模塊連接，并提供電源。

連接完成，在操作電腦上打開(kāi)安裝完成的自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)軟件，在軟件內(nèi)部完成數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于計(jì)劃的輸入，以及測(cè)量信息的存儲(chǔ)等。

數(shù)據(jù)庫(kù)建立完成后，在軟件內(nèi)完成相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，包括通信參數(shù)設(shè)置，如端口設(shè)置、通信方式設(shè)置等。然后進(jìn)行目標(biāo)棱鏡參數(shù)設(shè)置，設(shè)置目標(biāo)棱鏡與盾構(gòu)機(jī)相對(duì)獨(dú)立的關(guān)系，以及綜合設(shè)置，如測(cè)站點(diǎn)和后視點(diǎn)的三維坐標(biāo)，盾構(gòu)與區(qū)間分界里程、測(cè)量間隔時(shí)長(zhǎng)等。相關(guān)參數(shù)設(shè)置完成后，通過(guò)軟件操作，進(jìn)行通信測(cè)試。通信測(cè)試失敗則可根據(jù)軟件自動(dòng)診斷提示，進(jìn)行相關(guān)的操作，直至通信測(cè)試成功。

2）兩棱鏡自動(dòng)導(dǎo)向原理的本質(zhì)是通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)的傳遞，獲取2個(gè)目標(biāo)棱鏡的三維坐標(biāo)，并結(jié)合2個(gè)目標(biāo)棱鏡與盾構(gòu)機(jī)的相對(duì)獨(dú)立關(guān)系，以及盾構(gòu)機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)角，解算獲取盾構(gòu)機(jī)切口（盾尾）的三維坐標(biāo)，并將其歸算至設(shè)計(jì)軸線(xiàn)上，獲取盾構(gòu)機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)。

智能全站儀架設(shè)于隧道頂部的吊籃上，大致對(duì)準(zhǔn)后視目標(biāo)，軟件內(nèi)點(diǎn)擊設(shè)站按鈕，由智能型全站儀精確搜尋后視目標(biāo)，并進(jìn)行測(cè)量，完成測(cè)站定向。

定向完成后，點(diǎn)擊測(cè)量按鈕，由智能全站儀自動(dòng)搜尋安裝于盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的2個(gè)目標(biāo)棱鏡并完成測(cè)量，測(cè)量順序?yàn)?號(hào)→2號(hào)→1號(hào)。1號(hào)目標(biāo)棱鏡測(cè)量成果取值根據(jù)第1次和第2次測(cè)量完成時(shí)間進(jìn)行線(xiàn)性?xún)?nèi)插，得到兩次中間時(shí)段成果數(shù)據(jù)作為最終取值，并與2號(hào)目標(biāo)棱鏡成果一同參與最終的實(shí)時(shí)姿態(tài)成果計(jì)算。

計(jì)算完成后將盾構(gòu)機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)顯示于自動(dòng)導(dǎo)向軟件界面，指導(dǎo)施工人員對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行糾偏，按設(shè)計(jì)軸線(xiàn)開(kāi)挖，直至最終的順利貫通。

3 工程實(shí)踐應(yīng)用

3.1 工程概況

江浦路越江隧道新建工程江中段盾構(gòu)區(qū)間分東、西雙線(xiàn)，西線(xiàn)隧道起始里程為WK1＋426.00，終止里程為WK0＋645.00，全長(zhǎng)781.00 m；東線(xiàn)隧道起始里程為EK1＋431.524，終止里程為EK0＋646.36，全長(zhǎng)785.17 m；隧道最大坡度5.00%，最小平面曲率半徑為600 m；隧道中設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道1座。

隧道施工采用2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)先后從浦東工作井出洞，穿越浦東防汛墻、黃浦江、浦西防汛墻后，到達(dá)浦西工作井進(jìn)洞，東線(xiàn)隧道掘進(jìn)采用φ11 580 mm小松泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，西線(xiàn)隧道掘進(jìn)采用φ11 630 mm鐵建重工泥水平衡盾構(gòu)機(jī)（圖5）。

圖5 隧道平面示意

3.2 工程實(shí)踐中的應(yīng)用及成果

江浦路越江隧道新建工程江中段盾構(gòu)區(qū)間工程，有2個(gè)顯著的特點(diǎn)，一是盾構(gòu)開(kāi)挖直徑較大，二是設(shè)計(jì)坡度較大。經(jīng)工程實(shí)踐證明，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，如果不能有效地消除或削弱目標(biāo)棱鏡測(cè)量不同步所帶來(lái)的誤差，不僅會(huì)對(duì)盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)產(chǎn)生影響，還會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)的不穩(wěn)定，產(chǎn)生實(shí)時(shí)姿態(tài)跳動(dòng)的情況，從而可能會(huì)給工程施工人員造成誤導(dǎo)，不利于工程質(zhì)量的控制。

在本工程實(shí)施過(guò)程中，在掘進(jìn)速度為3 cm和5 cm的工況下，分別采用了常規(guī)的兩棱鏡測(cè)量模式、新設(shè)計(jì)的兩棱鏡測(cè)量模式以及人工測(cè)量檢核這3種方法對(duì)盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量。

經(jīng)多次實(shí)踐證明，在新設(shè)計(jì)的兩棱鏡測(cè)量模式下獲取的盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)，同時(shí)滿(mǎn)足了有效提高測(cè)量精度和成果數(shù)據(jù)穩(wěn)定的要求。

但在對(duì)不同工況下獲取的實(shí)時(shí)盾構(gòu)姿態(tài)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的兩棱鏡測(cè)量模式獲取的實(shí)時(shí)盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)與新設(shè)計(jì)的兩棱鏡測(cè)量模式獲取的實(shí)時(shí)盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)以及人工檢核的姿態(tài)成果數(shù)據(jù)相比，還是存在一定的誤差，且與盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度成正比。而新設(shè)計(jì)的兩棱鏡測(cè)量模式獲取的實(shí)時(shí)盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)與通過(guò)人工檢核獲取的盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)相差較小，且在不同的工況下，成果差值相對(duì)穩(wěn)定。通過(guò)工程實(shí)踐證明新設(shè)計(jì)的兩棱鏡模式測(cè)量方法有效地提高了測(cè)量成果精度，且測(cè)量成果具有較高的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

在江浦路越江隧道新建工程江中段盾構(gòu)區(qū)間工程建設(shè)過(guò)程中以及東、西線(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，均采用了新設(shè)計(jì)的兩棱鏡模式的測(cè)量方法對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)向。實(shí)時(shí)獲取的盾構(gòu)姿態(tài)，經(jīng)多次檢核，測(cè)量成果穩(wěn)定，通過(guò)1號(hào)→2號(hào)→1號(hào)這種改進(jìn)的測(cè)量方法，有效地提高了測(cè)量成果精度，滿(mǎn)足施工人員對(duì)測(cè)量成果高精度及穩(wěn)定性的要求。

實(shí)時(shí)盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)量成果精度控制的提高，對(duì)指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)及成形隧道線(xiàn)形控制都具有積極的作用和意義，因而新設(shè)計(jì)的兩棱鏡模式測(cè)量的方法具有可推廣的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。