棱鏡鉛垂裝置與頂管自動導(dǎo)向系統(tǒng)在頂管施工中的應(yīng)用

呂 磊

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

隨著頂管施工工藝的不斷成熟和完善，加之頂管工藝能夠在較深地層中施工，因而廣泛運(yùn)用于進(jìn)行市政排管、電廠取排水排管等的施工，以確保施工的高效率及施工過程的安全。頂管工程均具有管徑多變、管材多樣、設(shè)計(jì)線性多變等顯著特點(diǎn)。

頂管施工過程中，如何確定頂管機(jī)實(shí)時的空間位置以及引導(dǎo)頂管機(jī)沿設(shè)計(jì)軸線開挖，是非常重要的，這對頂管最終是否能夠順利貫通產(chǎn)生直接影響[1-3]。

本文以上海周鄧公路污水干管完善工程為背景，詳細(xì)介紹了一種安裝于頂管機(jī)內(nèi)，使測量目標(biāo)棱鏡始終保持鉛垂的裝置，該裝置與頂管自動導(dǎo)向系統(tǒng)配合使用，能夠高效地獲取頂管機(jī)實(shí)時的空間位置，從而對頂管軸線進(jìn)行高精度的控制，取得了很好的效果。

1 棱鏡鉛垂裝置概述

棱鏡鉛垂裝置是安裝在頂管機(jī)（圖1）內(nèi)用于安置測量目標(biāo)的裝置。在施工過程中，因頂管機(jī)旋轉(zhuǎn)角過大，會造成測量結(jié)果存在一定誤差，以及因頂管機(jī)內(nèi)部空間狹小而較難獲取測量通視窗口最大化等問題。為解決上述問題，提出并設(shè)計(jì)了棱鏡鉛垂裝置，該裝置能有效提高測量結(jié)果的精度，獲取最大化的測量通視窗口。

圖1 頂管機(jī)示意

目前，在頂管施工測量中，通常將測量目標(biāo)（棱鏡或靶牌）直接安裝于頂管機(jī)內(nèi)部的中心位置，通過人工測量或自動測量直接獲取頂管機(jī)的空間位置，指導(dǎo)掘進(jìn)。在實(shí)際施工中，由于頂管機(jī)的多樣性、內(nèi)部空間狹小等問題，無法直接將測量目標(biāo)安裝于頂管機(jī)中心位置，只能將測量目標(biāo)平移一個位置進(jìn)行測量，將目標(biāo)平移量結(jié)合目標(biāo)測量結(jié)果推算頂管機(jī)中心空間位置；當(dāng)頂管機(jī)產(chǎn)生較大的旋轉(zhuǎn)角時，測量目標(biāo)的平移量會發(fā)生變化，且變化量與旋轉(zhuǎn)角的大小和旋轉(zhuǎn)方向均有關(guān)系，對測量結(jié)果會造成較大的影響。實(shí)踐證明，在頂管施工中，頂管機(jī)大概率會出現(xiàn)較大旋轉(zhuǎn)角的情況，且超過傾斜傳感器的測量范圍，因此，過大的旋轉(zhuǎn)角會給測量結(jié)果帶來較大的誤差。有些測量目標(biāo)雖然安裝在頂管機(jī)中心位置，但其位置在頂管機(jī)糾偏段的后方，當(dāng)糾偏油缸開啟后，會導(dǎo)致測量目標(biāo)中心偏離頂管機(jī)軸線，對測量結(jié)果有較大影響，且會造成糾偏動作滯后和偏離軸線較大的情況，影響頂管施工質(zhì)量。

1.1棱鏡鉛垂裝置

針對上述問題，研究如何在不同的頂管機(jī)內(nèi)合理地安置測量目標(biāo)，且能夠給施工測量有更多的靈活空間和可選擇性，從而有效提高測量結(jié)果的精度及工作效率。

棱鏡鉛垂裝置，是利用重力原理，使其無論在頂管機(jī)如何旋轉(zhuǎn)的情況下，始終保持鉛垂?fàn)顟B(tài)。由于測量目標(biāo)棱鏡始終保持鉛垂?fàn)顟B(tài)，從而使安置于棱鏡鉛垂裝置上的目標(biāo)棱鏡始終與頂管機(jī)的相對位置關(guān)系保持不變；或是通過一定的測量方法精確獲取測量目標(biāo)棱鏡的位移量，得出頂管機(jī)偏離軸線值。

棱鏡鉛垂裝置主要由3部分組成，分為中心核心裝置、上部連接桿和下部連接桿。

中心核心裝置：由一個可360°自由旋轉(zhuǎn)的機(jī)械軸承和一個軸承套構(gòu)成。將機(jī)械軸承安裝于經(jīng)特殊加工的軸承套內(nèi)，軸承套上、下兩對稱點(diǎn)處預(yù)留接力孔，用于和上、下部連接桿進(jìn)行連接（圖2）。

圖2 中心核心裝置示意

上部連接桿：與中心核心裝置連接，上部連接桿設(shè)計(jì)為帶刻度可伸縮式，從而使棱鏡鉛垂裝置可適用于不同管徑的頂管機(jī)，有效解決因頂管機(jī)內(nèi)空間狹小造成的測量視線通視等問題。測量目標(biāo)棱鏡安裝于連接桿最上部（圖3）。

圖3 上部連接桿示意

下部連接桿：與中心核心裝置連接，最下部懸掛重錘，懸掛的重錘需選用質(zhì)量大于上部質(zhì)量的重錘，以達(dá)到裝置始終處于鉛垂?fàn)顟B(tài)的目的（圖4）。

圖4 目標(biāo)鉛垂裝置組裝示意

1.2棱鏡鉛垂裝置安裝位置的選擇

由于頂管機(jī)的多樣性，棱鏡鉛垂裝置安裝位置的選擇，在很大程度上取決于頂管機(jī)切屑刀盤驅(qū)動馬達(dá)的個數(shù)。常見的有雙驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)、三驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)和單驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)。對于不同的頂管機(jī)，棱鏡鉛垂裝置安裝的位置及測量方法均存在差異。

1.2.1 棱鏡鉛垂裝置在雙驅(qū)動、三驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)中的安裝

對于雙驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)和三驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)，在頂管機(jī)始發(fā)之前，通過一定的測量方法可精準(zhǔn)確定頂管機(jī)軸線，根據(jù)頂管機(jī)內(nèi)空間大小，在頂管機(jī)糾偏段內(nèi)合適位置，根據(jù)確定的頂管機(jī)軸線，將棱鏡鉛垂裝置直接安裝于頂管機(jī)軸線上。

頂管機(jī)在施工過程中，無論怎樣旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)多少，安置于棱鏡鉛垂裝置上的測量目標(biāo)棱鏡始終保持鉛垂?fàn)顟B(tài)，從而保證了測量目標(biāo)棱鏡與頂管機(jī)軸線在平面和斷面上相對位置關(guān)系保持不變。

在雙驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)和三驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)中，棱鏡鉛垂裝置雖然均安裝在頂管機(jī)軸線上，但在測量通視窗口的利用上是不同的。在雙驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)中測量通視窗口可利用驅(qū)動馬達(dá)上部或下部的空間作為測量通視窗口；而在三驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)中，由于受驅(qū)動馬達(dá)安裝位置的影響，只可利用驅(qū)動馬達(dá)下部空間作為測量通視窗口。但無論選擇上部或下部作為測量通視窗口，利用棱鏡鉛垂裝置安置測量目標(biāo)棱鏡，均可達(dá)到在頂管機(jī)有限的空間范圍內(nèi)，使測量通視窗口最大化的目的（圖5）。

圖5 目標(biāo)鉛垂裝置安裝示意一

1.2.2 棱鏡鉛垂裝置在單驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)中的安裝

在單驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)中，由于驅(qū)動馬達(dá)安裝的位置占據(jù)了頂管機(jī)糾偏段的中心位置，而如果將棱鏡鉛垂裝置安裝至糾偏段后方，其造成的弊端在前文已做了詳細(xì)闡述。因而只能將棱鏡鉛垂裝置安裝至驅(qū)動馬達(dá)的兩側(cè)，且在安裝的數(shù)量上與雙驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)和三驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)有所區(qū)別。

雙驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)和三驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)只需在糾偏段中心部位安裝1個棱鏡鉛垂裝置，而在單驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)中，需要在驅(qū)動馬達(dá)的兩側(cè)分別安裝1個棱鏡鉛垂裝置。這樣安裝的目的，是為了精確獲取頂管機(jī)實(shí)時的旋轉(zhuǎn)角和旋轉(zhuǎn)方向，從而對測量目標(biāo)棱鏡的相對位置參數(shù)進(jìn)行修正，精確地獲取頂管機(jī)的實(shí)時空間位置。

在驅(qū)動馬達(dá)雙側(cè)安裝棱鏡鉛垂裝置，不只限于在單驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)中使用，同樣可適用于雙驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)和三驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)（圖6）。

圖6 目標(biāo)鉛垂裝置安裝示意二

對于不同的頂管機(jī)，棱鏡鉛垂裝置安裝位置的選擇均有所不同，但不限于某種頂管機(jī)或某個特定位置安裝。棱鏡鉛垂裝置的本質(zhì)是在有限空間內(nèi)使測量通視窗口最大化和為有效提高測量結(jié)果精度提供硬件上的支持。因而在選擇安裝位置時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況條件，選擇最佳的安裝位置。

2 頂管自動導(dǎo)向系統(tǒng)

頂管工程在施工中，實(shí)時獲取頂管機(jī)的空間位置是十分重要的，是引導(dǎo)頂管機(jī)沿設(shè)計(jì)軸線開挖及順利貫通的前提條件。傳統(tǒng)的人工測量方式，效率較低，尤其在曲線頂管施工中，若采用傳統(tǒng)的人工測量，單次測量就需要耗費(fèi)較多的時間，從而對施工進(jìn)度產(chǎn)生影響；若為保證施工進(jìn)度而減少測量的頻率，則會對施工質(zhì)量產(chǎn)生影響。

針對上述人工測量在頂管施工中的弊端，本著以人為本、保質(zhì)保量和提高測量精度的原則，設(shè)計(jì)了一種頂管自動導(dǎo)向系統(tǒng)。

2.1頂管自動導(dǎo)向系統(tǒng)的組成

1）帶伺服馬達(dá)的智能全站儀。智能全站儀具備自動搜尋和精確照準(zhǔn)目標(biāo)的功能，且支持?jǐn)?shù)據(jù)通信；用于數(shù)據(jù)的采集。

2）自動整平儀。自動整平儀具備自動整平的功能；安置于管內(nèi)中繼站上；可以對處于運(yùn)動狀態(tài)下的全站儀進(jìn)行自動整平。

3）目標(biāo)棱鏡。采用與所選智能全站儀配套棱鏡；目標(biāo)棱鏡分別安置于頂管機(jī)內(nèi)棱鏡鉛垂裝置上（用于獲取頂管機(jī)實(shí)時姿態(tài)）、智能全站儀上（目標(biāo)棱鏡中心與全站儀豎軸高度重合，用于坐標(biāo)、方位及高程的傳遞），以及頂管工作井內(nèi)起算邊后視點(diǎn)位上（用于方位的傳遞）。

4）通信裝置。采用無線電臺傳輸模式進(jìn)行通信；用于信號的傳輸。

5）頂管自動導(dǎo)向軟件。軟件為該系統(tǒng)的核心，采用VB編程語言開發(fā)；用于指令的下達(dá)、參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)的整合處理和結(jié)果的可視化等。

6）軟件操作平臺。軟件操作平臺可為筆記本“電腦”或工業(yè)“電腦”，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為常規(guī)的Windows系統(tǒng)；用于操作軟件及數(shù)據(jù)的存儲。

7）其他有關(guān)設(shè)備。包括相關(guān)電源設(shè)備，為操作計(jì)算機(jī)、儀器設(shè)備提供電源；“Y”線為儀器設(shè)備提供通信支持；RS232轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換接頭等。

2.2頂管自動導(dǎo)向原理概述

該頂管自動導(dǎo)向系統(tǒng)測量方法采用向管內(nèi)敷設(shè)導(dǎo)線的形式來實(shí)現(xiàn)。由設(shè)置在頂管工作井內(nèi)的起算點(diǎn)和起算方位，向管內(nèi)進(jìn)行坐標(biāo)及方位的傳遞，高程上采用三角高程方式進(jìn)行高程傳遞。為有效提高測量結(jié)果精度，數(shù)據(jù)采集采用測回法測角、往返測距測高差的形式進(jìn)行。

頂管施工中，由于管節(jié)是隨著頂管機(jī)一同向前的，因而設(shè)置在管內(nèi)的中繼站上，均增設(shè)自動整平儀，智能全站儀架設(shè)于自動整平儀上，智能全站儀的整平操作由自動整平儀自動完成，從而達(dá)到對頂管機(jī)實(shí)時測量，實(shí)時獲取頂管機(jī)空間位置的目的。

由于安置測量目標(biāo)的棱鏡鉛垂裝置在不同頂管機(jī)中安裝的位置不同，因而在最終結(jié)果計(jì)算的方式上也略有不同。

對于將棱鏡鉛垂裝置直接安裝于頂管機(jī)軸線上的，平面偏離值無需任何改正，直接將坐標(biāo)結(jié)果歸算至設(shè)計(jì)軸線上即可，高程上也只需在參數(shù)設(shè)置中加入一個高度平移量即可。

對于在頂管機(jī)兩側(cè)安裝棱鏡鉛垂裝置的，由于頂管機(jī)的旋轉(zhuǎn)，會造成棱鏡鉛垂裝置與頂管機(jī)軸線相對關(guān)系發(fā)生變化，因而在最終結(jié)果計(jì)算上，需要通過測量頂管機(jī)內(nèi)兩側(cè)棱鏡鉛垂裝置上安置的2個目標(biāo)棱鏡間的實(shí)時高差與初始高差之差，計(jì)算獲取頂管機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)方向。

通過獲取的頂管機(jī)的實(shí)時旋轉(zhuǎn)角和旋轉(zhuǎn)方向，對測量結(jié)果進(jìn)行二次修正，以達(dá)到最終的結(jié)果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的目的。棱鏡鉛垂裝置安裝的部位及數(shù)量雖然會在最終結(jié)果計(jì)算上略有差異，但所有計(jì)算均由頂管自動導(dǎo)向系統(tǒng)軟件自動完成。在實(shí)際運(yùn)用中，只需對相關(guān)參數(shù)設(shè)置正確即可。

3 工程實(shí)踐

3.1工程概況

周鄧公路污水干管完善工程主要建設(shè)內(nèi)容為污水排管工程。本項(xiàng)目沿周鄧公路敷設(shè)污水泵站進(jìn)水總管、污水干管工程及部分污水收集管網(wǎng)工程等，項(xiàng)目西至規(guī)劃周浦污水泵站，東至申江路。采用開槽埋管和頂管施工這2種方法進(jìn)行管道的敷設(shè)，其中頂管施工總長度為2 673.294 m，管徑分別為DN1 200、DN1 400和DN1 800，管材為玻璃鋼夾砂管。頂管平面最小曲率半徑為1 869.034 m，最大坡度0.1%。

頂管施工分別采用φ1 250 mm雙驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)、φ1 450 mm雙驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)和φ1 850 mm三驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)進(jìn)行頂管施工。

3.2工程實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果

本工程在頂管施工過程中，各頂管區(qū)間頂管機(jī)內(nèi)均安裝了棱鏡鉛垂裝置，曲線頂管及部分直線頂管施工中采用頂管自動導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行頂管施工導(dǎo)向。由于本工程涉及頂管區(qū)間較多，故以6#～7#井區(qū)間曲線頂管為例，對實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果加以展示。

6#～7#井區(qū)間總長度209.927 m，區(qū)間平面線性為曲線，曲率半徑（R）為1 869.034 m，坡度0.1%，管徑為DN1 400玻璃鋼夾砂管，采用φ1 450 mm雙驅(qū)動馬達(dá)頂管機(jī)進(jìn)行頂管施工（圖7）。

圖7 6#～7#井頂管施工平面示意

本區(qū)間頂管施工主要難點(diǎn)在于頂管管徑較小、全程為曲線頂進(jìn)，因而在頂管施工過程中，對于頂管機(jī)實(shí)時空間位置的掌握顯得尤為重要，測量數(shù)據(jù)提供不及時，很可能會造成頂管機(jī)軸線偏差較大，影響施工質(zhì)量。

本區(qū)間頂管施工前，通過一定的測量方法對頂管機(jī)軸線進(jìn)行精確測量，獲取頂管機(jī)軸線數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況，在頂管機(jī)糾偏段內(nèi)將棱鏡鉛垂裝置安裝于頂管機(jī)軸線上，利用頂管機(jī)上部空間作為測量通視窗口，安置于棱鏡鉛垂裝置上的目標(biāo)棱鏡中心距離頂管機(jī)軸線高差調(diào)節(jié)至0.3 m處。頂管施工過程中采用頂管自動導(dǎo)向系統(tǒng)獲取頂管機(jī)實(shí)時的空間位置，并取得良好的效果。

頂管施工過程中，自動導(dǎo)向系統(tǒng)對頂管機(jī)的空間位置進(jìn)行實(shí)時測量，采集的數(shù)據(jù)量較大，因而此處取點(diǎn)間隔約為10 m的軸線偏差值予以展示。

由圖8可知，平面最大軸線偏差為－32 mm，高程最大偏差為＋33 mm。為充分驗(yàn)證自動導(dǎo)向系統(tǒng)的精度，在頂管頂進(jìn)約105 m及170 m時，采用人工測量的方式對頂管機(jī)空間位置進(jìn)行檢核。經(jīng)人工檢核，頂管自動導(dǎo)向系統(tǒng)精度良好。

圖8 頂管施工中偏離軸線值

在6#～7#井區(qū)間頂管施工過程中，頂管機(jī)碰到了廢棄的拖拉管線，造成了頂管機(jī)較為嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)。棱鏡鉛垂裝置在這樣的工況中，充分發(fā)揮了作用，使測量工作得以順利進(jìn)行，并有效保證了測量結(jié)果的精度。

4 結(jié)語

在周鄧公路污水干管完善工程實(shí)踐中，棱鏡鉛垂裝置有效解決了由頂管機(jī)旋轉(zhuǎn)帶來的測量誤差問題，以及由頂管機(jī)內(nèi)空間狹小造成的測量窗口通視問題。工程實(shí)踐中，更是展現(xiàn)了頂管自動導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性。兩者相互配合使用，更能起到良好的效果，尤其在小管徑的曲線頂管中，其優(yōu)勢更加明顯和突出。棱鏡鉛垂裝置和頂管自動導(dǎo)向系統(tǒng)的配合使用，在提高測量結(jié)果精度的同時，還能將測量人員從繁雜的施工測量工作中抽離出來，讓測量人員有更多的精力投入到控制測量中去，對提高工程質(zhì)量起到積極作用。