頂管施工動態測量實時控制可視化系統的研究開發

郭志丹，李奇

(河南省中緯測繪規劃信息工程有限公司，河南焦作 454000)

1 概述

隨著城市建設的大規模發展，城區內需要敷設的各種大口徑管道越來越多。而其中的主要困難是敷設管道需經過人口稠密區或大型建筑物、構筑物及支流小河等。所以非開挖敷設管道技術——頂管法施工在近年得到廣泛的應用。頂管施工技術的優勢:①不開挖地面，能穿越公路、鐵路、河流，甚至可以在建筑物底下穿過，是一種安全有效地進行環境保護的施工方法;②頂管施工管道的上部土層未經擾動，管道的管節端不易產生段差變形，管材壽命大于開挖埋管施工的管材;③采用房下頂管施工方法能節約大筆征地拆遷費用，減少動遷用房，縮短了管線長度。頂管施工使用較多的是刃口推進技術，刃口推進技術又稱手掘式頂管施工技術，管徑一般在800 mm～3000 mm。該技術設備投入少，工藝簡單，工期短，小型施工企業即可完成。如北京清河污水干線;西安咸陽機場，廣州、杭州、福州、武漢等地都有頂管施工的實例。

頂管工程的測量精度的高低決定了管道方向的準確與否，直接關系到整個工程的成敗。為確保非開挖式管道工程施工的質量，提高施工效率，降低工程成本，結合頂管刃口推進法工程施工技術的特點，我們研究開發了基于獨立坐標系下的“頂管施工動態測量實時控制可視化系統”。該系統包含數據采集、數據處理、精度分析、可視化程序開發四個部分。

“頂管施工動態測量實時控制可視化系統”，采用獨立坐標系下一站式實時動態中線方向和高程控制測量，儀器與便攜式電腦連接配以自行開發的數據處理軟件相結合(如圖1所示)，具備了以下功能:①全站儀直接獲取工具管頂部中心方向偏差和高程;②動態顯示工具管頂部中心軌跡，水平、高程限差邊界可視化;③預置偏差警示提示區間，頂進管距實時顯示;④便攜式電腦直接訪問全站儀數據庫自動獲取觀測數據，處理數據建立偏差分析數據庫，評定結果質量。

圖1 全站儀頂管測量控制系統示意圖

2 獨立坐標系下頂管施工動態測量實時控制可視化系統的要求

2.1 開發頂管施工動態測量實時控制可視化系統的目的

該系統是在平面直角獨立坐標系下，由全站儀、便攜式電腦、數據處理及可視化軟件組成系統。建立平面直角獨立坐標系是以方便求出頂管的方向、高程偏差為原則;利用全站儀實時測量頂管水平方向和管道中心標高，以保持管道的設計坡度始終滿足限差要求;利用便攜式電腦通過自行開發的軟件直接訪問全站儀的數據庫獲取實時測量數據，經計算機處理后可視化顯示出管道平面軌跡、高程方向的軌跡以及限差區間和界線，以便及時為施工人員提供管道的前進趨勢和修正數據。

2.2 開發頂管施工動態測量實時控制可視化系統的數學模型研究

(1)建立平面直角獨立坐標系

以全站儀安置處O點為獨立坐標系的坐標原點，設其坐標為O(0，0)，選擇O點至管道前進方向為X軸的正方向。過O點與X軸垂直的方向為Y軸，平面直角獨立坐標系如圖2所示。

圖2 平面直角獨立坐標系示意圖

(2)水平方向偏差函數模型

由于坐標系的X軸正方向正好與管道頂進的中心線設計方向重合，全站儀在O點安置儀器，輸入測站點的坐標O(0，0)，全站儀后視方向A點(管道中線設計方向上)后，即可確定管道的頂進方向(X軸)，此時，全站儀于管道中心實時觀測的任意一個點Pi的坐標值為(XPi，YPi)，任意點Pi的偏差△i實際就是該點的橫坐標YPi的觀測值，當YPi＞0時，說明管道中心右偏;當YPi＜0時，說明管道中心左偏;當YPi=0時，說明管道中心沒有偏差，如圖3所示。

圖3 頂管中心軌跡示意圖

(3)任意時刻頂進長度函數模型

由圖2可以看出，儀器安置點距工具管頂點在任意時刻的距離為Di(Xi)，任意時刻，棱鏡置于工具管頂端，在全站儀坐標測量功能狀態下，測量該點的坐標(X，Y)，根據縱坐標X可方便的求出該時刻管道實際頂進長度。

(4)高程偏差函數模型建立

全站儀實時測量管道工具管端部中心Pi點的坐標(Xi，Yi，Zi)，其中的 Zi即是測點 Pi的高程 Hi，如果將測站點O的儀器高改變，相當于將測站點的標志中心提高到了管道的中心線上，同時設該點的高程為零，則此時全站儀瞄準棱鏡在坐標測量模式下測得Pi點的高程Hi其實就是工具管端部棱鏡中心Pi與儀器安置點O處對應的管道中心兩點間的實際高差hO0Pi，見圖4。因為管道的坡度是已知的，所以，根據已知坡度;管道測點Pi和測站點O之間的水平距離Di(Xi)，計算出工具管端部棱鏡中心Pi與儀器安置點O處對應的管道中心兩點間的設計或稱理論高差hO0Pi，實際測的高差與設計高差的不符值就是我們所要求的高程偏差值。

圖4 高程控制示意圖

2.3 開發頂管施工動態測量實時控制可視化系統的精度分析

規范規定，在管道頂進施工之前，首先要確定管道在垂直和水平方向上與設計軌跡的允許偏差，在這一最大偏差的限制下，所鋪設的管道應滿足如下兩方面的要求:

(1)符合管道的既定功能要求。

(2)產生偏差的范圍內不能損壞到其他的建筑和設備。

一般情況下，頂管施工的允許偏差必須滿足表1所列出的具體要求。

頂管施工允許偏差表 表1

我們用南方NTS－360(2″級)全站儀測試，得到以下結果:

當頂進長度 Xi(Di)分別取值 60 m、80 m、…180 m時，中線方向偏差中誤差和高程偏差中誤差分別為表2和表3。

頂管施工中線方向偏差表 表2

頂管施工高程方向偏差表 表3

通過以上精度分析表明，采用該儀器對于中線方向上以及管底高程方向上的偏差控制，在頂進距離為180 m時，中線方向偏差中誤差以及高程方向偏差中誤差均能滿足限差要求。

3 頂管施工動態測量實時控制可視化系統的開發

3.1 系統開發工具

頂管施工動態測量實時控制可視化系統使用VB.NET的語言編寫，使用的開發工具Visual Studio.NET 2008是當前流行的先進開發工具。數據庫使用關系型數據庫管理系統Microsoft Access 2007。

3.2 系統總體框架圖(見圖5)

圖5 系統總體框架圖

3.3 系統數據庫設計

(1)數據庫結構描述

①工程屬性表。用來存儲工程的屬性信息，包括工程名稱，作業單位，地點，時間，模式基本信息。

②角度測量表、平距測量表、斜距測量表。用來存儲作業過程中所獲取的各種測角數據、平距信息以及斜距信息。

③坐標測量表。用來存儲工程作業模式為坐標測量的時候，作業過程中所設置的基本參數以及作業中由全站儀測得的各種坐標數據和經過程序處理分析后得到的數據。

(2)數據存儲流程(見圖6)

圖6 系統存儲流程圖

4 系統實施過程

在Windows系統下，首先安裝.NET Framework 2.0作為本系統的運行環境，然后安裝頂管施工動態測量實時控制可視化系統，安裝完畢后啟動程序——頂管施工動態測量實時控制.exe。在作業前的準備工作中，需檢查全站儀的通訊參數以及端口連接是否與程序一致，并依據《頂管施工技術及驗收規范》設置相關數據進行初始化計算，包括已知測量數據和作業規范限差等。

4.1 工程管理

在系統的第一部分，是關于工程的管理，若是打開已經存在的工程數據庫文件，在測量菜單中選擇坐標測量，程序會自動將根據數據展現出圖形，然后進行全站儀測量了。

4.2 工程設置

在工程設置中，可以修改當前工程的各種屬性信息，例如作業單位，作業地點，作業模式等。另外，若當前作業模式為坐標測量模式，則提供了設置和修改作業參數的功能，如圖7所示。

圖7 工程參數設置界面

4.3 全站儀動態測量

在對當前的工程各項設置完成后，可以進行對應的實時測量，所測得的數據都會動態的存儲在數據庫中，并且坐標測量模式下，對數據進行了分析處理，如果是數據達到警示區，則會彈出對應的提示對話框進行提示，并且以圖形+數據的形式展示結果，如圖8所示。

圖8 水平及高程偏差預警界面

4.4 回歸預測

回歸預測功能將在已經測得的數據基礎上，根據輸入的點數n從最后一個數據向前推進n個數據來建立回歸方程。然后再根據輸入的下一個點的X坐標值，來預測出下一個點的中線偏差以及高程偏差并顯示出來，如圖9所示。

圖9 預測結果

4.5 數據修改及打印

在本系統中，數據結果保存在Access數據庫中，我們可以在作業結束后，用Access打開工程文件。數據庫中的坐標測量表里存儲了作業過程中的數據，雙擊打開可以瀏覽及修改數據，也可以通過文件菜單中的打印選項直接將數據表打印出來。

4.6 系統幫助

在該模塊中提供了對該系統的使用方面的一些說明和注意事項。其中包括作業參數的設置說明以及系統運行流程，以及對數據庫的后期脫離系統使用方法。

5 總結

頂管施工測量動態控制可視化系統主要針對城市市政工程建設中，大口徑中短距離地下管道非開挖頂管施工時所進行的測量控制所做的開發研究。該系統基于獨立坐標系下，因此其X、Y、Z坐標分別是工具管頂部中心距離儀器的平距、水平方向偏差及高程，配以計算機實時處理，可視化軌跡及限差邊界，使工作人員能直觀、準確、及時地進行偏差修正;同時預置限差警示區間提示功能可以使工作人員根據施工限差預設警示臨界值，根據達到警示臨界值的警示信號，提前掌握管道頂進的偏差趨勢，提前進行預防性修正;實時建立回歸方程，定量預測偏差發展趨勢，使提前制定的糾偏措施更具體、更完善。該系統已經通過河南省科學技術廳鑒定并頒發證書。

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