箱涵頂進置換管幕頂推過程自動測量技術研究*

潘國榮 宋蘊璞 李懷鋒 張 鵬

(1)同濟大學測量與國土信息工程系，上海 200092 2)同濟大學機械工程系，上海 200092 3)現代工程測量國家測繪局重點實驗室，上海200092)

箱涵頂進置換管幕頂推過程自動測量技術研究*

潘國榮1，3)宋蘊璞2)李懷鋒1)張 鵬1)

(1)同濟大學測量與國土信息工程系，上海 200092 2)同濟大學機械工程系，上海 200092 3)現代工程測量國家測繪局重點實驗室，上海200092)

結合上海金山既有鐵路下頂進公路箱涵工程，介紹以自動全站儀為主的智能導向系統的原理及關鍵技術。實用表明，該系統在實際施工中具有可靠性強、系統運行穩定、測量精度高的特點，可以在惡劣的施工環境中正常運行。

城市地下空間;立體交通;管幕置換;箱涵頂進;自動導向測量

1 引言

目前，在地下立體交通空間結構施工過程中，一直采用的是人工測量方法［1］，這不僅效率低，工作強度大，且精度難以提高。

為保證結構復雜的大型工程安全施工，迫切需要研究復雜條件下信息化測量技術。采用現代測量與定位信息化技術，可充分利用傳感器的自動化和高精度的特點，解決大型地下工程中的測量速度和精度技術難題，實現數據的自動采集、傳輸、處理和表達。現代測量與定位信息化技術主要包括計算機、測量機器人等，將它們集成開發，可自動完成測量周期、實時評價測量成果、實時顯示施工過程和趨勢，與測量數據庫管理系統相結合，可實現工程信息的現代化管理。

對此本文研究了復雜條件下工程測量與定位信息化技術，對復雜測量設備配套軟件功能進行開發，研制出的自動測量及測量數據可視化管理系統，將測量數據庫管理系統與復雜條件下自動測量技術相結合，解決了大型地下工程中的測量速度、精度等技術難題，實現了對工程施工進度、質量、安全的有效控制。

2 智能引導測量系統

2.1 控制系統的原理及硬件構成

箱涵頂進置換管幕頂推過程自動測量系統的定位原理是基于箱涵本身具有高度的整體性，故可將箱涵看成是一個剛體結構。如果在箱涵上測定不在同一直線上的3個空間點，根據3點可確定一個剛體在空間6個自由度的原理［2］，箱涵的空間位置就可以完全確定［3，4］。

箱涵頂進置換管幕頂推過程自動測量系統的硬件是由自動全站儀、無線電臺、電子計算機、棱鏡及其他通訊接口等組成(圖1)。

圖1 系統的硬件結構示意圖Fig.1 Sketch of the hardware structure of the system

自動全站儀通過RS232串口通訊線連接無線電臺;一對無線電臺通過RS232串口通訊線分別連接自動全站儀和電腦，每個還需要接通電源持續供電;測量計算機通過RS232串口通訊線連接無線電臺，利用測量系統實時控制自動全站儀;3個目標棱鏡需固定在箱涵上，不允許在箱涵頂推過程中位置出現相對移動。

箱涵頂進置換管幕頂推過程自動測量是采用自動全站儀作為數據采集傳感器，實時測定固定于箱涵上的三個目標棱鏡的空間點位坐標和角度方位信息;然后結合初始標定的目標棱鏡三維坐標，根據三維直角坐標轉換原理進行大角度非線性基準變換與處理，解算出箱涵首尾中心的三維坐標，與設計軸線對比，計算出箱涵首尾姿態偏差;最后將箱涵姿態偏差刷新顯示在軟件界面上，完成施工測量自動化。

2.2 軟件設計

系統軟件主要有3個功能模塊:顯示模塊、數據模塊和測量模塊。

1)顯示模塊

如圖2所示，主界面即是主要的顯示模塊，左邊是箱涵姿態顯示，右邊是歷史數據偏差軌跡顯示。

圖2 箱涵框架頂進系統的界面Fig.2 Interface of box culvert jacking system

2)數據模塊

數據模塊功能主要集中在“配置”和“查詢”兩個菜單。“配置”菜單主要是輸入設計數據和起始參數等信息，“查詢”菜單提供歷史偏差數據查詢和最近的一次箱涵特征點坐標值查詢。

3)測量模塊

測量模塊主要集中在“全站儀”菜單里，全站儀測量的一般過程為:連接儀器;設站測量;學習測量;自動測量(包括控制儀器轉動到指定位置，ATR自動搜索，瞄準，測量獲得數據)。另外，主界面左下方也提供了部分控制全站儀的快捷按鈕，包括連接儀器、學習測量、自動測量和后視檢核。

智能測量導向系統的軟件包括必要的控制器的驅動程序和測量控制、計算處理、入庫、顯示等;包括自動啟動全站儀功能，自動有規律地尋找目標棱鏡、自動地觀測目標及紀錄數據的功能，自動地傳輸觀測數據功能，自動地檢查、處理、計算及評定計算成果質量的功能，并以圖形或表格形式顯示或打印結果。軟件系統算法流程如圖3所示。

系統定時進行自動測量，完成對全站儀的實時控制。

圖3 系統軟件的運行流程Fig.3 Flow chart of the system software

3 精度分析

試驗中使用的智能全站儀測角精度為2″，測距精度為2+2 ppm。全站儀測算坐標的原理是根據測出的斜距、水平角和天頂距來計算的，公式為:

式中的xP、yP、zP為測站點的三維坐標，假定認為其不存在誤差，所以根據誤差傳播定律，得到三維坐標的誤差表達公式為:

在施工中，一般測距不超過150 m，令S=150 m;在實際工程環境中，水平角0°≤θ≤360°;而全站儀的安裝高度一般和棱鏡的安裝高度相似，而且箱涵頂進的坡度一般也不會很大，所以天頂距85°≤φ≤95°。

當φ=90°、θ=0°(θ=180°)或者當φ=90°、θ= 90°(θ=270°)時，存在最大的平面誤差為mh=± 2.5 mm，豎直方向存在最大誤差為mz=±1.5 mm。

4 工程應用實例

金山新建立交工程施工采用箱涵雙重置換管幕工法，該法具有將箱涵法和管幕法結合的優點，即利用頂管法在工程箱涵所在位置施工工具管，全斷面置換出土體，然后采用箱涵置換出工具管，最終通過雙重置換過程，完成地下通道工程。該工法的主要流程為:基坑開挖→閥板制作→箱涵框架制作→管節頂進→箱涵框架頂進→U型槽施工→附屬設施施工。其中管節頂進和箱涵框架頂進過程需要實時監控、做到信息化施工。對此，我們以管節、箱涵頂推全過程的有效監控為目標，重點研究管節頂進姿態、箱涵頂進姿態的引導與控制，實現管節、箱涵頂進精度滿足要求。

在管節與箱涵的施工中，采用了我們研發的配套系統進行實時導向監控。表1為某管節頂進開始部分偏差數據;表2為箱涵頂進中某一姿態的數據。

自動測量系統對箱涵推進姿態可進行快速跟蹤測量，系統每次測量3個特征點的時間不到一分鐘。在施工中，測定箱涵的偏差精度達到毫米級精度。系統可視化程度高，通過自動測量得到箱涵姿態偏差，不僅方便施工人員糾偏，而且其里程信息和偏差可實時傳遞到地面控制室，方便掌握施工進程。

采用智能測量導向系統對管節和箱涵進行實時糾偏，在超大箱涵不利控制的條件下最終使橫向誤差及縱向誤差控制在20 mm之內，從而保證了箱涵順利貫通到位。

5 結語

智能測量引導系統在金山鐵路與公路立體交叉實際工程的成功應用，充分體現出其優越性。這套系統具有如下明顯的優點:

1)運行穩定性較好，可適應地下惡劣的測量環境;

2)測量精度高，測定箱涵的偏差精度達到毫米級，實現控制箱涵貫通誤差厘米級［5］;

3)由于在系統運行的控制軟件中編寫了許多自動糾錯程序，系統容錯性能很好，自動化程度高，如管道中人員走動及物體阻斷測量視線雖會引起測量暫停，但計算機會顯示視線被擋的信息，提示被阻擋的地方，因此可很快排除障礙物，一旦障礙物排除，自動測量系統便可自動進行測量;

4)高度智能化。結合進一步的軟件開發，智能測量引導系統可以實現確保測量信息的可靠性，對施工過程的自動監測和評價，結合綜合分析結果自動反饋糾偏信息，并兼顧工程運行安全等多種因素提供最佳糾偏量，達到智能化的要求。

表1 某管節頂進開始部分偏差數據(單位：m)Tab.1 Deviation of a certain pipe jacking at the beginning (unit：m)

表2 箱涵頂進中某一姿態的數據(單位：m)Tab.2 An attitude data of Box culvert jacking(unit：m)

1 周文波.盾構法隧道施工技術及應用［M］.北京:中國建筑工業出版社，2004.(Zhou Wenbo.Shield tunneling technology［M］.Beijing:China Building Industry Press，2004)

2 潘國榮，周瑩，張德海.坐標轉換模型在盾構姿態計算中的應用［J］.大地測量與地球動力學，2006，(3):84-87.(Pan Guorong，Zhou Ying and Zhang Dehai.3D datum transformation model for determining orientation of shield in subway construction［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006，(3):84-87)

3 潘國榮，王穗輝.地鐵盾構施工中的若干測量手段及方法［J］.測繪通報，2001，(1):23-25.(Pan Guorong and Wang Suihui.Research on surveying methods in subway construction［J］.Bulletin of Surveying and Mapping，2001，(1):23-25)

4 潘國榮，車建仁.城市地鐵建設中的測量技術［J］.江西科學，2006，(4):205-208.(Pan Guorong and Che Jianren.The measurement-technology in the construction of subway［J］.Jiangxi Science，2006，(4):205-208)

5 潘國榮，王穗輝.上海地鐵二號線隧道貫通定向技術及精度控制［J］.同濟大學學報，2000，(2):122-125.(Pan Guorong and Wang Suihui.Breakthrough measurement for Shanghai No.2 subway tunnel［J］.Journal of Tongji University，2000，(2):122-125)

RESEARCH ON AUTOMATIC MONITORING TECHNIQUE OF PIPE REPLACED BY BOX CULVERT JACKING PROCESS

Pan Guorong1，3)，Song Yunpu2)，Li Huaifeng1)and Zhang Peng1)

(1)Department of Surveying and Geo-informatics，Tongji University，Shanghai 200092 2)Department of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092 3)Key Laboratory of Modern Engineering Surveying，SBSM，Shanghai 200092)

Automatic real-time guidance measurement is the key to modern construction measurement.Nowadays，in China the new underground 3D traffic engineering method of pipe replaced by box culvert jacking is used，but the manual measurement can not meet the requirement of real-time monitoring.So a set of Total Station-based intelligent automatic guidance system has been developed thus could achieve the measurement automatically and improve work efficiency greatly.The principle and key technology of this intelligent guidance system is introduced.In the same time，combined with successful application of culvert jacking highway in the existing railway project in Shanghai Jinshan，this system proved practical and excellent with higher reliability and accuracy.

urban underground space;3D traffic;pipe replacement;box culvert jacking;automatic guidance measurement

1671-5942(2012)02-0078-04

2011-09-07

上海市科委科研計劃項目(10231200302)

潘國榮，男，1960年生，教授、博士生導師，主要研究方向為精密工程測量、工業測量與測量數據處理.E-mail:pgr2@163.com

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