利用兩棱鏡測量方法提高測量成果精度在盾構施工自動導向中的應用

錢美剛

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

隨著近些年來盾構設備制造業的飛速發展，現階段幾乎所有盾構機供貨服務商，均能夠給予采購方一站式服務，其中就包括了盾構機自動導向系統服務。目前市場上主流的盾構自動導向系統，主要分為激光法自動導向系統和棱鏡法自動導向系統，這2種不同原理的自動導向系統在盾構施工中均得到了大量的運用，并獲得了廣大用戶的認可。而隨著盾構施工工藝的不斷完善和提升，以及測繪技術和測繪裝備的不斷發展與更新，施工人員對盾構自動導向系統的測量成果精度以及測量成果的穩定性提出了更高的要求[1-4]。

本文將結合工程實例，詳細闡述一種棱鏡法自動導向系統通過改變常規兩棱鏡測量方法的方式，獲取盾構機實時姿態。通過成果數據對比分析，說明此法能夠有效穩定地提升盾構機實時姿態的精度以及成果的穩定性，滿足施工人員對盾構實時姿態高精度及高穩定性的要求，順應了測繪技術及測繪裝備發展和更新的潮流。

1 兩棱鏡測量方法實現方案

1.1 兩棱鏡安裝位置設計

常見的棱鏡法自動導向系統是在盾構機殼體內部安裝3個目標棱鏡：前端設置2個目標棱鏡，后端設置1個目標棱鏡。實時姿態的實現，是通過測量3個目標棱鏡中任意2個目標棱鏡的三維坐標，并結合各個目標棱鏡與盾構機相對獨立的關系，以及盾構機的實時姿態角，計算盾構機切口及其盾尾的三維坐標，并將其歸算至設計軸線上，獲取盾構機實時的切口（盾尾）里程、平面偏離值和高程偏離值，指導盾構機按設計軸線掘進。

通過對大量盾構施工測量實踐的分析發現，安裝于后端的目標棱鏡，由于下方是吊運襯砌環的吊裝設備，在襯砌環吊運的過程中，安裝于后端的目標棱鏡始終處于一個變化的狀態（即與盾構機相對關系不夠固定），如果安裝于后端的目標棱鏡參與了最終的計算，獲取的最終姿態成果，必然存在一定的誤差。

盾構機殼體前端的2個目標棱鏡通常都是安裝于盾構機的加強環部位，安裝于此部位的2個前端目標棱鏡，均穩定牢固。在非人為移動的情況下，其與盾構機相對關系固定，滿足棱鏡法自動導向系統對目標棱鏡安裝的位置要求。

綜上所述，采用棱鏡法導向原理獲取盾構機實時姿態，并通過改變兩棱鏡常規的測量方法可實現提高盾構自動導向精度的目標。2個目標棱鏡均安裝至盾構機加強環的部位，取消盾尾后端的目標棱鏡。為方便目標棱鏡的安裝與拆卸，以及重復使用及經濟的目的，棱鏡選用L形棱鏡（圖1）。

圖1 L形棱鏡示意

1.2 兩棱鏡測量方法設計

兩棱鏡測量方法的設計為本自動導向系統設計的核心，其測量方法設計直接關系到最終的成果數據精度是否得到有效提高。

常見的棱鏡法自動導向系統，都是通過測量3個目標棱鏡中的任意2個，從而獲取盾構實時姿態，上文已提到，如果測量了后端不穩定的目標，會給測量成果帶來一定的誤差；而如果只通過測量安裝于前端的2個穩定的目標棱鏡，理論上，其獲取的成果精度高于前者。但實際施工中，我們更多的是要獲取盾構機的實時姿態，而盾構機實時處于一個運動的狀態，從而導致2個目標棱鏡在采集數據時并不同步，采集到的數據不是在同一狀態下的數據成果，這將直接造成獲取的盾構實時姿態成果存在一定的誤差。因而如何消除或降低2個目標棱鏡因獲取的數據不同步而造成的實時姿態成果誤差，將是兩棱鏡測量方法設計的重點。

為有效控制上述誤差，在本次設計中，擬通過對其中1個目標棱鏡進行雙觀測，通過雙觀測值進行線性內插，獲取雙觀測目標中間時段的測量成果數據，與另一個目標棱鏡采集到的數據一起參與最終的實時姿態計算。

安裝于前端的2個目標棱鏡，分別編號為1號和2號，盾構掘進時，2個目標棱鏡均處于運動狀態。自動測量開啟后，先測量1號目標棱鏡，獲取1號目標棱鏡數據，再測量2號目標棱鏡，獲取2號目標棱鏡數據，再次測量1號目標棱鏡，第2次獲取1號目標棱鏡數據，這樣1號目標棱鏡就有了2個測量成果數據，將這2次測量成果數據進行線性內插，獲取2次測量成果中間時段的數據。由于盾構機的掘進基本上為勻速掘進，采用這樣的測量方法，通過線性內插獲得的1號目標棱鏡數據和2號目標棱鏡數據基本為同一狀態的數據，有效提高了盾構實時姿態的成果數據。

2 兩棱鏡測量方法自動化實現方案

兩棱鏡測量方法自動化的實現主要是在原自動導向系統的基礎上，進行功能和性能上的改進和提升。

2.1 自動導向系統主要構成

1）操作電腦：自動導向系統操作電腦為常規使用筆記本電腦或工業電腦，用于軟件的安裝以及數據的存儲等，對電腦操作系統無特殊要求，均為常規Windows操作系統。

2）自動導向系統軟件：軟件為自動導向系統的核心，用于自動導向系統指令的下達、數據的收集、數據的處理、成果可視化等（圖2、圖3），利用VB語言進行設計開發。

圖2 軟件界面

圖3 相關參數設置界面

3）通信裝置：通信裝置采用無線電臺模式，通信模塊分中心模塊和次級模塊。中心模塊和次級模塊分別采用RS232串口與操作電腦和測量儀器連接（圖4）。

圖4 通信模塊

4）具備自動搜尋及精確照準目標棱鏡的智能型全站儀；用于目標間關系的測量，如：水平角、垂直角、斜距等。

5）雙軸傳感器：安裝于盾構機內部，用于采集盾構機的實時姿態角，即旋轉角和仰俯角。

6）其他相關設備：如 Y 線，用于智能型全站儀與次級模塊的連接；目標棱鏡，用于數據采集的測量目標；相關電源設備，為操作電腦、儀器、模塊等提供電源。

2.2 兩棱鏡自動導向系統原理概述

1）通信連接測試與數據庫的建立將中心模塊通過數據線與操作電腦連接，智能型全站儀通過 Y 線與次級模塊連接，并提供電源。

連接完成，在操作電腦上打開安裝完成的自動導向系統軟件，在軟件內部完成數據庫的建立。數據庫主要用于計劃的輸入，以及測量信息的存儲等。

數據庫建立完成后，在軟件內完成相關參數的設置，包括通信參數設置，如端口設置、通信方式設置等。然后進行目標棱鏡參數設置，設置目標棱鏡與盾構機相對獨立的關系，以及綜合設置，如測站點和后視點的三維坐標，盾構與區間分界里程、測量間隔時長等。相關參數設置完成后，通過軟件操作，進行通信測試。通信測試失敗則可根據軟件自動診斷提示，進行相關的操作，直至通信測試成功。

2）兩棱鏡自動導向原理的本質是通過導線的傳遞，獲取2個目標棱鏡的三維坐標，并結合2個目標棱鏡與盾構機的相對獨立關系，以及盾構機的實時姿態角，解算獲取盾構機切口（盾尾）的三維坐標，并將其歸算至設計軸線上，獲取盾構機的實時姿態。

智能全站儀架設于隧道頂部的吊籃上，大致對準后視目標，軟件內點擊設站按鈕，由智能型全站儀精確搜尋后視目標，并進行測量，完成測站定向。

定向完成后，點擊測量按鈕，由智能全站儀自動搜尋安裝于盾構機內的2個目標棱鏡并完成測量，測量順序為1號→2號→1號。1號目標棱鏡測量成果取值根據第1次和第2次測量完成時間進行線性內插，得到兩次中間時段成果數據作為最終取值，并與2號目標棱鏡成果一同參與最終的實時姿態成果計算。

計算完成后將盾構機的實時姿態顯示于自動導向軟件界面，指導施工人員對盾構機姿態進行糾偏，按設計軸線開挖，直至最終的順利貫通。

3 工程實踐應用

3.1 工程概況

江浦路越江隧道新建工程江中段盾構區間分東、西雙線，西線隧道起始里程為WK1＋426.00，終止里程為WK0＋645.00，全長781.00 m；東線隧道起始里程為EK1＋431.524，終止里程為EK0＋646.36，全長785.17 m；隧道最大坡度5.00%，最小平面曲率半徑為600 m；隧道中設置聯絡通道1座。

隧道施工采用2臺盾構機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，到達浦西工作井進洞，東線隧道掘進采用φ11 580 mm小松泥水平衡盾構機，西線隧道掘進采用φ11 630 mm鐵建重工泥水平衡盾構機（圖5）。

圖5 隧道平面示意

3.2 工程實踐中的應用及成果

江浦路越江隧道新建工程江中段盾構區間工程，有2個顯著的特點，一是盾構開挖直徑較大，二是設計坡度較大。經工程實踐證明，盾構掘進過程中，如果不能有效地消除或削弱目標棱鏡測量不同步所帶來的誤差，不僅會對盾構機實時姿態產生影響，還會造成盾構機實時姿態的不穩定，產生實時姿態跳動的情況，從而可能會給工程施工人員造成誤導，不利于工程質量的控制。

在本工程實施過程中，在掘進速度為3 cm和5 cm的工況下，分別采用了常規的兩棱鏡測量模式、新設計的兩棱鏡測量模式以及人工測量檢核這3種方法對盾構機實時姿態進行測量。

經多次實踐證明，在新設計的兩棱鏡測量模式下獲取的盾構機實時姿態，同時滿足了有效提高測量精度和成果數據穩定的要求。

但在對不同工況下獲取的實時盾構姿態成果數據進行對比分析時發現，常規的兩棱鏡測量模式獲取的實時盾構姿態數據與新設計的兩棱鏡測量模式獲取的實時盾構姿態數據以及人工檢核的姿態成果數據相比，還是存在一定的誤差，且與盾構機掘進速度成正比。而新設計的兩棱鏡測量模式獲取的實時盾構姿態數據與通過人工檢核獲取的盾構姿態數據相差較小，且在不同的工況下，成果差值相對穩定。通過工程實踐證明新設計的兩棱鏡模式測量方法有效地提高了測量成果精度，且測量成果具有較高的穩定性。

4 結語

在江浦路越江隧道新建工程江中段盾構區間工程建設過程中以及東、西線盾構掘進過程中，均采用了新設計的兩棱鏡模式的測量方法對盾構機進行實時導向。實時獲取的盾構姿態，經多次檢核，測量成果穩定，通過1號→2號→1號這種改進的測量方法，有效地提高了測量成果精度，滿足施工人員對測量成果高精度及穩定性的要求。

實時盾構姿態測量成果精度控制的提高，對指導盾構掘進及成形隧道線形控制都具有積極的作用和意義，因而新設計的兩棱鏡模式測量的方法具有可推廣的實際運用價值。