機械法聯絡通道施工自動導向及監測技術

王 浩，李 程

（上海隧道工程有限公司，上海市 200233）

1 工程難點

市政工程中雙線的隧道一般設計了連接左右線的聯絡通道結構，聯絡通道的施工方法目前主要采用冰凍加固后進行暗挖施工，施工測量的方法主要是人工測量。如果聯絡通道施工采用機械化程度和效率更高的頂管法來實施，其施工測量的核心就是設計該頂管裝置的自動導向系統[1]，而目前頂管法施工中常用的激光靶導向系統在聯絡通道施工的工況中無法保證導向數據的準確性。這是因為在頂管法聯絡通道施工中，頂管頂進的受力后靠在襯砌管片上，而安裝全站儀的觀測臺也在受力管片上，在頂進施工中無法保證全站儀位置的穩定性。頂管施工過程中存在大量的施工工序，這些工序的存在會占用原本就所剩無幾的測量通道空間，使觀測目標被頻繁遮擋。頂進施工中還需要監測后靠周邊襯砌管片的位移和沉降情況，采用傳統的激光靶導向系統均無法實現。為了解決上述問題，需要研發一種適用于機械法聯絡通道施工的導向系統。

2 現存頂管自動導向系統概況

伴隨著全站儀ATR 技術的逐步成熟，頂管導向方法也由原本的人工導向逐步發展為自動導向。當前頂管自動導向領域最先進的產品是由VMT 研制的SLS-RV 頂管導向系統。該系統將帶有ATR 功能的全站儀安置于管節內壁為頂管掘進提供導向服務，同時以距離傳感器、參考棱鏡和傾斜儀等手段實現全站儀的定位定向。因為頂管掘進過程中全部管節都處于運動狀態，會對距離傳感器和參考棱鏡產生不可避免的累計誤差，因此在掘進一定長度以后，需要對SLS-RV 系統進行人工校正。

目前，國內廣泛使用的頂管導向系統主要有頂管自動導向系統和RSG 頂管導向系統兩種。它們的共同特點是都使用了激光測量裝置而沒有使用能夠自動定位定向的全站儀。

如圖1 所示的一種較為常見的頂管自動導向系統，該系統主要由激光發射器、光靶、測量環、攝像機、計算機、傾斜儀組成。安裝過程中將光靶安裝在測量環上，攝像機和附屬照明設備對準整個光靶，傾斜儀以焊接的方式安置在頂管機前部，使之與頂管機形成剛體。工作中，激光發射器發射激光，激光照射于目標靶，傾斜傳感器和攝像機的實時數據通過通訊設備回傳至計算機中，通過特定算法實現頂管機位姿的計算和顯示。

圖1 頂管測量裝置結構示意圖

如圖2 所示，使用激光測量裝置的RSG 頂管導向系統大部分被安裝于中小口徑泥水平衡頂管機中。該系統主要由激光發射器、攝像機、光靶二、光靶一、反射鏡、計算機組成。與前一種頂管導向系統不同，RSG 頂管導向系統沒有安裝傾斜儀，而是通過兩塊偏差光靶和反射光靶的巧妙組合，根據光學關系獲得傾斜儀的所能提供的姿態信息。

圖2 RS G 頂管導向系統結構示意圖

目前，現有的頂管導向系統僅適用于測站穩定或測站的坐標可以根據原來掘進軌跡進行推算的情況，同時均要求在施工過程中必須保證具有測量通道。在機械法聯絡通道施工的特殊情況下，均無法解決測站位置的不規則變化造成的測量準確性問題和施工中同步施工工序造成的目標遮擋的問題，同時也沒有對頂進位置的隧道結構監測的功能。

3 自動導向系統的整體設計方案

本系統基于高精度光纖陀螺的尋北功能，采用光纖陀螺與雙軸傾斜儀和目標棱鏡組合構成導向靶。

各元件的軸系關系如下：雙軸傳感器的坡度軸與光纖陀螺儀的敏感軸處于平行狀態，并且上述兩軸與目標棱鏡的中心同軸。以此建立以目標棱鏡中心為原點的右手坐標系，并命名為導向靶坐標系，如圖3 所示。

圖3 導向靶結構示意圖

導向靶以機械結構固定于頂管機頭上部易通視的穩定區域，頂管始發前，精確測量頂管機機頭中心、盾尾中心和導向靶在施工坐標系中的三維坐標，計算施工坐標與導向靶坐標系的轉換參數。同時可以計算導向靶在施工坐標系統中的方位，以及光纖陀螺方位與施工方位的換算常數。當頂管掘進時，無須測站進行觀測；也可通過行程傳感器結合通過導向靶采集的方位、坡度、轉角實時計算出目標棱鏡的實際施工三維坐標，通過始發前建立的轉換參數可以計算頂管機頭中心和盾尾中心的三維坐標，將其與頂管設計軸線進行對比即可獲得頂管機的實時位置和姿態。測站上安裝的自動全站儀則實時觀測安裝于隧道內穩定位置的多個后視棱鏡，解算準確的測站坐標和方位，同時監測受力隧道結構的變形情況，并在頂管機停止掘進、安裝管節時，對導向靶的參數進行觀測修正，為后續頂管姿態的準確性提供保障。機械法聯絡通道施工導向系統結構示意圖如圖4 所示。

圖4 機械法聯絡通道施工導向系統結構示意圖

4 自動導向系統的詳細原理與算法模型

4.1 光纖陀螺方位求解的基本原理

光纖陀螺基于Sagnac 效應進行工作，主要由光源、分束器、多匝光纖線圈和探測器組成。從光源發出的激光束經分束器分成兩束，在光纖環中相向傳播并再次返回分束器，干涉后經輸出端口進入光電探測器。當光纖陀螺繞光纖環的法向軸旋轉時，兩束光將產生光程差，從而產生相位差，并可測定，進而計算出其法向軸（陀螺敏感軸）的旋轉角速度（K 為標度因數），Γ=Δφ 為光纖陀螺的直接輸出值，將光纖陀螺經過各個角度的標定可以建立輸入輸出的線性回歸方程（Ωj為輸入角速度），建立多個方程并利用最小二乘法，可以解出K。我們把Γ 稱為光纖陀螺的輸出值，經過標度因數變換的角速度Ω 為光纖陀螺測量值。再根據光纖陀螺在參考橢球上的投影關系，并結合地球的自傳角速度，就可以求解出光纖陀螺的真方位角。

4.2 系統姿態求解的算法模型

系統姿態求解示意圖如圖5 所示。首先，在頂管機初始標定狀態下求解出機頭中心局部坐標（X’切，Y’切，Z’切）、尾部中心局部坐標（X’尾，Y’尾，Z’尾），并求解出光纖陀螺的修正值Δ。

圖5 系統姿態求解示意圖

實測得到，機頭施工坐標（X’切，Y’切，Z’切），尾部施工坐標（X’尾，Y’尾，Z’尾），導向靶的中心坐標（X’0，Y’0，Z’0），方位角α靶、坡度角β靶、滾角φ靶，光纖陀螺儀測定的方位角α切。則切口中心的局部坐標為：

同理，可以計算尾部中心的局部坐標。而光纖陀螺的修正值為：Δ=α靶-α光。

然后進行標定后掘進過程中頂管機頭中心（X”切，Y”切，Z”切）和盾尾中心（X”尾，Y”尾，Z”尾）施工坐標

的求解和姿態的解算。假設每次系統姿態求解的時間為T。

再根據（X，Y，Z）的坐標結合機頭和尾部的局部坐標就可以求解出機頭中心和尾部中心實時的施工坐標。

同理，也可以求解出尾部中心的施工坐標。再把這些坐標代入軸線參數，就可以計算出頂管機的實時姿態。

最后，有關測站坐標的實時修正、隧道結構的監測和導向靶的標定如下。位于測站位置的全站儀按一定周期自動觀測位于施工區域遠端的若干基準棱鏡。根據全站儀內置的后方交會算法，可以對舊的測站坐標進行更新，獲取當前時刻準確的測站坐標。測站坐標更新后再觀測若干位于施工影響范圍內的監測棱鏡，就可以獲取因聯絡通道施工所引起的隧道結構的變形情況。同時，在有條件觀測（設定周期或搜索判別條件）導向靶時，對導向靶的中心棱鏡施工坐標和導向靶的方位進行修正，并更新光纖陀螺的修正值Δ，以消除或減弱光纖陀螺的漂移誤差，達到提高導向系統精度的目的。

5 結語

針對機械法聯絡通道施工過程中的頂管導向和管片位移監測兩個問題，對高精度光纖陀螺技術進行巧妙應用，使之完成在滿足目標靶不通視條件下的頂管姿態測量任務。在此基礎上，通過布置監測棱鏡和基準棱鏡，開創性地將導向系統與監測系統融為一體，以一套系統完成兩種工作，在提高導向系統精度的同時提高監測頻率。因此，該系統對同類工程具有很強的參考意義。