郭志丹，李奇

(河南省中緯測繪規(guī)劃信息工程有限公司，河南焦作 454000)

1 概述

隨著城市建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展，城區(qū)內(nèi)需要敷設(shè)的各種大口徑管道越來越多。而其中的主要困難是敷設(shè)管道需經(jīng)過人口稠密區(qū)或大型建筑物、構(gòu)筑物及支流小河等。所以非開挖敷設(shè)管道技術(shù)——頂管法施工在近年得到廣泛的應(yīng)用。頂管施工技術(shù)的優(yōu)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(jìn)行環(huán)境保護(hù)的施工方法;②頂管施工管道的上部土層未經(jīng)擾動，管道的管節(jié)端不易產(chǎn)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(jié)約大筆征地拆遷費(fèi)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(jìn)技術(shù)，刃口推進(jìn)技術(shù)又稱手掘式頂管施工技術(shù)，管徑一般在800 mm～3000 mm。該技術(shù)設(shè)備投入少，工藝簡單，工期短，小型施工企業(yè)即可完成。如北京清河污水干線;西安咸陽機(jī)場，廣州、杭州、福州、武漢等地都有頂管施工的實(shí)例。

頂管工程的測量精度的高低決定了管道方向的準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到整個工程的成敗。為確保非開挖式管道工程施工的質(zhì)量，提高施工效率，降低工程成本，結(jié)合頂管刃口推進(jìn)法工程施工技術(shù)的特點(diǎn)，我們研究開發(fā)了基于獨(dú)立坐標(biāo)系下的“頂管施工動態(tài)測量實(shí)時控制可視化系統(tǒng)”。該系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、精度分析、可視化程序開發(fā)四個部分。

“頂管施工動態(tài)測量實(shí)時控制可視化系統(tǒng)”，采用獨(dú)立坐標(biāo)系下一站式實(shí)時動態(tài)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(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件相結(jié)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(tài)顯示工具管頂部中心軌跡，水平、高程限差邊界可視化;③預(yù)置偏差警示提示區(qū)間，頂進(jìn)管距實(shí)時顯示;④便攜式電腦直接訪問全站儀數(shù)據(jù)庫自動獲取觀測數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)建立偏差分析數(shù)據(jù)庫，評定結(jié)果質(zhì)量。

圖1 全站儀頂管測量控制系統(tǒng)示意圖

2 獨(dú)立坐標(biāo)系下頂管施工動態(tài)測量實(shí)時控制可視化系統(tǒng)的要求

2.1 開發(fā)頂管施工動態(tài)測量實(shí)時控制可視化系統(tǒng)的目的

該系統(tǒng)是在平面直角獨(dú)立坐標(biāo)系下，由全站儀、便攜式電腦、數(shù)據(jù)處理及可視化軟件組成系統(tǒng)。建立平面直角獨(dú)立坐標(biāo)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(shí)時測量頂管水平方向和管道中心標(biāo)高，以保持管道的設(shè)計(jì)坡度始終滿足限差要求;利用便攜式電腦通過自行開發(fā)的軟件直接訪問全站儀的數(shù)據(jù)庫獲取實(shí)時測量數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)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(qū)間和界線，以便及時為施工人員提供管道的前進(jìn)趨勢和修正數(shù)據(jù)。

2.2 開發(fā)頂管施工動態(tài)測量實(shí)時控制可視化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型研究

(1)建立平面直角獨(dú)立坐標(biāo)系

以全站儀安置處O點(diǎn)為獨(dú)立坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)，設(shè)其坐標(biāo)為O(0，0)，選擇O點(diǎn)至管道前進(jìn)方向?yàn)閄軸的正方向。過O點(diǎn)與X軸垂直的方向?yàn)閅軸，平面直角獨(dú)立坐標(biāo)系如圖2所示。

圖2 平面直角獨(dú)立坐標(biāo)系示意圖

(2)水平方向偏差函數(shù)模型

由于坐標(biāo)系的X軸正方向正好與管道頂進(jìn)的中心線設(shè)計(jì)方向重合，全站儀在O點(diǎn)安置儀器，輸入測站點(diǎn)的坐標(biāo)O(0，0)，全站儀后視方向A點(diǎn)(管道中線設(shè)計(jì)方向上)后，即可確定管道的頂進(jìn)方向(X軸)，此時，全站儀于管道中心實(shí)時觀測的任意一個點(diǎn)Pi的坐標(biāo)值為(XPi，YPi)，任意點(diǎn)Pi的偏差△i實(shí)際就是該點(diǎn)的橫坐標(biāo)YPi的觀測值，當(dāng)YPi＞0時，說明管道中心右偏;當(dāng)YPi＜0時，說明管道中心左偏;當(dāng)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(jìn)長度函數(shù)模型

由圖2可以看出，儀器安置點(diǎn)距工具管頂點(diǎn)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(biāo)測量功能狀態(tài)下，測量該點(diǎn)的坐標(biāo)(X，Y)，根據(jù)縱坐標(biāo)X可方便的求出該時刻管道實(shí)際頂進(jìn)長度。

(4)高程偏差函數(shù)模型建立

全站儀實(shí)時測量管道工具管端部中心Pi點(diǎn)的坐標(biāo)(Xi，Yi，Zi)，其中的 Zi即是測點(diǎn) Pi的高程 Hi，如果將測站點(diǎn)O的儀器高改變，相當(dāng)于將測站點(diǎn)的標(biāo)志中心提高到了管道的中心線上，同時設(shè)該點(diǎn)的高程為零，則此時全站儀瞄準(zhǔn)棱鏡在坐標(biāo)測量模式下測得Pi點(diǎn)的高程Hi其實(shí)就是工具管端部棱鏡中心Pi與儀器安置點(diǎn)O處對應(yīng)的管道中心兩點(diǎn)間的實(shí)際高差hO0Pi，見圖4。因?yàn)楣艿赖钠露仁且阎?，所以，根?jù)已知坡度;管道測點(diǎn)Pi和測站點(diǎn)O之間的水平距離Di(Xi)，計(jì)算出工具管端部棱鏡中心Pi與儀器安置點(diǎn)O處對應(yīng)的管道中心兩點(diǎn)間的設(shè)計(jì)或稱理論高差hO0Pi，實(shí)際測的高差與設(shè)計(jì)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(fā)頂管施工動態(tài)測量實(shí)時控制可視化系統(tǒng)的精度分析

規(guī)范規(guī)定，在管道頂進(jìn)施工之前，首先要確定管道在垂直和水平方向上與設(shè)計(jì)軌跡的允許偏差，在這一最大偏差的限制下，所鋪設(shè)的管道應(yīng)滿足如下兩方面的要求:

(1)符合管道的既定功能要求。

(2)產(chǎn)生偏差的范圍內(nèi)不能損壞到其他的建筑和設(shè)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(jié)果:

當(dāng)頂進(jìn)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(jìn)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(tài)測量實(shí)時控制可視化系統(tǒng)的開發(fā)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)工具

頂管施工動態(tài)測量實(shí)時控制可視化系統(tǒng)使用VB.NET的語言編寫，使用的開發(fā)工具Visual Studio.NET 2008是當(dāng)前流行的先進(jìn)開發(fā)工具。數(shù)據(jù)庫使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Microsoft Access 2007。

3.2 系統(tǒng)總體框架圖(見圖5)

圖5 系統(tǒng)總體框架圖

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

(1)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)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(yè)單位，地點(diǎn)，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(yè)過程中所獲取的各種測角數(shù)據(jù)、平距信息以及斜距信息。

③坐標(biāo)測量表。用來存儲工程作業(yè)模式為坐標(biāo)測量的時候，作業(yè)過程中所設(shè)置的基本參數(shù)以及作業(yè)中由全站儀測得的各種坐標(biāo)數(shù)據(jù)和經(jīng)過程序處理分析后得到的數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)存儲流程(見圖6)

圖6 系統(tǒng)存儲流程圖

4 系統(tǒng)實(shí)施過程

在Windows系統(tǒng)下，首先安裝.NET Framework 2.0作為本系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，然后安裝頂管施工動態(tài)測量實(shí)時控制可視化系統(tǒng)，安裝完畢后啟動程序——頂管施工動態(tài)測量實(shí)時控制.exe。在作業(yè)前的準(zhǔn)備工作中，需檢查全站儀的通訊參數(shù)以及端口連接是否與程序一致，并依據(jù)《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范》設(shè)置相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化計(jì)算，包括已知測量數(shù)據(jù)和作業(yè)規(guī)范限差等。

4.1 工程管理

在系統(tǒng)的第一部分，是關(guān)于工程的管理，若是打開已經(jīng)存在的工程數(shù)據(jù)庫文件，在測量菜單中選擇坐標(biāo)測量，程序會自動將根據(jù)數(shù)據(jù)展現(xiàn)出圖形，然后進(jìn)行全站儀測量了。

4.2 工程設(shè)置

在工程設(shè)置中，可以修改當(dāng)前工程的各種屬性信息，例如作業(yè)單位，作業(yè)地點(diǎn)，作業(yè)模式等。另外，若當(dāng)前作業(yè)模式為坐標(biāo)測量模式，則提供了設(shè)置和修改作業(yè)參數(shù)的功能，如圖7所示。

圖7 工程參數(shù)設(shè)置界面

4.3 全站儀動態(tài)測量

在對當(dāng)前的工程各項(xiàng)設(shè)置完成后，可以進(jìn)行對應(yīng)的實(shí)時測量，所測得的數(shù)據(jù)都會動態(tài)的存儲在數(shù)據(jù)庫中，并且坐標(biāo)測量模式下，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理，如果是數(shù)據(jù)達(dá)到警示區(qū)，則會彈出對應(yīng)的提示對話框進(jìn)行提示，并且以圖形+數(shù)據(jù)的形式展示結(jié)果，如圖8所示。

圖8 水平及高程偏差預(yù)警界面

4.4 回歸預(yù)測

回歸預(yù)測功能將在已經(jīng)測得的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)輸入的點(diǎn)數(shù)n從最后一個數(shù)據(jù)向前推進(jìn)n個數(shù)據(jù)來建立回歸方程。然后再根據(jù)輸入的下一個點(diǎn)的X坐標(biāo)值，來預(yù)測出下一個點(diǎn)的中線偏差以及高程偏差并顯示出來，如圖9所示。

圖9 預(yù)測結(jié)果

4.5 數(shù)據(jù)修改及打印

在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)結(jié)果保存在Access數(shù)據(jù)庫中，我們可以在作業(yè)結(jié)束后，用Access打開工程文件。數(shù)據(jù)庫中的坐標(biāo)測量表里存儲了作業(yè)過程中的數(shù)據(jù)，雙擊打開可以瀏覽及修改數(shù)據(jù)，也可以通過文件菜單中的打印選項(xiàng)直接將數(shù)據(jù)表打印出來。

4.6 系統(tǒng)幫助

在該模塊中提供了對該系統(tǒng)的使用方面的一些說明和注意事項(xiàng)。其中包括作業(yè)參數(shù)的設(shè)置說明以及系統(tǒng)運(yùn)行流程，以及對數(shù)據(jù)庫的后期脫離系統(tǒng)使用方法。

5 總結(jié)

頂管施工測量動態(tài)控制可視化系統(tǒng)主要針對城市市政工程建設(shè)中，大口徑中短距離地下管道非開挖頂管施工時所進(jìn)行的測量控制所做的開發(fā)研究。該系統(tǒng)基于獨(dú)立坐標(biāo)系下，因此其X、Y、Z坐標(biāo)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(jì)算機(jī)實(shí)時處理，可視化軌跡及限差邊界，使工作人員能直觀、準(zhǔn)確、及時地進(jìn)行偏差修正;同時預(yù)置限差警示區(qū)間提示功能可以使工作人員根據(jù)施工限差預(yù)設(shè)警示臨界值，根據(jù)達(dá)到警示臨界值的警示信號，提前掌握管道頂進(jìn)的偏差趨勢，提前進(jìn)行預(yù)防性修正;實(shí)時建立回歸方程，定量預(yù)測偏差發(fā)展趨勢，使提前制定的糾偏措施更具體、更完善。該系統(tǒng)已經(jīng)通過河南省科學(xué)技術(shù)廳鑒定并頒發(fā)證書。

［1］季斌德，邵自修.工程測量［M］.北京:測繪出版社，2002.

［2］何保喜.全站儀測量技術(shù)［M］.鄭州:黃河水利出版社，2005.

［3］武漢大學(xué)測繪學(xué)院測量平差學(xué)科組.誤差理論與測量平差基礎(chǔ)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2003.

［4］宮同森.地形、地籍測量精度［M］.北京:測繪出版社，1992.

［5］邵自修.工程測量［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1999.

［6］鄭崇啟，梁玉保.大比例尺地面數(shù)字測圖的精度分析［J］.測繪通報(bào)，2004(11):42～44.

［7］《建筑施工手冊》編寫組.建筑施工手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1993.

［8］陳戰(zhàn)林，耿宏運(yùn).Visual Basic.NET高級編程［M］.北京:電子工業(yè)出版，1999.