錢美剛

上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200002

隨著近些年來盾構(gòu)設(shè)備制造業(yè)的飛速發(fā)展，現(xiàn)階段幾乎所有盾構(gòu)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(gòu)機自動導向系統(tǒng)服務。目前市場上主流的盾構(gòu)自動導向系統(tǒng)，主要分為激光法自動導向系統(tǒng)和棱鏡法自動導向系統(tǒng)，這2種不同原理的自動導向系統(tǒng)在盾構(gòu)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(gòu)施工工藝的不斷完善和提升，以及測繪技術(shù)和測繪裝備的不斷發(fā)展與更新，施工人員對盾構(gòu)自動導向系統(tǒng)的測量成果精度以及測量成果的穩(wěn)定性提出了更高的要求[1-4]。

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

1 兩棱鏡測量方法實現(xiàn)方案

1.1 兩棱鏡安裝位置設(shè)計

常見的棱鏡法自動導向系統(tǒng)是在盾構(gòu)機殼體內(nèi)部安裝3個目標棱鏡：前端設(shè)置2個目標棱鏡，后端設(shè)置1個目標棱鏡。實時姿態(tài)的實現(xiàn)，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(jié)合各個目標棱鏡與盾構(gòu)機相對獨立的關(guān)系，以及盾構(gòu)機的實時姿態(tài)角，計算盾構(gòu)機切口及其盾尾的三維坐標，并將其歸算至設(shè)計軸線上，獲取盾構(gòu)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(gòu)機按設(shè)計軸線掘進。

通過對大量盾構(gòu)施工測量實踐的分析發(fā)現(xiàn)，安裝于后端的目標棱鏡，由于下方是吊運襯砌環(huán)的吊裝設(shè)備，在襯砌環(huán)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(tài)（即與盾構(gòu)機相對關(guān)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(tài)成果，必然存在一定的誤差。

盾構(gòu)機殼體前端的2個目標棱鏡通常都是安裝于盾構(gòu)機的加強環(huán)部位，安裝于此部位的2個前端目標棱鏡，均穩(wěn)定牢固。在非人為移動的情況下，其與盾構(gòu)機相對關(guān)系固定，滿足棱鏡法自動導向系統(tǒng)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(gòu)機實時姿態(tài)，并通過改變兩棱鏡常規(guī)的測量方法可實現(xiàn)提高盾構(gòu)自動導向精度的目標。2個目標棱鏡均安裝至盾構(gòu)機加強環(huán)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(jīng)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(shè)計

兩棱鏡測量方法的設(shè)計為本自動導向系統(tǒng)設(shè)計的核心，其測量方法設(shè)計直接關(guān)系到最終的成果數(shù)據(jù)精度是否得到有效提高。

常見的棱鏡法自動導向系統(tǒng)，都是通過測量3個目標棱鏡中的任意2個，從而獲取盾構(gòu)實時姿態(tài)，上文已提到，如果測量了后端不穩(wěn)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(wěn)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(gòu)機的實時姿態(tài)，而盾構(gòu)機實時處于一個運動的狀態(tài)，從而導致2個目標棱鏡在采集數(shù)據(jù)時并不同步，采集到的數(shù)據(jù)不是在同一狀態(tài)下的數(shù)據(jù)成果，這將直接造成獲取的盾構(gòu)實時姿態(tài)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(shù)據(jù)不同步而造成的實時姿態(tài)成果誤差，將是兩棱鏡測量方法設(shè)計的重點。

為有效控制上述誤差，在本次設(shè)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(nèi)插，獲取雙觀測目標中間時段的測量成果數(shù)據(jù)，與另一個目標棱鏡采集到的數(shù)據(jù)一起參與最終的實時姿態(tài)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(gòu)掘進時，2個目標棱鏡均處于運動狀態(tài)。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(shù)據(jù)，再測量2號目標棱鏡，獲取2號目標棱鏡數(shù)據(jù)，再次測量1號目標棱鏡，第2次獲取1號目標棱鏡數(shù)據(jù)，這樣1號目標棱鏡就有了2個測量成果數(shù)據(jù)，將這2次測量成果數(shù)據(jù)進行線性內(nèi)插，獲取2次測量成果中間時段的數(shù)據(jù)。由于盾構(gòu)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(nèi)插獲得的1號目標棱鏡數(shù)據(jù)和2號目標棱鏡數(shù)據(jù)基本為同一狀態(tài)的數(shù)據(jù)，有效提高了盾構(gòu)實時姿態(tài)的成果數(shù)據(jù)。

2 兩棱鏡測量方法自動化實現(xiàn)方案

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

2.1 自動導向系統(tǒng)主要構(gòu)成

1）操作電腦：自動導向系統(tǒng)操作電腦為常規(guī)使用筆記本電腦或工業(yè)電腦，用于軟件的安裝以及數(shù)據(jù)的存儲等，對電腦操作系統(tǒng)無特殊要求，均為常規(guī)Windows操作系統(tǒng)。

2）自動導向系統(tǒng)軟件：軟件為自動導向系統(tǒng)的核心，用于自動導向系統(tǒng)指令的下達、數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)的處理、成果可視化等（圖2、圖3），利用VB語言進行設(shè)計開發(fā)。

圖2 軟件界面

圖3 相關(guān)參數(shù)設(shè)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(guān)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(gòu)機內(nèi)部，用于采集盾構(gòu)機的實時姿態(tài)角，即旋轉(zhuǎn)角和仰俯角。

6）其他相關(guān)設(shè)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(shù)據(jù)采集的測量目標；相關(guān)電源設(shè)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(tǒng)原理概述

1）通信連接測試與數(shù)據(jù)庫的建立將中心模塊通過數(shù)據(jù)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(tǒng)軟件，在軟件內(nèi)部完成數(shù)據(jù)庫的建立。數(shù)據(jù)庫主要用于計劃的輸入，以及測量信息的存儲等。

數(shù)據(jù)庫建立完成后，在軟件內(nèi)完成相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，包括通信參數(shù)設(shè)置，如端口設(shè)置、通信方式設(shè)置等。然后進行目標棱鏡參數(shù)設(shè)置，設(shè)置目標棱鏡與盾構(gòu)機相對獨立的關(guān)系，以及綜合設(shè)置，如測站點和后視點的三維坐標，盾構(gòu)與區(qū)間分界里程、測量間隔時長等。相關(guān)參數(shù)設(shè)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(jù)軟件自動診斷提示，進行相關(guān)的操作，直至通信測試成功。

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

智能全站儀架設(shè)于隧道頂部的吊籃上，大致對準后視目標，軟件內(nèi)點擊設(shè)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(gòu)機內(nèi)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(jù)第1次和第2次測量完成時間進行線性內(nèi)插，得到兩次中間時段成果數(shù)據(jù)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(tài)成果計算。

計算完成后將盾構(gòu)機的實時姿態(tài)顯示于自動導向軟件界面，指導施工人員對盾構(gòu)機姿態(tài)進行糾偏，按設(shè)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(gòu)區(qū)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(shè)置聯(lián)絡(luò)通道1座。

隧道施工采用2臺盾構(gòu)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(gòu)機，西線隧道掘進采用φ11 630 mm鐵建重工泥水平衡盾構(gòu)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(gòu)區(qū)間工程，有2個顯著的特點，一是盾構(gòu)開挖直徑較大，二是設(shè)計坡度較大。經(jīng)工程實踐證明，盾構(gòu)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(gòu)機實時姿態(tài)產(chǎn)生影響，還會造成盾構(gòu)機實時姿態(tài)的不穩(wěn)定，產(chǎn)生實時姿態(tài)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(zhì)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(guī)的兩棱鏡測量模式、新設(shè)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(gòu)機實時姿態(tài)進行測量。

經(jīng)多次實踐證明，在新設(shè)計的兩棱鏡測量模式下獲取的盾構(gòu)機實時姿態(tài)，同時滿足了有效提高測量精度和成果數(shù)據(jù)穩(wěn)定的要求。

但在對不同工況下獲取的實時盾構(gòu)姿態(tài)成果數(shù)據(jù)進行對比分析時發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的兩棱鏡測量模式獲取的實時盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)與新設(shè)計的兩棱鏡測量模式獲取的實時盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)以及人工檢核的姿態(tài)成果數(shù)據(jù)相比，還是存在一定的誤差，且與盾構(gòu)機掘進速度成正比。而新設(shè)計的兩棱鏡測量模式獲取的實時盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)與通過人工檢核獲取的盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)相差較小，且在不同的工況下，成果差值相對穩(wěn)定。通過工程實踐證明新設(shè)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(wěn)定性。

4 結(jié)語

在江浦路越江隧道新建工程江中段盾構(gòu)區(qū)間工程建設(shè)過程中以及東、西線盾構(gòu)掘進過程中，均采用了新設(shè)計的兩棱鏡模式的測量方法對盾構(gòu)機進行實時導向。實時獲取的盾構(gòu)姿態(tài)，經(jīng)多次檢核，測量成果穩(wěn)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(wěn)定性的要求。

實時盾構(gòu)姿態(tài)測量成果精度控制的提高，對指導盾構(gòu)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(shè)計的兩棱鏡模式測量的方法具有可推廣的實際運用價值。