潘國(guó)榮 宋蘊(yùn)璞 李懷鋒 張 鵬

(1)同濟(jì)大學(xué)測(cè)量與國(guó)土信息工程系，上海 200092 2)同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程系，上海 200092 3)現(xiàn)代工程測(cè)量國(guó)家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092)

箱涵頂進(jìn)置換管幕頂推過(guò)程自動(dòng)測(cè)量技術(shù)研究*

潘國(guó)榮1，3)宋蘊(yùn)璞2)李懷鋒1)張 鵬1)

(1)同濟(jì)大學(xué)測(cè)量與國(guó)土信息工程系，上海 200092 2)同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程系，上海 200092 3)現(xiàn)代工程測(cè)量國(guó)家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092)

結(jié)合上海金山既有鐵路下頂進(jìn)公路箱涵工程，介紹以自動(dòng)全站儀為主的智能導(dǎo)向系統(tǒng)的原理及關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)用表明，該系統(tǒng)在實(shí)際施工中具有可靠性強(qiáng)、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、測(cè)量精度高的特點(diǎn)，可以在惡劣的施工環(huán)境中正常運(yùn)行。

城市地下空間;立體交通;管幕置換;箱涵頂進(jìn);自動(dòng)導(dǎo)向測(cè)量

1 引言

目前，在地下立體交通空間結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，一直采用的是人工測(cè)量方法［1］，這不僅效率低，工作強(qiáng)度大，且精度難以提高。

為保證結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型工程安全施工，迫切需要研究復(fù)雜條件下信息化測(cè)量技術(shù)。采用現(xiàn)代測(cè)量與定位信息化技術(shù)，可充分利用傳感器的自動(dòng)化和高精度的特點(diǎn)，解決大型地下工程中的測(cè)量速度和精度技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、傳輸、處理和表達(dá)?，F(xiàn)代測(cè)量與定位信息化技術(shù)主要包括計(jì)算機(jī)、測(cè)量機(jī)器人等，將它們集成開(kāi)發(fā)，可自動(dòng)完成測(cè)量周期、實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)測(cè)量成果、實(shí)時(shí)顯示施工過(guò)程和趨勢(shì)，與測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)工程信息的現(xiàn)代化管理。

對(duì)此本文研究了復(fù)雜條件下工程測(cè)量與定位信息化技術(shù)，對(duì)復(fù)雜測(cè)量設(shè)備配套軟件功能進(jìn)行開(kāi)發(fā)，研制出的自動(dòng)測(cè)量及測(cè)量數(shù)據(jù)可視化管理系統(tǒng)，將測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)與復(fù)雜條件下自動(dòng)測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，解決了大型地下工程中的測(cè)量速度、精度等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程施工進(jìn)度、質(zhì)量、安全的有效控制。

2 智能引導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)的原理及硬件構(gòu)成

箱涵頂進(jìn)置換管幕頂推過(guò)程自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)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(gè)剛體結(jié)構(gòu)。如果在箱涵上測(cè)定不在同一直線(xiàn)上的3個(gè)空間點(diǎn)，根據(jù)3點(diǎn)可確定一個(gè)剛體在空間6個(gè)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(jìn)置換管幕頂推過(guò)程自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的硬件是由自動(dòng)全站儀、無(wú)線(xiàn)電臺(tái)、電子計(jì)算機(jī)、棱鏡及其他通訊接口等組成(圖1)。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of the hardware structure of the system

自動(dòng)全站儀通過(guò)RS232串口通訊線(xiàn)連接無(wú)線(xiàn)電臺(tái);一對(duì)無(wú)線(xiàn)電臺(tái)通過(guò)RS232串口通訊線(xiàn)分別連接自動(dòng)全站儀和電腦，每個(gè)還需要接通電源持續(xù)供電;測(cè)量計(jì)算機(jī)通過(guò)RS232串口通訊線(xiàn)連接無(wú)線(xiàn)電臺(tái)，利用測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制自動(dòng)全站儀;3個(gè)目標(biāo)棱鏡需固定在箱涵上，不允許在箱涵頂推過(guò)程中位置出現(xiàn)相對(duì)移動(dòng)。

箱涵頂進(jìn)置換管幕頂推過(guò)程自動(dòng)測(cè)量是采用自動(dòng)全站儀作為數(shù)據(jù)采集傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)定固定于箱涵上的三個(gè)目標(biāo)棱鏡的空間點(diǎn)位坐標(biāo)和角度方位信息;然后結(jié)合初始標(biāo)定的目標(biāo)棱鏡三維坐標(biāo)，根據(jù)三維直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行大角度非線(xiàn)性基準(zhǔn)變換與處理，解算出箱涵首尾中心的三維坐標(biāo)，與設(shè)計(jì)軸線(xiàn)對(duì)比，計(jì)算出箱涵首尾姿態(tài)偏差;最后將箱涵姿態(tài)偏差刷新顯示在軟件界面上，完成施工測(cè)量自動(dòng)化。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要有3個(gè)功能模塊:顯示模塊、數(shù)據(jù)模塊和測(cè)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(tài)顯示，右邊是歷史數(shù)據(jù)偏差軌跡顯示。

圖2 箱涵框架頂進(jìn)系統(tǒng)的界面Fig.2 Interface of box culvert jacking system

2)數(shù)據(jù)模塊

數(shù)據(jù)模塊功能主要集中在“配置”和“查詢(xún)”兩個(gè)菜單。“配置”菜單主要是輸入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和起始參數(shù)等信息，“查詢(xún)”菜單提供歷史偏差數(shù)據(jù)查詢(xún)和最近的一次箱涵特征點(diǎn)坐標(biāo)值查詢(xún)。

3)測(cè)量模塊

測(cè)量模塊主要集中在“全站儀”菜單里，全站儀測(cè)量的一般過(guò)程為:連接儀器;設(shè)站測(cè)量;學(xué)習(xí)測(cè)量;自動(dòng)測(cè)量(包括控制儀器轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置，ATR自動(dòng)搜索，瞄準(zhǔn)，測(cè)量獲得數(shù)據(jù))。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(xué)習(xí)測(cè)量、自動(dòng)測(cè)量和后視檢核。

智能測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)的軟件包括必要的控制器的驅(qū)動(dòng)程序和測(cè)量控制、計(jì)算處理、入庫(kù)、顯示等;包括自動(dòng)啟動(dòng)全站儀功能，自動(dòng)有規(guī)律地尋找目標(biāo)棱鏡、自動(dòng)地觀測(cè)目標(biāo)及紀(jì)錄數(shù)據(jù)的功能，自動(dòng)地傳輸觀測(cè)數(shù)據(jù)功能，自動(dòng)地檢查、處理、計(jì)算及評(píng)定計(jì)算成果質(zhì)量的功能，并以圖形或表格形式顯示或打印結(jié)果。軟件系統(tǒng)算法流程如圖3所示。

系統(tǒng)定時(shí)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，完成對(duì)全站儀的實(shí)時(shí)控制。

圖3 系統(tǒng)軟件的運(yùn)行流程Fig.3 Flow chart of the system software

3 精度分析

試驗(yàn)中使用的智能全站儀測(cè)角精度為2″，測(cè)距精度為2+2 ppm。全站儀測(cè)算坐標(biāo)的原理是根據(jù)測(cè)出的斜距、水平角和天頂距來(lái)計(jì)算的，公式為:

式中的xP、yP、zP為測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，假定認(rèn)為其不存在誤差，所以根據(jù)誤差傳播定律，得到三維坐標(biāo)的誤差表達(dá)公式為:

在施工中，一般測(cè)距不超過(guò)150 m，令S=150 m;在實(shí)際工程環(huán)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(jìn)的坡度一般也不會(huì)很大，所以天頂距85°≤φ≤95°。

當(dāng)φ=90°、θ=0°(θ=180°)或者當(dāng)φ=90°、θ= 90°(θ=270°)時(shí)，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(yīng)用實(shí)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(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，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(guò)雙重置換過(guò)程，完成地下通道工程。該工法的主要流程為:基坑開(kāi)挖→閥板制作→箱涵框架制作→管節(jié)頂進(jìn)→箱涵框架頂進(jìn)→U型槽施工→附屬設(shè)施施工。其中管節(jié)頂進(jìn)和箱涵框架頂進(jìn)過(guò)程需要實(shí)時(shí)監(jiān)控、做到信息化施工。對(duì)此，我們以管節(jié)、箱涵頂推全過(guò)程的有效監(jiān)控為目標(biāo)，重點(diǎn)研究管節(jié)頂進(jìn)姿態(tài)、箱涵頂進(jìn)姿態(tài)的引導(dǎo)與控制，實(shí)現(xiàn)管節(jié)、箱涵頂進(jìn)精度滿(mǎn)足要求。

在管節(jié)與箱涵的施工中，采用了我們研發(fā)的配套系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)向監(jiān)控。表1為某管節(jié)頂進(jìn)開(kāi)始部分偏差數(shù)據(jù);表2為箱涵頂進(jìn)中某一姿態(tài)的數(shù)據(jù)。

自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)箱涵推進(jìn)姿態(tài)可進(jìn)行快速跟蹤測(cè)量，系統(tǒng)每次測(cè)量3個(gè)特征點(diǎn)的時(shí)間不到一分鐘。在施工中，測(cè)定箱涵的偏差精度達(dá)到毫米級(jí)精度。系統(tǒng)可視化程度高，通過(guò)自動(dòng)測(cè)量得到箱涵姿態(tài)偏差，不僅方便施工人員糾偏，而且其里程信息和偏差可實(shí)時(shí)傳遞到地面控制室，方便掌握施工進(jìn)程。

采用智能測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)對(duì)管節(jié)和箱涵進(jìn)行實(shí)時(shí)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(nèi)，從而保證了箱涵順利貫通到位。

5 結(jié)語(yǔ)

智能測(cè)量引導(dǎo)系統(tǒng)在金山鐵路與公路立體交叉實(shí)際工程的成功應(yīng)用，充分體現(xiàn)出其優(yōu)越性。這套系統(tǒng)具有如下明顯的優(yōu)點(diǎn):

1)運(yùn)行穩(wěn)定性較好，可適應(yīng)地下惡劣的測(cè)量環(huán)境;

2)測(cè)量精度高，測(cè)定箱涵的偏差精度達(dá)到毫米級(jí)，實(shí)現(xiàn)控制箱涵貫通誤差厘米級(jí)［5］;

3)由于在系統(tǒng)運(yùn)行的控制軟件中編寫(xiě)了許多自動(dòng)糾錯(cuò)程序，系統(tǒng)容錯(cuò)性能很好，自動(dòng)化程度高，如管道中人員走動(dòng)及物體阻斷測(cè)量視線(xiàn)雖會(huì)引起測(cè)量暫停，但計(jì)算機(jī)會(huì)顯示視線(xiàn)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(dòng)測(cè)量系統(tǒng)便可自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量;

4)高度智能化。結(jié)合進(jìn)一步的軟件開(kāi)發(fā)，智能測(cè)量引導(dǎo)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)確保測(cè)量信息的可靠性，對(duì)施工過(guò)程的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，結(jié)合綜合分析結(jié)果自動(dòng)反饋糾偏信息，并兼顧工程運(yùn)行安全等多種因素提供最佳糾偏量，達(dá)到智能化的要求。

表1 某管節(jié)頂進(jìn)開(kāi)始部分偏差數(shù)據(jù)(單位：m)Tab.1 Deviation of a certain pipe jacking at the beginning (unit：m)

表2 箱涵頂進(jìn)中某一姿態(tài)的數(shù)據(jù)(單位：m)Tab.2 An attitude data of Box culvert jacking(unit：m)

1 周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.(Zhou Wenbo.Shield tunneling technology［M］.Beijing:China Building Industry Press，2004)

2 潘國(guó)榮，周瑩，張德海.坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型在盾構(gòu)姿態(tài)計(jì)算中的應(yīng)用［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，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(guó)榮，王穗輝.地鐵盾構(gòu)施工中的若干測(cè)量手段及方法［J］.測(cè)繪通報(bào)，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(guó)榮，車(chē)建仁.城市地鐵建設(shè)中的測(cè)量技術(shù)［J］.江西科學(xué)，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(guó)榮，王穗輝.上海地鐵二號(hào)線(xiàn)隧道貫通定向技術(shù)及精度控制［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，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(jì)劃項(xiàng)目(10231200302)

潘國(guó)榮，男，1960年生，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榫芄こ虦y(cè)量、工業(yè)測(cè)量與測(cè)量數(shù)據(jù)處理.E-mail:pgr2@163.com

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A