盾構(gòu)姿態(tài)自動監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

【摘 要】：本文介紹了基于Leica TCA機器人系列所開發(fā)的盾構(gòu)機三維姿態(tài)跟蹤自動監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)思路、具備的功能特點。隧道工程應(yīng)用以及對結(jié)果數(shù)據(jù)所做分析表明，系統(tǒng)性能——速度、精度、動態(tài)適應(yīng)性和運行穩(wěn)定性等方面已達到實用要求。
【關(guān)鍵詞】：隧道工程，盾構(gòu)姿態(tài)，自動測量，系統(tǒng)開發(fā)

1 引言
盾構(gòu)機姿態(tài)實時正確測定，是隧道順利推進和確保工程質(zhì)量的前提，其重要性不言而喻。在盾構(gòu)機自動化程度越來越高的今天，甚至日掘進量超過二十米，可想而知，測量工作的壓力是相當(dāng)大的。這不僅要求精度高，不出錯；還必須速度快，對工作面交叉影響盡可能小。因此，為了能夠在隧道施工過程中及時準(zhǔn)確給出方向偏差，并予以指導(dǎo)糾偏，國內(nèi)外均有研制的精密自動導(dǎo)向系統(tǒng)用于隧道工程中，對工程起到了很好的保證作用。
1.1 國內(nèi)使用簡況
國內(nèi)隧道施工中測量盾構(gòu)機姿態(tài)所采用的自動監(jiān)測系統(tǒng)有：德國VMT公司的SLS—T方向引導(dǎo)系統(tǒng)；英國的ZED系統(tǒng)；日本TOKIMEC的TMG—32B（陀螺儀）方向檢測裝置等等。所采用的設(shè)備都是由國外進口來的。據(jù)了解，目前有些地鐵工程中（如廣州、南京）在用SLS—T系統(tǒng)，應(yīng)用效果尚好。
總的來看，工程中使用自動系統(tǒng)的較少。究其原因：一是設(shè)備費或租賃費較昂貴；二是對使用者要求高，普通技術(shù)人員不易掌握；三是有些系統(tǒng)的操作和維護較人工方法復(fù)雜，在精度可靠性上要輔助其它方法來保證。
1.2 國外系統(tǒng)簡況
國外現(xiàn)有系統(tǒng)其依據(jù)的測量原理，是把盾構(gòu)機各個姿態(tài)量（包括：坐標(biāo)量—X.Y.Z，方位偏角、坡度差、軸向轉(zhuǎn)角）分別進行測定，準(zhǔn)確性和時效性受系統(tǒng)構(gòu)架原理和測量方法限制，其系統(tǒng)或者很復(fù)雜而降低了系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，加大了投入的成本，或者精度偏低，或者功能不足，需配合其他手段才能完成。
國外生產(chǎn)的盾構(gòu)設(shè)備一般備有可選各自成套的測量與控制系統(tǒng)，作業(yè)方式主要以單點測距定位、輔以激光方向指向接收靶來檢測橫向與垂向偏移量的形式為主。另外要有縱、橫兩個精密測傾儀輔助[7]。有些（日本）盾構(gòu)機廠商提供的測控裝置中包括陀螺定向儀，采用角度與距離積分的計算方法[1] [2]，對較長距離和較長時間推進后的盾構(gòu)機方位進行校核，但精度偏低，對推進只起到有限的參考作用。

2 系統(tǒng)開發(fā)思路與功能特點
2.1開發(fā)思路
基于對已有同類系統(tǒng)優(yōu)缺點的分析，為達到更好的實用效果，我們就此從新進行整體設(shè)計，理論原理和方法同過去有所不同，主要體現(xiàn)在：其一，系統(tǒng)運行不采用直接激光指向接收靶的引導(dǎo)方式，而是根據(jù)測點精確坐標(biāo)值來對盾構(gòu)機剛體進行獨立解算，計算盾構(gòu)姿態(tài)元素的精確值，擯棄以往積分推算方法，防止誤差積累；其二，選用具有自主開發(fā)功能的高精度全自動化的測量機器人，測量過程達到完全自動化和計算機智能控制；其三，在理論上將平面加高程的傳統(tǒng)概念，按空間向量歸算，在理論上以三維向量表達，簡化測量設(shè)置方式和計算過程。
目前全站儀具備了過去所沒有的自動搜索、自動瞄準(zhǔn)、自動測量等多種高級功能，還具有再開發(fā)的能力，這為我們得以找到另外的測量盾構(gòu)機姿態(tài)的方法，提供了思路上和技術(shù)上的新途徑。
系統(tǒng)開發(fā)著眼于克服傳統(tǒng)測控方式的缺點，提高觀測可靠性和測量的及時性，減少時間占用，最大限度降低人工測量勞動強度，避免大的偏差出現(xiàn)，有利于盾構(gòu)施工進度，提高施工質(zhì)量，在總體上提高盾構(gòu)法隧道施工水平。系統(tǒng)設(shè)計上改進其他方式的缺點，在盾構(gòu)推進過程中無需人工干預(yù)，實現(xiàn)全自動盾構(gòu)姿態(tài)測量。
2.2 原理與功能特點
盾構(gòu)機能夠按照設(shè)計線路正確推進，其前提是及時測量、得到其準(zhǔn)確的空間位置和姿態(tài)方向，并以此為依據(jù)來控制盾構(gòu)機的推進，及時進行糾正。系統(tǒng)功能特點與以往方式不同，主要表現(xiàn)在：
(1) 獨特的同步跟進方式：本系統(tǒng)采用同步跟進測量方式，較好克服了隨著掘進面推進測點越來越遠造成的觀測困難和不便。
(2) 免除輔助傳感器設(shè)備，六要素一次給出（六自由度）。
(3) 三維向量導(dǎo)線計算：系統(tǒng)充分利用測量機器人(Leica TCA全站儀)的已有功能，直接測量點的三維坐標(biāo)（X，Y，Z）,采用新算方法——“空間向量”進行嚴(yán)密的姿態(tài)要素求解。
(4) 運行穩(wěn)定精度高：能充分滿足隧道工程施工對精度控制的要求以及對運行穩(wěn)定性的要求。
(5) 適用性強：能耐高低溫，適于條件較差的施工環(huán)境中的正常運行（溫度變化大，濕度高，有震動的施工環(huán)境）。

圖1　系統(tǒng)主信息界面示意
系統(tǒng)連續(xù)跟蹤測定當(dāng)前盾構(gòu)機的三維空間位置、姿態(tài)，和設(shè)計軸線進行比較獲得偏差信息。在計算機屏幕上顯示的主要信息如圖一所示。包括：盾構(gòu)機兩端（切口中心和盾尾中心）的水平偏差和垂直偏差及盾構(gòu)機剛體三個姿態(tài)轉(zhuǎn)角：1)盾購機水平方向偏轉(zhuǎn)角（方位角偏差）、2)盾構(gòu)機軸向旋轉(zhuǎn)角、3)盾構(gòu)機縱向坡度差（傾斜角差），以及測量時間和盾構(gòu)機切口的當(dāng)前里程，并顯示盾構(gòu)機切口所處位置的線路設(shè)計要素。
2.3 運行流程
系統(tǒng)采用跟蹤式全自動全站儀（測量機器人），在計算機的遙控下完成盾構(gòu)實時姿態(tài)跟蹤測量。測量方式如圖二所示：由固定在吊籃（或隧道壁）上的一臺自動全站儀[T2]和固定于隧道內(nèi)的一個后視點Ba，組成支導(dǎo)線的基準(zhǔn)點與基準(zhǔn)線。按連續(xù)導(dǎo)線形式沿盾構(gòu)推進方向，向前延伸傳遞給在同步跟進的車架頂上安置的另一臺自動全站儀[T1]及棱鏡，由測站[T1]測量安置于盾構(gòu)機內(nèi)的固定點{P1}、{P2}、{P3}，得到三點的坐標(biāo)。盾構(gòu)機本體上只設(shè)定三個目標(biāo)測點。該方式能較好地解決激光指向式測量系統(tǒng)的痼疾——對曲線段推進時基準(zhǔn)站設(shè)置與變遷頻繁的問題。
2.4 剛體原理
盾構(gòu)機體作為剛體，理論上不難理解，剛體上三個不共線的點唯一地確定其空間位置與姿態(tài)。由三測點的實時坐標(biāo)值，按向量歸算方法（另文），解算得出盾構(gòu)機特征點坐標(biāo)與姿態(tài)角度精確值。即通過三維向量歸算直接求得盾構(gòu)機切口和盾尾特征部位中心點O1和O2當(dāng)前的三維坐標(biāo)（X01、Y01、Z01和X02、Y02、Z02）。同時根據(jù)里程得到設(shè)計所對應(yīng)的理論值，兩者比較得出偏差量。

2.5 系統(tǒng)初始化操作
系統(tǒng)初始化包括四項內(nèi)容：
1) 設(shè)置盾構(gòu)機目標(biāo)測點和后視基準(zhǔn)點；
2) 固定站和動態(tài)站上全站儀安置；
3) 盾構(gòu)控制室內(nèi)計算機與全站儀通訊纜連接；
4) 系統(tǒng)運行初態(tài)數(shù)據(jù)測定和輸入。
在固定站[T2]換位時，相關(guān)的初態(tài)數(shù)據(jù)須重測重設(shè)，而其他幾項只在首次安裝時完成即可。
F1鍵啟動系統(tǒng)。固定的[T2]全站儀后視隧道壁上的Ba后視點（棱鏡）進行系統(tǒng)的測量定向。[T2]和安裝于盾構(gòu)機車架頂上的[T1]全站儀（隨車架整體移動）以及固定于盾構(gòu)機內(nèi)的測量目標(biāo)（反射鏡）P1、P2、P3構(gòu)成支導(dǎo)線進行導(dǎo)線自動測量。
2.6 運行操作與控制
本系統(tǒng)在兩個測站點[T1]、[T2]安裝自動全站儀，由通信線與計算機連接，除計算機“開”與“關(guān)”外，運行中無須人員操作和干予，計算機啟動后直接進入自動測量狀態(tài)界面，當(dāng)系統(tǒng)周而復(fù)始連續(xù)循環(huán)運行時，能夠智能分析工作狀態(tài)來調(diào)整循環(huán)周期（延遲時間），直到命令停止測量或退出。

3　系統(tǒng)軟件與設(shè)備構(gòu)成
3.1 軟件開發(fā)依據(jù)的基礎(chǔ)
測量要素獲得是系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，選用瑞士Leica公司TCA自動全站儀（測量機器人）及相應(yīng)的配件，構(gòu)成運行硬件基礎(chǔ)框架。基于TCA自動全站儀系列的接口軟件GeoCom和空間向量理論及定位計算方法，實現(xiàn)即時空間定位，這在設(shè)計原理上不同于現(xiàn)有同類系統(tǒng)。系統(tǒng)通過啟動自動測量運行程序，讓IPC機和通訊設(shè)備遙控全站儀自動進行測量，完成全部跟蹤跟進測量任務(wù)。
3.2系統(tǒng)硬件組成的五個部分
■全自動全站儀
測量主機采用瑞士徠卡公司的TCA1800自動測量全站儀，它是目前同類儀器中性能最完善可靠的儀器之一。TCA1800的測角精度為±1”、測距精度為1mm+2ppm；儀器可以在同視場范圍內(nèi)安裝二個棱鏡并實現(xiàn)精密測量，使觀測點設(shè)置自由靈活，大大提高了系統(tǒng)測量的精度。
■測量附屬設(shè)備
包括棱鏡和反射片等。
■自動整平基座
德國原裝設(shè)備，糾平范圍大(10o48’)，反應(yīng)快速靈敏(±32”)。
■工業(yè)計算機
系統(tǒng)控制采用日本的CONTEC IPCRT/L600S計算機，它能在震動狀態(tài)、5。~50。C及80%相對濕度環(huán)境中正常運行，工礦環(huán)境下能夠防塵、防震、防潮。其配置如下：
——Pentiun(r)-MMX233HZ 處理器
——32M內(nèi)存
——10G硬盤或更高
——3.5英寸軟驅(qū)
——Super VGA1024*768液晶顯示器
——PC/AT（101/102鍵）鍵盤接口
——標(biāo)準(zhǔn)PS/2鼠標(biāo)接口
——8串口多功能卡（內(nèi)置于計算機擴展槽）
■雙向通訊（全站儀D計算機）設(shè)備
系統(tǒng)長距離雙向數(shù)據(jù)通訊設(shè)備采用國內(nèi)先進的元器件，性能優(yōu)良，使得本系統(tǒng)通訊距離允許長達1000米（通常200米以內(nèi)即滿足系統(tǒng)使用要求），故障率較國外同類系統(tǒng)低得多，約減少90％以上。通訊原理如圖三所示。

3.3 系統(tǒng)硬件組成簡單的優(yōu)勢
從設(shè)備構(gòu)成可知，系統(tǒng)不使用陀螺儀，也不必配裝激光發(fā)射接收裝置，并舍去其他許多系統(tǒng)所依賴的傳感設(shè)備或測傾儀設(shè)備，從而最大限度地簡化了系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)簡化提高了其健壯性，系統(tǒng)實現(xiàn)最簡和最優(yōu)。
帶來上述優(yōu)點的原因，在于機器人良好的性能和高精度以及定位原理上直接采用三維框架，通過在計算理論和方法上突破過去傳統(tǒng)方式的框框，使之能夠高精度直接給出盾構(gòu)機上任意（特征）點的三維坐標(biāo)（X，Y，Z）以及三個方向的（偏轉(zhuǎn)）角度（α，β，γ），這樣在盾構(gòu)機定位定向中，即使是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的盾構(gòu)機也能夠簡單地同時確定任意多個特征點。比如DOT式雙圓盾構(gòu)需解決雙軸中心線位或其他盾構(gòu)更多 軸心、以及鉸接式變角等問題，可通過向量和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計算解出而不必增加必要觀測。
由此可知，本構(gòu)架組成系統(tǒng)的硬件部件少，運行更加可靠，較其他形式的姿態(tài)測量方式優(yōu)點明顯。實際上本系統(tǒng)的最大特點就是由測量點的坐標(biāo)直接解算來直接給定測量對象（剛體）的空間姿態(tài)。
另外特別說明一點：本系統(tǒng)由兩臺儀器聯(lián)測時，每次測量都從隧道基準(zhǔn)導(dǎo)線點開始，測量運行過程中每點和每條邊在檢驗通過之后才進行下步。得到的姿態(tài)結(jié)果均相互獨立，無累積計算，故系統(tǒng)求解計算中無累計性誤差存在。因此，每次結(jié)果之間可以相互起到檢核作用，從而避免產(chǎn)生人為的或系統(tǒng)數(shù)據(jù)的運行錯誤。這種每次直接給出獨立盾構(gòu)機姿態(tài)六要素（X，Y，Z，α，β，γ）的測算模式，在同類系統(tǒng)中是首次采用。
冗余觀測能夠避免差錯，也是提高精度的有效方法。最短可設(shè)置每三分鐘測定一次盾構(gòu)機姿態(tài)，由此產(chǎn)生足量冗余，不僅確保了結(jié)果的準(zhǔn)確，也保證了提供指導(dǎo)信息的及時性，同時替代了隧道不良環(huán)境中的人工作業(yè)，改善了盾構(gòu)隧道施工信息化中的一個重要但較薄弱的環(huán)節(jié)。

4　工程應(yīng)用及結(jié)論
4.1 工程應(yīng)用
上海市共和新路高架工程中山北路站～延長路站區(qū)間盾構(gòu)推進工程，本系統(tǒng)在該隧道的盾構(gòu)掘進中成功應(yīng)用，實現(xiàn)實時自動測量，通過了貫通檢驗。該工程包括上行線和下行線二條隧道，單線全長1267米。每條隧道包含15段平曲線（直線、緩和曲線、圓曲線）和17段豎曲線（坡度線、圓曲線），線型復(fù)雜。
盾構(gòu)姿態(tài)自動監(jiān)測系統(tǒng)于2001年12月11日至2002年3月7日在盾構(gòu)推進施工中調(diào)試應(yīng)用。首先在下行線（里程SK15+804～SK16+103）安裝自動監(jiān)測系統(tǒng)，調(diào)試獲得成功，由于下行線推進前方遇到灌注樁障礙被迫停工，自動監(jiān)測系統(tǒng)轉(zhuǎn)移安裝到上行線的盾構(gòu)推進施工中使用，直到上行線于2002年3月7日準(zhǔn)確貫通，取得滿意結(jié)果。
4.2 系統(tǒng)運行結(jié)果精度分析
盾構(gòu)機非推進狀態(tài)的實測數(shù)據(jù)精度估計分析

通過實驗調(diào)試和施工運行引導(dǎo)推進表明，系統(tǒng)在盾構(gòu)推進過程中連續(xù)跟蹤測量盾構(gòu)機姿態(tài)運行狀況良好。測量一次大約2~3分鐘。在“停止”狀態(tài)測得數(shù)據(jù)中，里程是不變的，此時的偏差變化，直接反映出系統(tǒng)在低度干擾狀態(tài)下的內(nèi)符合穩(wěn)定性，其數(shù)據(jù)——偏差量用來指導(dǎo)盾構(gòu)機的掘進和糾偏。盾構(gòu)不推進所測定盾構(gòu)機偏差的較差<±1cm，盾構(gòu)推進時測定盾構(gòu)機偏差的誤差<±2cm。表三中和人工測量的結(jié)果對比，考慮對盾構(gòu)機特征點預(yù)置是獨立操作的，從而存在的不共點誤差，由此推估測量結(jié)果和人工測量是一致的，在盾構(gòu)機貫通進洞時得到驗證。
4.3 開發(fā)與應(yīng)用小結(jié)
經(jīng)數(shù)據(jù)隨機抽樣統(tǒng)計計算得出中誤差（表一、表二）表明：以兩倍中誤差為限值，盾構(gòu)機停止和推進兩種狀態(tài)偏差結(jié)果的中誤差均小于±20毫米，滿足規(guī)范要求。
為了檢核盾構(gòu)姿態(tài)自動監(jiān)測系統(tǒng)的實測精度，仍采用常規(guī)的人工測量方法，測定切口和盾尾的水平偏差和垂直偏差，并與同里程的自動測量記錄相比較（表三），求得二者的較差(△)。由于二者各自確定的切口中心點Ｏ1和盾尾中心點Ｏ2不一致偏差約為2cm，所以各自測定的偏差不是相對于同一中心點的，即二者之間先期存在著系統(tǒng)性差值。

通過工程實用運行，對多種困難條件適應(yīng)性檢驗，系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的性能：
1) 實時性——系統(tǒng)自動測量反映當(dāng)前盾構(gòu)機空間(六自由度)狀態(tài)；
2) 動態(tài)性——系統(tǒng)自動跟蹤跟進，較好解決了彎道轉(zhuǎn)向問題；
3) 簡易性——系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單合理，操作和維護方便，易于推廣使用；
4) 快速性——系統(tǒng)測量一次僅需約兩分鐘；
5) 準(zhǔn)確性——結(jié)果準(zhǔn)確精度高，滿足規(guī)范要求，在各種工況狀態(tài)都小于±20毫米；
6) 穩(wěn)定性——適應(yīng)震動潮濕的地下隧道環(huán)境，系統(tǒng)可以長期連續(xù)運行。
本系統(tǒng)已成功用于上海市復(fù)興東路越江隧道?11.22米大型泥水平衡盾構(gòu)推進中。我們相信對于結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定，精確度高，維護方便的盾構(gòu)姿態(tài)自動監(jiān)測系統(tǒng)，在盾構(gòu)施工中將發(fā)揮其應(yīng)有作用。

[參考文獻]
[1] 隧道工程，上海科學(xué)技術(shù)出版社，1999年7月，劉建航主編
[2] 地鐵一號線工程，上海科學(xué)技術(shù)出版社，1999年7月，劉建航主編
[3] TPS1000經(jīng)緯儀定位系統(tǒng)使用手冊，Leica儀器有限公司
[4] 盾構(gòu)姿態(tài)自動監(jiān)測系統(tǒng)研究與開發(fā)報告，2002年4月，上海市政二公司
[5] 杭州灣交通通道數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)，華東公路，1998.3，岳秀平
[6] GeoCOM Reference Manual Version2.20，Leica AG，CH-9435 Heerbrugg(Switzerland)
[7] SLS-RV Guidance System For Pipe Jacking Technical Description，VMT GmbH
[8] www.vmt-gmbh.de，The Guidance Professinal

選自《城建集團科技大會論文集》