盾構姿態(tài)自動監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與應用
【摘 要】：本文介紹了基于Leica TCA機器人系列所開發(fā)的盾構機三維姿態(tài)跟蹤自動監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)思路、具備的功能特點。隧道工程應用以及對結果數(shù)據(jù)所做分析表明，系統(tǒng)性能——速度、精度、動態(tài)適應性和運行穩(wěn)定性等方面已達到實用要求。
【關鍵詞】：隧道工程，盾構姿態(tài)，自動測量，系統(tǒng)開發(fā)
1 引言
盾構機姿態(tài)實時正確測定，是隧道順利推進和確保工程質量的前提，其重要性不言而喻。在盾構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確給出方向偏差，并予以指導糾偏，國內外均有研制的精密自動導向系統(tǒng)用于隧道工程中，對工程起到了很好的保證作用。
1.1 國內使用簡況
國內隧道施工中測量盾構機姿態(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：一是設備費或租賃費較昂貴；二是對使用者要求高，普通技術人員不易掌握；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，是把盾構機各個姿態(tài)量（包括：坐標量—X.Y.Z，方位偏角、坡度差、軸向轉角）分別進行測定，準確性和時效性受系統(tǒng)構架原理和測量方法限制，其系統(tǒng)或者很復雜而降低了系統(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。
國外生產的盾構設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方式，而是根據(jù)測點精確坐標值來對盾構機剛體進行獨立解算，計算盾構姿態(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、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機姿態(tài)的方法，提供了思路上和技術上的新途徑。
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)，有利于盾構施工進度，提高施工質量，在總體上提高盾構法隧道施工水平。系統(tǒng)設計上改進其他方式的缺點，在盾構推進過程中無需人工干預，實現(xiàn)全自動盾構姿態(tài)測量。
2.2 原理與功能特點
盾構機能夠按照設計線路正確推進，其前提是及時測量、得到其準確的空間位置和姿態(tài)方向，并以此為依據(jù)來控制盾構機的推進，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) 免除輔助傳感器設備，六要素一次給出（六自由度）。
(3) 三維向量導線計算：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（X，Y，Z）,采用新算方法——“空間向量”進行嚴密的姿態(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)跟蹤測定當前盾構機的三維空間位置、姿態(tài)，和設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機剛體三個姿態(tài)轉角：1)盾購機水平方向偏轉角（方位角偏差）、2)盾構機軸向旋轉角、3)盾構機縱向坡度差（傾斜角差），以及測量時間和盾構機切口的當前里程，并顯示盾構機切口所處位置的線路設計要素。
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]和固定于隧道內的一個后視點Ba，組成支導線的基準點與基準線。按連續(xù)導線形式沿盾構推進方向，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]測量安置于盾構機內的固定點{P1}、{P2}、{P3}，得到三點的坐標。盾構機本體上只設定三個目標測點。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站設置與變遷頻繁的問題。
2.4 剛體原理
盾構機體作為剛體，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值，按向量歸算方法（另文），解算得出盾構機特征點坐標與姿態(tài)角度精確值。即通過三維向量歸算直接求得盾構機切口和盾尾特征部位中心點O1和O2當前的三維坐標（X01、Y01、Z01和X02、Y02、Z02）。同時根據(jù)里程得到設計所對應的理論值，兩者比較得出偏差量。
2.5 系統(tǒng)初始化操作
系統(tǒng)初始化包括四項內容：
1) 設置盾構機目標測點和后視基準點；
2) 固定站和動態(tài)站上全站儀安置；
3) 盾構控制室內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，相關的初態(tài)數(shù)據(jù)須重測重設，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]和安裝于盾構機車架頂上的[T1]全站儀（隨車架整體移動）以及固定于盾構機內的測量目標（反射鏡）P1、P2、P3構成支導線進行導線自動測量。
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”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，當系統(tǒng)周而復始連續(xù)循環(huán)運行時，能夠智能分析工作狀態(tài)來調整循環(huán)周期（延遲時間），直到命令停止測量或退出。
3 系統(tǒng)軟件與設備構成
3.1 軟件開發(fā)依據(jù)的基礎
測量要素獲得是系統(tǒng)工作的基礎，選用瑞士Leica公司TCA自動全站儀（測量機器人）及相應的配件，構成運行硬件基礎框架。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機和通訊設備遙控全站儀自動進行測量，完成全部跟蹤跟進測量任務。
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安裝二個棱鏡并實現(xiàn)精密測量，使觀測點設置自由靈活，大大提高了系統(tǒng)測量的精度。
■測量附屬設備
包括棱鏡和反射片等。
■自動整平基座
德國原裝設備，糾平范圍大(10o48’)，反應快速靈敏(±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內存
——10G硬盤或更高
——3.5英寸軟驅
——Super VGA1024*768液晶顯示器
——PC/AT（101/102鍵）鍵盤接口
——標準PS/2鼠標接口
——8串口多功能卡（內置于計算機擴展槽）
■雙向通訊（全站儀D計算機）設備
系統(tǒng)長距離雙向數(shù)據(jù)通訊設備采用國內先進的元器件，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
從設備構成可知，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)所依賴的傳感設備或測傾儀設備，從而最大限度地簡化了系統(tǒng)構成，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機上任意（特征）點的三維坐標（X，Y，Z）以及三個方向的（偏轉）角度（α，β，γ），這樣在盾構機定位定向中，即使是結構復雜的盾構機也能夠簡單地同時確定任意多個特征點。比如DOT式雙圓盾構需解決雙軸中心線位或其他盾構更多 軸心、以及鉸接式變角等問題，可通過向量和坐標轉換計算解出而不必增加必要觀測。
由此可知，本構架組成系統(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導線點開始，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，每次結果之間可以相互起到檢核作用，從而避免產生人為的或系統(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。最短可設置每三分鐘測定一次盾構機姿態(tài)，由此產生足量冗余，不僅確保了結果的準確，也保證了提供指導信息的及時性，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 工程應用及結論
4.1 工程應用
上海市共和新路高架工程中山北路站～延長路站區(qū)間盾構推進工程，本系統(tǒng)在該隧道的盾構掘進中成功應用，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），線型復雜。
盾構姿態(tài)自動監(jiān)測系統(tǒng)于2001年12月11日至2002年3月7日在盾構推進施工中調試應用。首先在下行線（里程SK15+804～SK16+103）安裝自動監(jiān)測系統(tǒng)，調試獲得成功，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)轉移安裝到上行線的盾構推進施工中使用，直到上行線于2002年3月7日準確貫通，取得滿意結果。
4.2 系統(tǒng)運行結果精度分析
盾構機非推進狀態(tài)的實測數(shù)據(jù)精度估計分析
通過實驗調試和施工運行引導推進表明，系統(tǒng)在盾構推進過程中連續(xù)跟蹤測量盾構機姿態(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)下的內符合穩(wěn)定性，其數(shù)據(jù)——偏差量用來指導盾構機的掘進和糾偏。盾構不推進所測定盾構機偏差的較差<±1cm，盾構推進時測定盾構機偏差的誤差<±2cm。表三中和人工測量的結果對比，考慮對盾構機特征點預置是獨立操作的，從而存在的不共點誤差，由此推估測量結果和人工測量是一致的，在盾構機貫通進洞時得到驗證。
4.3 開發(fā)與應用小結
經數(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，盾構機停止和推進兩種狀態(tài)偏差結果的中誤差均小于±20毫米，滿足規(guī)范要求。
為了檢核盾構姿態(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)自動測量反映當前盾構機空間(六自由度)狀態(tài)；
2) 動態(tài)性——系統(tǒng)自動跟蹤跟進，較好解決了彎道轉向問題；
3) 簡易性——系統(tǒng)結構簡單合理，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) 準確性——結果準確精度高，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興東路越江隧道?11.22米大型泥水平衡盾構推進中。我們相信對于結構簡單，運行穩(wěn)定，精確度高，維護方便的盾構姿態(tài)自動監(jiān)測系統(tǒng)，在盾構施工中將發(fā)揮其應有作用。
[參考文獻]
[1] 隧道工程，上海科學技術出版社，1999年7月，劉建航主編
[2] 地鐵一號線工程，上海科學技術出版社，1999年7月，劉建航主編
[3] TPS1000經緯儀定位系統(tǒng)使用手冊，Leica儀器有限公司
[4] 盾構姿態(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》
