盾構姿態自動監測系統開發與應用

【摘 要】：本文介紹了基于Leica TCA機器人系列所開發的盾構機三維姿態跟蹤自動監測系統的開發思路、具備的功能特點。隧道工程應用以及對結果數據所做分析表明，系統性能——速度、精度、動態適應性和運行穩定性等方面已達到實用要求。
【關鍵詞】：隧道工程，盾構姿態，自動測量，系統開發

1 引言
盾構機姿態實時正確測定，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所采用的自動監測系統有：德國VMT公司的SLS—T方向引導系統；英國的ZED系統；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。據了解，目前有些地鐵工程中（如廣州、南京）在用SLS—T系統，應用效果尚好。
總的來看，工程中使用自動系統的較少。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 國外系統簡況
國外現有系統其依據的測量原理，是把盾構機各個姿態量（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構架原理和測量方法限制，其系統或者很復雜而降低了系統的運行穩定性，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，作業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 系統開發思路與功能特點
2.1開發思路
基于對已有同類系統優缺點的分析，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，主要體現在：其一，系統運行不采用直接激光指向接收靶的引導方式，而是根據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，還具有再開發的能力，這為我們得以找到另外的測量盾構機姿態的方法，提供了思路上和技術上的新途徑。
系統開發著眼于克服傳統測控方式的缺點，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，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，實現全自動盾構姿態測量。
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方向，并以此為依據來控制盾構機的推進，及時進行糾正。系統功能特點與以往方式不同，主要表現在：
(1) 獨特的同步跟進方式：本系統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”進行嚴密的姿態要素求解。
(4) 運行穩定精度高：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境中的正常運行（溫度變化大，濕度高，有震動的施工環境）。

圖1　系統主信息界面示意
系統連續跟蹤測定當前盾構機的三維空間位置、姿態，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。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 系統初始化操作
系統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) 系統運行初態數據測定和輸入。
在固定站[T2]換位時，相關的初態數據須重測重設，而其他幾項只在首次安裝時完成即可。
F1鍵啟動系統。固定的[T2]全站儀后視隧道壁上的Ba后視點（棱鏡）進行系統的測量定向。[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界面，當系統周而復始連續循環運行時，能夠智能分析工作狀態來調整循環周期（延遲時間），直到命令停止測量或退出。

3　系統軟件與設備構成
3.1 軟件開發依據的基礎
測量要素獲得是系統工作的基礎，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，實現即時空間定位，這在設計原理上不同于現有同類系統。系統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精密測量，使觀測點設置自由靈活，大大提高了系統測量的精度。
■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”)。
■工業計算機
系統控制采用日本的CONTEC IPCRT/L600S計算機，它能在震動狀態、5。~50。C及80%相對濕度環境中正常運行，工礦環境下能夠防塵、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
系統長距離雙向數據通訊設備采用國內先進的元器件，性能優良，使得本系統通訊距離允許長達1000米（通常200米以內即滿足系統使用要求），故障率較國外同類系統低得多，約減少90％以上。通訊原理如圖三所示。

3.3 系統硬件組成簡單的優勢
從設備構成可知，系統不使用陀螺儀，也不必配裝激光發射接收裝置，并舍去其他許多系統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構成，系統簡化提高了其健壯性，系統實現最簡和最優。
帶來上述優點的原因，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，本構架組成系統的硬件部件少，運行更加可靠，較其他形式的姿態測量方式優點明顯。實際上本系統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。
另外特別說明一點：本系統由兩臺儀器聯測時，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。得到的姿態結果均相互獨立，無累積計算，故系統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數據的運行錯誤。這種每次直接給出獨立盾構機姿態六要素（X，Y，Z，α，β，γ）的測算模式，在同類系統中是首次采用。
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，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境中的人工作業，改善了盾構隧道施工信息化中的一個重要但較薄弱的環節。

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～延長路站區間盾構推進工程，本系統在該隧道的盾構掘進中成功應用，實現實時自動測量，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。
盾構姿態自動監測系統于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）安裝自動監測系統，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，自動監測系統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 系統運行結果精度分析
盾構機非推進狀態的實測數據精度估計分析

通過實驗調試和施工運行引導推進表明，系統在盾構推進過程中連續跟蹤測量盾構機姿態運行狀況良好。測量一次大約2~3分鐘。在“停止”狀態測得數據中，里程是不變的，此時的偏差變化，直接反映出系統在低度干擾狀態下的內符合穩定性，其數據——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 開發與應用小結
經數據隨機抽樣統計計算得出中誤差（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偏差結果的中誤差均小于±20毫米，滿足規范要求。
為了檢核盾構姿態自動監測系統的實測精度，仍采用常規的人工測量方法，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，系統表現出良好的性能：
1) 實時性——系統自動測量反映當前盾構機空間(六自由度)狀態；
2) 動態性——系統自動跟蹤跟進，較好解決了彎道轉向問題；
3) 簡易性——系統結構簡單合理，操作和維護方便，易于推廣使用；
4) 快速性——系統測量一次僅需約兩分鐘；
5) 準確性——結果準確精度高，滿足規范要求，在各種工況狀態都小于±20毫米；
6) 穩定性——適應震動潮濕的地下隧道環境，系統可以長期連續運行。
本系統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，運行穩定，精確度高，維護方便的盾構姿態自動監測系統，在盾構施工中將發揮其應有作用。

[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經緯儀定位系統使用手冊，Leica儀器有限公司
[4] 盾構姿態自動監測系統研究與開發報告，2002年4月，上海市政二公司
[5] 杭州灣交通通道數據信息管理系統設計與開發，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》