盾构姿态自动监测系统开发与应用

【摘 要】：本文介绍了基于Leica TCA机器人系列所开发的盾构机三维姿态跟踪自动监测系统的开发思路、具备的功能特点。隧道工程应用以及对结果数据所做分析表明，系统性能——速度、精度、动态适应性和运行稳定性等方面已达到实用要求。

【关键词】：隧道工程，盾构姿态，自动测量，系统开发

1 引言
盾构机姿态实时正确测定，是隧道顺利推进和确保工程质量的前提，其重要性不言而喻。在盾构机自动化程度越来越高的今天，甚至日掘进量超过二十米，可想而知，测量工作的压力是相当大的。这不仅要求精度高，不出错；还必须速度快，对工作面交叉影响尽可能小。因此，为了能够在隧道施工过程中及时准确给出方向偏差，并予以指导纠偏，国内外均有研制的精密自动导向系统用于隧道工程中，对工程起到了很好的保证作用。
1.1 国内使用简况
国内隧道施工中测量盾构机姿态所采用的自动监测系统有：德国VMT公司的SLS—T方向引导系统；英国的ZED系统；日本TOKIMEC的TMG—32B（陀螺仪）方向检测装置等等。所采用的设备都是由国外进口来的。据了解，目前有些地铁工程中（如广州、南京）在用SLS—T系统，应用效果尚好。
总的来看，工程中使用自动系统的较少。究其原因：一是设备费或租赁费较昂贵；二是对使用者要求高，普通技术人员不易掌握；三是有些系统的操作和维护较人工方法复杂，在精度可靠性上要辅助其它方法来保证。
1.2 国外系统简况
国外现有系统其依据的测量原理，是把盾构机各个姿态量（包括：坐标量—X.Y.Z，方位偏角、坡度差、轴向转角）分别进行测定，准确性和时效性受系统构架原理和测量方法限制，其系统或者很复杂而降低了系统的运行稳定性，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。
国外生产的盾构设备一般备有可选各自成套的测量与控制系统，作业方式主要以单点测距定位、辅以激光方向指向接收靶来检测横向与垂向偏移量的形式为主。另外要有纵、横两个精密测倾仪辅助[7]。有些（日本）盾构机厂商提供的测控装置中包括陀螺定向仪，采用角度与距离积分的计算方法[1] [2]，对较长距离和较长时间推进后的盾构机方位进行校核，但精度偏低，对推进只起到有限的参考作用。

2 系统开发思路与功能特点
2.1开发思路
基于对已有同类系统优缺点的分析，为达到更好的实用效果，我们就此从新进行整体设计，理论原理和方法同过去有所不同，主要体现在：其一，系统运行不采用直接激光指向接收靶的引导方式，而是根据测点精确坐标值来对盾构机刚体进行独立解算，计算盾构姿态元素的精确值，摈弃以往积分推算方法，防止误差积累；其二，选用具有自主开发功能的高精度全自动化的测量机器人，测量过程达到完全自动化和计算机智能控制；其三，在理论上将平面加高程的传统概念，按空间向量归算，在理论上以三维向量表达，简化测量设置方式和计算过程。
目前全站仪具备了过去所没有的自动搜索、自动瞄准、自动测量等多种高级功能，还具有再开发的能力，这为我们得以找到另外的测量盾构机姿态的方法，提供了思路上和技术上的新途径。
系统开发着眼于克服传统测控方式的缺点，提高观测可靠性和测量的及时性，减少时间占用，最大限度降低人工测量劳动强度，避免大的偏差出现，有利于盾构施工进度，提高施工质量，在总体上提高盾构法隧道施工水平。系统设计上改进其他方式的缺点，在盾构推进过程中无需人工干预，实现全自动盾构姿态测量。
2.2 原理与功能特点
盾构机能够按照设计线路正确推进，其前提是及时测量、得到其准确的空间位置和姿态方向，并以此为依据来控制盾构机的推进，及时进行纠正。系统功能特点与以往方式不同，主要表现在：
(1) 独特的同步跟进方式：本系统采用同步跟进测量方式，较好克服了随着掘进面推进测点越来越远造成的观测困难和不便。
(2) 免除辅助传感器设备，六要素一次给出（六自由度）。
(3) 三维向量导线计算：系统充分利用测量机器人(Leica TCA全站仪)的已有功能，直接测量点的三维坐标（X，Y，Z）,采用新算方法——“空间向量”进行严密的姿态要素求解。
(4) 运行稳定精度高：能充分满足隧道工程施工对精度控制的要求以及对运行稳定性的要求。
(5) 适用性强：能耐高低温，适于条件较差的施工环境中的正常运行（温度变化大，湿度高，有震动的施工环境）。

图1　系统主信息界面示意
系统连续跟踪测定当前盾构机的三维空间位置、姿态，和设计轴线进行比较获得偏差信息。在计算机屏幕上显示的主要信息如图一所示。包括：盾构机两端（切口中心和盾尾中心）的水平偏差和垂直偏差及盾构机刚体三个姿态转角：1)盾购机水平方向偏转角（方位角偏差）、2)盾构机轴向旋转角、3)盾构机纵向坡度差（倾斜角差），以及测量时间和盾构机切口的当前里程，并显示盾构机切口所处位置的线路设计要素。
2.3 运行流程
系统采用跟踪式全自动全站仪（测量机器人），在计算机的遥控下完成盾构实时姿态跟踪测量。测量方式如图二所示：由固定在吊篮（或隧道壁）上的一台自动全站仪[T2]和固定于隧道内的一个后视点Ba，组成支导线的基准点与基准线。按连续导线形式沿盾构推进方向，向前延伸传递给在同步跟进的车架顶上安置的另一台自动全站仪[T1]及棱镜，由测站[T1]测量安置于盾构机内的固定点{P1}、{P2}、{P3}，得到三点的坐标。盾构机本体上只设定三个目标测点。该方式能较好地解决激光指向式测量系统的痼疾——对曲线段推进时基准站设置与变迁频繁的问题。

2.4 刚体原理
盾构机体作为刚体，理论上不难理解，刚体上三个不共线的点唯一地确定其空间位置与姿态。由三测点的实时坐标值，按向量归算方法（另文），解算得出盾构机特征点坐标与姿态角度精确值。即通过三维向量归算直接求得盾构机切口和盾尾特征部位中心点O1和O2当前的三维坐标（X01、Y01、Z01和X02、Y02、Z02）。同时根据里程得到设计所对应的理论值，两者比较得出偏差量。

2.5 系统初始化操作
系统初始化包括四项内容：
1) 设置盾构机目标测点和后视基准点；
2) 固定站和动态站上全站仪安置；
3) 盾构控制室内计算机与全站仪通讯缆连接；
4) 系统运行初态数据测定和输入。
在固定站[T2]换位时，相关的初态数据须重测重设，而其他几项只在首次安装时完成即可。
F1键启动系统。固定的[T2]全站仪后视隧道壁上的Ba后视点（棱镜）进行系统的测量定向。[T2]和安装于盾构机车架顶上的[T1]全站仪（随车架整体移动）以及固定于盾构机内的测量目标（反射镜）P1、P2、P3构成支导线进行导线自动测量。
2.6 运行操作与控制
本系统在两个测站点[T1]、[T2]安装自动全站仪，由通信线与计算机连接，除计算机“开”与“关”外，运行中无须人员操作和干予，计算机启动后直接进入自动测量状态界面，当系统周而复始连续循环运行时，能够智能分析工作状态来调整循环周期（延迟时间），直到命令停止测量或退出。

3　系统软件与设备构成
3.1 软件开发依据的基础
测量要素获得是系统工作的基础，选用瑞士Leica公司TCA自动全站仪（测量机器人）及相应的配件，构成运行硬件基础框架。基于TCA自动全站仪系列的接口软件GeoCom和空间向量理论及定位计算方法，实现即时空间定位，这在设计原理上不同于现有同类系统。系统通过启动自动测量运行程序，让IPC机和通讯设备遥控全站仪自动进行测量，完成全部跟踪跟进测量任务。
3.2系统硬件组成的五个部分
■全自动全站仪
测量主机采用瑞士徕卡公司的TCA1800自动测量全站仪，它是目前同类仪器中性能最完善可靠的仪器之一。TCA1800的测角精度为±1”、测距精度为1mm+2ppm；仪器可以在同视场范围内安装二个棱镜并实现精密测量，使观测点设置自由灵活，大大提高了系统测量的精度。
■测量附属设备
包括棱镜和反射片等。
■自动整平基座
德国原装设备，纠平范围大(10o48’)，反应快速灵敏(±32”)。
■工业计算机
系统控制采用日本的CONTEC IPCRT/L600S计算机，它能在震动状态、5。~50。C及80%相对湿度环境中正常运行，工矿环境下能够防尘、防震、防潮。其配置如下：
——Pentiun(r)-MMX233HZ 处理器
——32M内存
——10G硬盘或更高
——3.5英寸软驱
——Super VGA1024*768液晶显示器
——PC/AT（101/102键）键盘接口
——标准PS/2鼠标接口
——8串口多功能卡（内置于计算机扩展槽）
■双向通讯（全站仪D计算机）设备
系统长距离双向数据通讯设备采用国内先进的元器件，性能优良，使得本系统通讯距离允许长达1000米（通常200米以内即满足系统使用要求），故障率较国外同类系统低得多，约减少90％以上。通讯原理如图三所示。

3.3 系统硬件组成简单的优势
从设备构成可知，系统不使用陀螺仪，也不必配装激光发射接收装置，并舍去其他许多系统所依赖的传感设备或测倾仪设备，从而最大限度地简化了系统构成，系统简化提高了其健壮性，系统实现最简和最优。
带来上述优点的原因，在于机器人良好的性能和高精度以及定位原理上直接采用三维框架，通过在计算理论和方法上突破过去传统方式的框框，使之能够高精度直接给出盾构机上任意（特征）点的三维坐标（X，Y，Z）以及三个方向的（偏转）角度（α，β，γ），这样在盾构机定位定向中，即使是结构复杂的盾构机也能够简单地同时确定任意多个特征点。比如DOT式双圆盾构需解决双轴中心线位或其他盾构更多 轴心、以及铰接式变角等问题，可通过向量和坐标转换计算解出而不必增加必要观测。
由此可知，本构架组成系统的硬件部件少，运行更加可靠，较其他形式的姿态测量方式优点明显。实际上本系统的最大特点就是由测量点的坐标直接解算来直接给定测量对象（刚体）的空间姿态。
另外特别说明一点：本系统由两台仪器联测时，每次测量都从隧道基准导线点开始，测量运行过程中每点和每条边在检验通过之后才进行下步。得到的姿态结果均相互独立，无累积计算，故系统求解计算中无累计性误差存在。因此，每次结果之间可以相互起到检核作用，从而避免产生人为的或系统数据的运行错误。这种每次直接给出独立盾构机姿态六要素（X，Y，Z，α，β，γ）的测算模式，在同类系统中是首次采用。
冗余观测能够避免差错，也是提高精度的有效方法。最短可设置每三分钟测定一次盾构机姿态，由此产生足量冗余，不仅确保了结果的准确，也保证了提供指导信息的及时性，同时替代了隧道不良环境中的人工作业，改善了盾构隧道施工信息化中的一个重要但较薄弱的环节。

4　工程应用及结论
4.1 工程应用
上海市共和新路高架工程中山北路站～延长路站区间盾构推进工程，本系统在该隧道的盾构掘进中成功应用，实现实时自动测量，通过了贯通检验。该工程包括上行线和下行线二条隧道，单线全长1267米。每条隧道包含15段平曲线（直线、缓和曲线、圆曲线）和17段竖曲线（坡度线、圆曲线），线型复杂。
盾构姿态自动监测系统于2001年12月11日至2002年3月7日在盾构推进施工中调试应用。首先在下行线（里程SK15+804～SK16+103）安装自动监测系统，调试获得成功，由于下行线推进前方遇到灌注桩障碍被迫停工，自动监测系统转移安装到上行线的盾构推进施工中使用，直到上行线于2002年3月7日准确贯通，取得满意结果。
4.2 系统运行结果精度分析
盾构机非推进状态的实测数据精度估计分析

通过实验调试和施工运行引导推进表明，系统在盾构推进过程中连续跟踪测量盾构机姿态运行状况良好。测量一次大约2~3分钟。在“停止”状态测得数据中，里程是不变的，此时的偏差变化，直接反映出系统在低度干扰状态下的内符合稳定性，其数据——偏差量用来指导盾构机的掘进和纠偏。盾构不推进所测定盾构机偏差的较差<±1cm，盾构推进时测定盾构机偏差的误差<±2cm。表三中和人工测量的结果对比，考虑对盾构机特征点预置是独立操作的，从而存在的不共点误差，由此推估测量结果和人工测量是一致的，在盾构机贯通进洞时得到验证。
4.3 开发与应用小结
经数据随机抽样统计计算得出中误差（表一、表二）表明：以两倍中误差为限值，盾构机停止和推进两种状态偏差结果的中误差均小于±20毫米，满足规范要求。
为了检核盾构姿态自动监测系统的实测精度，仍采用常规的人工测量方法，测定切口和盾尾的水平偏差和垂直偏差，并与同里程的自动测量记录相比较（表三），求得二者的较差(△)。由于二者各自确定的切口中心点Ｏ1和盾尾中心点Ｏ2不一致偏差约为2cm，所以各自测定的偏差不是相对于同一中心点的，即二者之间先期存在着系统性差值。

通过工程实用运行，对多种困难条件适应性检验，系统表现出良好的性能：
1) 实时性——系统自动测量反映当前盾构机空间(六自由度)状态；
2) 动态性——系统自动跟踪跟进，较好解决了弯道转向问题；
3) 简易性——系统结构简单合理，操作和维护方便，易于推广使用；
4) 快速性——系统测量一次仅需约两分钟；
5) 准确性——结果准确精度高，满足规范要求，在各种工况状态都小于±20毫米；
6) 稳定性——适应震动潮湿的地下隧道环境，系统可以长期连续运行。
本系统已成功用于上海市复兴东路越江隧道?11.22米大型泥水平衡盾构推进中。我们相信对于结构简单，运行稳定，精确度高，维护方便的盾构姿态自动监测系统，在盾构施工中将发挥其应有作用。

[参考文献]
[1] 隧道工程，上海科学技术出版社，1999年7月，刘建航主编
[2] 地铁一号线工程，上海科学技术出版社，1999年7月，刘建航主编
[3] TPS1000经纬仪定位系统使用手册，Leica仪器有限公司
[4] 盾构姿态自动监测系统研究与开发报告，2002年4月，上海市政二公司
[5] 杭州湾交通通道数据信息管理系统设计与开发，华东公路，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