建设综合勘察研究设计院有限公司安徽分院 安徽合肥 230000
摘要：利用CORS网的静态定位数据作为隧道工程的地上控制网起算依据，结合地下导线网观测、联系测量和盾构机实时监测，为盾构机的姿态调整提供纠偏信息。该软件用于地铁盾构的引导测量，取得了一定的成效。
关键词：CORS，盾构引导 卡尔曼滤波
1 概述
随着城市的发展，市政基础设施建设对地下空间的使用提出了越来越高的要求，作为地下隧道开挖的有效方法，采用盾构机掘进已被广泛应用各个城市的地铁和隧道建设项目。另一方面，CORS(连续运行参考站)已被大量应用于工程领域，随着GPS、GLONASS、Galileo和北斗定位导航系统的星座系统建设日臻完善，使得空间定位卫星达到100颗以上，真正实现了全天候、全时段覆盖。将CORS网纳入盾构引导监测，实现地上控制网的自动观测和修正，减少人为观测误差对控制网的影响。
2 地面控制网的建立
2.1数据处理
地面数据处理主要对地上控制网观测数据进行平差，一般采用高精度全站仪进行导线网或者边角网测量，或者直接使用GPS进行静态观测。结合CORS站进行实时观测，数据处理方法同GPS静态定位解算方法类似。一般采用双差改正，利用线性组合方式消除与空间、卫星和接收机有关的误差。
2.2 CORS网的建设
CORS网是一种基于网络的RTK，同时也可以为静态观测提供数据，它的分布直接影响整周模糊度的解算效率和参数估计的精度。影响CORS网布设主要有两个因素：网形分布与站间距。当对CORS网中某些站点位置进行迁移、拆除或新建，对站点采用统一的算法快速构建新网能减弱与空间相关的误差。同时，站间距离越长，每站可控范围越大，与空间相关误差也越大。在网形分布上，三角剖分算法是目前较常用的方法，但是该算法仅适用于平面，为了使其适应三维，需要对该算法进行优化，即球面三角剖分算法。首先，初始化所有顶点，将其投影到统一的球体上；第二，遍历所有两点距离，找到一条最短边作为初始三角形的起始边，再从剩余点中找到构成起始三角形，要求形状最接近等边三角形且三角形平面分割的小半球内无其他点；第三，扩展三角形每条边，要求新生成的三角形与已有三角形构成的二面角最大；重复上述过程直至所有顶点构建完毕。
球面三角剖分算法适合于建立大范围网络，包括全球性的CORS站网络。因为它的算法确保了在相同点位分布情况下的三角网形的唯一性。同时，每个三角形尽可能接近等边三角形，保证了内插的精度。第三，三角形的三边长之和是各类组合中最短的，这样可以提高解算整周模糊度的可靠性。
2.3 基于卡尔曼滤波的最小二乘周跳探测算法
CORS数据预处理包括周跳探测，粗差剔除，相位平滑处理等。其中，周跳探测常用方法有双频线性组合法、小波分析法等。本软件采用基于卡尔曼滤波的最小二乘算法进行周跳的探测。
3 地下部分的数据处理
在盾构机掘进施工前，必须完成地面控制测量，地下控制测量和联系测量，目的是为盾构机姿态提供起算参数。作为系统的地下模块，主要是计算出里程和相应的特征点坐标，最终得出盾构机的姿态。
3.1 里程的确定
计算盾构机姿态前，首先需要计算盾构机盾首和盾尾对应的里程。一般只能获得特征点，如直缓点、缓圆点等对应的盾构机里程和坐标，需要内插出每环对应盾构机的坐标和姿态。通常一个地下工程项目包含若干区段，考虑到累计误差的影响，不同区段相同环编号的里程会不同，为了控制每环误差，需要在每段添加一常数，一般首环从内墙沿掘进线路40~80cm起算，为误差累计预留一定空间，后续每环里程都以此为基础计算对应里程。最后由于测量误差和线路改线等原因，设计里程与实测里程之间会存在差值，这种里程上的不连续性称为断链，这些因素导致的里程变化在软件设计中都需要考虑。
3.2 盾构机姿态测量
在掘进过程中，为了跟踪盾构机姿态并确保与设计线路最大偏移量小于设计限差，需要在每环衬砌完成后测量盾构机姿态参数，包括特征点坐标、旋转角、倾斜角和方位角，即盾构机分别在X、Y和Z轴方向的旋转量。
4 软件框架设计
盾构掘进引导软件由四部分组成，分别是地面控制数据处理模块，地下控制数据处理、盾构姿态控制模块和数据管理模块。使用者可分别从移动端和PC端对盾构掘进情况进行掌握。
4.1 移动端操作系统
软件可同步控制和查询不同项目或不同区间盾构施工过程，同时作为现场信息采集终端，移动操作端还可以将现场作业情况通过照片形式上传服务器。地上与地下数据处理分别采用独立的数据处理单元，地上部分主要进行数据统计和分析处理。地下数据除了对控制网进行监控外，还需要根据地面控制网数据对整个网形进行修正，同时计算盾构机与主轴线偏移量。
4.2 PC端操作系统
PC端部分包含了CORS站信息数据查询和盾构机实时姿态查询功能。其中CORS站信息数据查询包括历元信息、卫星分布及信号、可用卫星数、站点坐标信息及变化情况，数据质量检查等；地下部分信息查询包括每环设计坐标和姿态参数查询，盾构机姿态计算和纠偏，数据质量检查，每百环数据质量检查，贯通测量数据检核等。其中每环设计坐标和姿态参数通过输入原始设计坐标数据自动生成。
5 结论
本软件在如下方面进行了尝试。首先，控制网建网质量直接影响整周模糊度的解算，进而影响到整网平差计算。利用改进的三角剖分算法使其适用于三维快速建网。第二，一般地面控制网采用三角网，导线网或GPS网，本文在GPS网的基础上接入CORS站信息，利用CORS站长期观测数据能够提供更准确的观测数据确保最终贯通精度。第三，利用移动端的便利性，实现数据实时查询和信息快速上传，提高了工作效率。
参考文献
[1]高星伟.GPS/GLONASS网络RTK的算法研究与程序实现.导航定位学报,2003(2):11-15
[2]冯冬建,潘庆林,张凤梅.地铁盾构施工中盾构机姿态定位测量的研究.工程勘察,2003(5):57-58,61
[3]高俊强,王维.基于前后尺法的盾构姿态测量及精度研究.工程勘察,2010(1):70-72,75
[4]AndrewTroelsen,C#与.NET3.5高级程序设计.人民邮电出版社.2009
[5] TEQC, data standard, www.unavco.ucar.com.
论文作者:陈佶翔
论文发表刊物:《基层建设》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/7
标签：盾构论文; 里程论文; 角形论文; 姿态论文; 数据论文; 算法论文; 测量论文; 《基层建设》2017年第19期论文;