摘要：本文简要介绍了顶管施工技术和测量导向，进而对研发的自动测量系统的工作原理及在顶管施工中的应用做了介绍和总结，该系统是一种很好解决顶管施工测量的有效方法，也可在用于自动监测、自动引导方向等测量领域得到广泛应用。
关键词：自动测量系统；导线；顶管施工；设计
随着当今科技的进步，计算机的发展、通讯设施的进步以及伺服马达型全站仪的智能化、精准化，使得工程测量手段与方法变得更加简单与快速，极大地提高了工程的效率与工程的精度。自动导线测量系统是由最新的自动全站仪和工业电脑组合起来，一种自动化测量程度高的先进测量手段，在顶管工程中使用可有效地解决顶管测量困难、需要耗费大量劳动力等难题。
一、顶管施工简介
顶管施工就是非开挖施工方法，是一种不开挖或少开挖的管道埋设施工技术。顶管法施工是在工作井内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的轴线、坡度顶入土中，并将土方运走。一节管子完成顶入土层后，再下第二节管子继续顶进。它不需要开挖表面层，并且能穿越公路、铁道、河道、地面建筑物、地下构筑物及各种地下管线等。顶管施工借助于主顶油缸及管道间中继间等的推力，把管道通过掘进机带动从工作井内穿过土层一直顶推到接收井内吊起。同时，也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两井之间，以期实现非开挖敷设地下管道的施工方法。
二、自动测量系统
由于顶管在顶进过程中需要指导机头方向沿设计轴线进行前进，洞内空间小，因此对于长距离顶管施工控制多采用导线形式布设。
1、导线测量。由于洞内空间狭小只能布设导线的方法进行施工测量。导线测量是指将一系列测点依相邻次序连成折线形式，并测定各折线边的边长和转折角，再根据起始数据推算各测点平面坐标的技术与方法。导线一般可布设成三种形式，即闭合导线、附合导线、支导线。①附合导线。它是从已知控制点A和已知方向AB出发，经过1、2、3、n等点，最后附合到另一已知点C和已知方向CD上。它具有检核观测成果的作用。附合导线常用于平面控制测量的加密。②闭合导线。它是从已知控制点A和已知方向AB出发，经过1、2、3、n等点，最后又闭合到起始点A和AB方向上，形成一个闭合多边形。其本身具有严密的几何条件，能起到检核作用。闭合导线常用于小地区的首级平面控制测量。③支导线。它是从已知控制点A和已知方向AB出发，依次测量1、2、n等点，既不闭合到起始点，也不附合到另一已知点。它缺乏检核条件，点数一般比较少。一般情况下支导线仅用于低等及图根导线控制测量。
2、系统的组成。自动测量系统按传统的连续导线测量的形式布设，为了实现自动测量，必须做好以下的系统配置：①在每一个导线点上安置一台自动全站仪；②在每一个导线点上安置棱镜；③每一个导线点上，棱镜必须固定于全站仪的上方或下方（大多安置在仪器手柄上），并使棱镜中心和全站仪的旋转中心位于同一垂线上；④计算机，由计算机通过软件程序控制各台全站仪的测量并进行数据的传输、收集和处理；⑤数据传输。由于管道内无法通讯，因此系统必须采用有线通讯设备进行传输数据，计算机及各台全站仪必须有一台信号控制箱及连接计算机-计算机控制箱-全站仪控制箱-全站仪的通讯电缆，控制箱同时供给全站仪12V直流电源，连续供电。
三、系统的运行
本系统的研发理念主要就是应用于长距离顶管施工时的自动监测、自动引导测量等一些有特殊需要的测量项目，这种测量项目要求长时间反复跟踪测量。
在研发的系统软件支持下，自动测量系统在计算机的控制下，各站点上的全站仪相互配合、自动有序地测量各导线点的水平角、垂直角及边长，如同人工测量一样，由导线起点逐站进行。前后视仪器上的棱镜自动对准测站，相应的望远镜自动低头，以免干扰测站仪器的照准，其他站上的仪器自动面向侧方，以免视场上出现多个棱镜。角度和边长测量数据自动传回计算机进行数据处理，计算机显示系统的测量结果。各站导线测量每循环测量一次，约为3～4min。每次测量完后，按设置的间歇时间停止运行，然后自动开始下一次测量，周而复始循环进行。
四、系统在顶管施工中的应用
顶管施工测量需要频繁测量机头的位置，以便及时纠正机头的偏差，因此测量过程是重复进行的。但每一次测量除起始点外，其他各导线点都随管道向前推进而移动。
1、顶管施工介绍。用顶管法施工建造地下管道，由于无需开挖地面而得到了广泛的应用，其施工过程是：在要埋设的一段管道两头建造2个深井，掘进机、下管子或装有顶进千斤顶用来顶进的井叫工作井，通过工作井千斤顶的伸缩，把一节节管子下到井下通过顶进机向前推进延伸；另一端叫接收井，管道顶通后，顶进机机头从接收井吊取出来。接收井做好后，会在井壁上开凿出一个贯通洞口，以备掘进机从接收井取出。为了保证贯通误差能够满足施工规范，因此，顶进过程中要求测量人员频繁测定前进中的机头位置和设计轴线比较，求出机头位置偏差，以指导机头纠偏，最终正确贯通进洞。
2、顶管施工测量。直线顶管时，测量机头位置比较简单，一般在工作井井下用激光指向仪指向，水准仪测高程或激光指向仪测量就可以，但长距离直线由于受激光指向仪同轴误差影响以及光斑扩大漂移等会对顶进方向影响很大。另长距离的曲线顶管，受管道弯曲限制，井下测站T1的仪器无法直接测量机头位置P0，而必须用导线测量的方法，在管道内设T2站、T3站……，逐站测量至机头P0。顶管施工过程中，完成的每一节管都是在移动前进的，管道内的导线点T2、T3…也是不停移动的，因此每一次测量机头P0点和隧道或盾构施工测量不同，都必须全程由井下至机头逐站进行，人工测量的工作量会随着顶进的长度、速度就越来越大，正常的测量无法满足顶管纠偏的需要，并且严重影响顶管进度，使先进的曲线顶管无法推广使用。
在曲线顶管施工测量中T1固定在井下的仪器墩上，是固定点，为地下导线测量的起始点；PL、PR为固定于工作井井壁上的后视点，它们的起始坐标和方位角由地面的控制点通过定向测量联测，在顶进过程中，工作井相对来说是静止不动的（以变形监测数据为依据），由于机头中心无法安置棱镜，通过测定P1，P2棱镜归算得到P0的坐标。
3、系统在曲线顶管施工测量中的应用。自动导线测量系统在顶管工程中称之为顶管自动引导测量系统，在顶管自动引导测量系统中，必须在管道里的测站上安置自动整平基座，自动整平基座依靠12V的直流电源作动力，当管道推进全站仪整平受到破坏时，能及时自动把仪器的基座整平。
顶管自动引导测量系统在运行前需进行系统初始化。①在计算机的工作文件中输入井下导线起始点T1坐标，T1-PL和T1-PR方位角；②在计算机的工作文件中输入管道轴线的设计元素：起、终点坐标，曲线主要点坐标，曲线元素，管道坡度等；③把各台全站仪进行大概度盘定向，并把定向值输入计算机文件，这是为了进行第一次自动测量时，各站仪器能很快找到目标，启动系统计算机，进行自动测量。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
五、顶管贯通对系统的精度要求
顶管施工测量的目的是求出测量时机头当前的位置，以计算出与设计轴线的偏差，指导机头及时纠偏，引导管道按设计线路顶进，保证机头最终从接收井的预留洞中穿出，达到精确贯通。顶管贯通误差M由两部分组成：顶管施工误差和贯通测量误差。
1、顶管施工误差M1。顶管施工规程要求顶管过程中，机头偏离设计轴线（中心线）的左右偏差和上下偏差必须≤±5cm。这是相对于测量结果而言的，即允许机头按测量给出的方向最大偏离5cm。
2、贯通测量误差M2。测量给出的顶管方向偏差为贯通测量误差，顶管贯通测量由3部分组成：①地面控制测量，误差为m1。一般为工作井到接收井两井之间的控制测量，测量精度高，为贯通测量的次要误差；②工作井的定向测量，误差为m2。定向测量的目的是把地面控制点坐标及方位引测到井下的固定点T1、PL、PR，作为地下导线的起算点。由于工作井设备较多循环作业多致使空间较小，加上后视定向距离太短前视放样距离太长，因此测量难度非常大，尤其是井深时，受仪器竖轴影响定向测量误差也很大，对贯通的影响也较大；③地下导线测量，误差为m3。地下导线测量在管道中进行，作业条件差，大气折光影响大，又是支导线测量，其测量误差对贯通影响最大。
3、顶管贯通误差M的分配
1）顶管施工误差M1和贯通测量误差M2按“等影响原则”分配，即
M1＝M2 M= ±√M12+M22
一般接收井预留贯通的洞口半径比机头半径大10cm，即允许的顶管贯通最大误差M=±10cm，由M=±√M12+M22可得M1=M2=M/√2=7.07cm，此为极限误差，说明施工规程要求的施工操作允许机头偏差≤±5cm，可确保顶管的贯通。
2）贯通测量的3种误差分配：取m1：m2：m3=1：2：3，由
M2=±√m12+m22+m32=±7.07cm
可得m1=±1.89cm，m2=±3.78cm，m3=±5.67cm，这些都是极限误差。
为了满足顶管最大贯通误差10cm的要求，顶管自动导线测量系统测量机头中心P0允许最大横向误差为±5.67cm。
取2倍中误差为极限误差，则要求顶管自动导线测量系统测定机头偏差的中误差为±2.84cm。
机头中心P0是由机头两个棱镜P1，P2坐标归算而得，因此测定P0的横向误差由测定P1，P2的横向误差及归心元素的测定误差引起，按“等影响原则”，设地下支导线的端点横向测定误差为m，则m=±2.84/√3=±1.64cm。这是考虑了顶管施工各种误差来源，顶管贯通对自动导线测量的最终精度要求。
六、系统对全站仪的精度要求
顶管地下导线为直伸支导线，导线端点的测量横向中误差m估算公式为m=S·（mβ/ρ）·√（n+1.5）/3
式中，S为支导线全长，n为导线边数，由上式可得：mβ=m/S·ρ" /√（n+1.5）/3。
自动导线测量系统由n台仪器组成，n=4，设计的最长测量距离S=1000m，取m=±1.64cm，可求出，mβ=±1.8"，即要求地下导线的角度测量精度。
顶管自动导线测量系统在顶管过程进行的是动态测量，为了获取最好的测量精度，测量速度必须尽量快，因此角度测量采用半测回，所以mβ=±1.8"乃仪器半测回必须达到的测角精度，则仪器一测回的测角中误差为±1.8"/√2=±1.3"。相应的一测回方向中误差则为±1.3"/√2=±0.9"。因此，系统使用的全站仪应为0.5"级的仪器。自动导线测量系统采用TCA2003全站仪，测角精度为±0.5"，测距精度为±（1mm+1*10-6.D），可满足1000m距离内最大贯通误差±10cm的要求。
七、系统的实际使用精度检验
为了评定自动导线测量的精度，采用人工测量的方法进行对比。系统首先应用于某电力管道J2～J1井的长距离曲线顶管，混凝土管道内径为2200m，外径为2640mm，每节长2500 mm，顶管总长度为1100m，井内长度为1022m。系统由4台全站仪组成，导线全长912.53m。
人工测量时，角度测量一测回，边长往返观测。人工测量和自动测量二者成果之间的较差，反映了自动测量系统的可靠性及测量精度。
顶管自动引导测量系统在J2～J1曲线顶管中共进行18次人工测量对比，从对比中可看出，自动测量和人工测量的较差，并不随距离的增加而增大，也不随导线点的增多而增大。左右偏差较差平均值为±11.1mm，均方根为±12.3mm；上下偏差较差平均值为±6.1mm，均方根为±7.1mm。对于上下偏差，又进行10次人工水准测量进行比较，使用普通水准测量，上下偏差的平均值为±7.9mm，均方根为±1O.1mm。由此可得出结论，自动导线测量系统的测量精度和人工测量精度一致，成果同样可靠。实际上，由于自动测量在地下管道中瞄准精度高、测量速度快，测量精度是高于人工测量的，人工测量重复测量的较差也是±9～±19mm。
八、系统的使用测试
1、系统运行稳定性好。顶管自动引导测量系统对机头进行连续跟踪测量，成果相当稳定，符合机头位置变动的逻辑，大部分为顶管顶进过程中的动态测量。
2、系统测量精度高。顶管施工中，测定机头位置的偏差精度达到厘米级即可。
3、系统自动化程度高。在系统运行的控制软件中编写了许多自动纠错程序，系统容错性能很好。例如管道中人员走动及物体阻断测量视线虽会引起测量暂停，但计算机会显示视线被挡的信息，提示被阻挡的地方，因此可很快排除障碍物，一旦障碍物排除，自动测量系统便可自动接下去进行测量。
4、系统可在恶劣的施工环境中正常运行。在已应用自动测量的顶管施工工程中，空气中水气很大，湿度也很高。一方面，这对测量精度产生很不利的影响，尤其是三角高程精度；另一方面，也会对自动测量的仪器设备产生损害。但自动测量系统运行很正常，经过一段时间的许多次测量，其运行没有出现过故障。
九、结语
综上所述，自动导线测量技术在超长距离顶管自动引导测量系统中的应用效果良好，这种技术是建立在自动化仪器和电子计算机自动化控制的基础上开发出来的，已引起工程学界和测绘学界的高度重视，相信将会在测量行业和工程施工放样中得到越来越多的应用。
参考文献：
[1]殷春乾.顶管工程施工中的测量技术探讨[J].西部探矿工程，2016（02）.
[2]张正禄.工程测量学[J].武汉大学出版社，2015（10）.
[3]郑金淼.自动导线测量系统及其在顶管施工中的应用[J].测绘通报，2017（01）.
论文作者:刘书星,刘子铭,史伟伟
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/11
标签：测量论文; 导线论文; 顶管论文; 误差论文; 机头论文; 系统论文; 精度论文; 《防护工程》2018年第31期论文;