陈兆斌
航云2标电力隧道监理部
摘要：近年来广州新城区如雨后春笋般地拔地而起，白云新城当然也乘着这一春风崭露头角，而新城区的出现必然引起新一轮对配套设施的需求。电力作为现代人类生存必不可少的资源，新城区如果仍采用如风景破坏者般的高架电缆未免“贻笑大方”，而电力隧道在解决风景问题的同时，能够更好地节约土地资源，这将成为未来电力输送最主要的方式。在以盾构法施工的电力隧道中测量系统作为前行的眼睛，比对现今最主要的两套测量系统SLS-T与UNS-GNS在应用中的区别显得尤为重要，笔者将结合曾经参与的两个项目部作为材料，对比分析出两套测量系统在电力隧道施工中优劣。
关键词：盾构；SLS-T；UNS-GNS；测量系统；比对
1 工程概况
1.1 220千伏航云输变电电力隧道工程（第二标段）
220千伏航云输变电电力隧道工程（第二标段）全线里程为BDK0+000~BDK3+386.282，新建永久及临时工作井4个，北1#～北5#工作井之间为盾构法区间隧道，北1#～4#工作井为明挖结构。其中北4#工作井为盾构双向始发井，首先由北4#井向南掘进，至北1#工作井吊出；转运盾构机至北4#工作井，向西掘进，至北5#工作井吊出。工程中采用SLS-T测量系统作为盾构的导向系统，隧道设计线路中转弯半径主要为R=250、R=600，同时北4#～5#井区间始发经过8.8米直线段后直接进入R=250的左转弯，对于测量控制来说无疑是一个莫大的挑战。
1.2 220千伏犀牛站电缆隧道工程
220千伏犀牛站电缆隧道工程采用隧道外径Ф4100盾构施工，北起犀牛变电站，沿沙太路地下向南，进入沙太南路和兴华路交界附近的8#工作井后，穿越天平货运配载交易市场地下，到达麒麟变电站，总长约为3.856千米，采用明挖、盾构施工工艺进行施工。本工程各过井及明挖段采用明挖法施工，区间隧道采用盾构法施工，其中DK3+049.130至DK3+236.692段（120m小半径转弯段，穿过8号工作井），共187.562延米采用800mm小管片，其余区段全部采用1000mm管片。工程中采用UNS-GNS测量系统作为盾构的导向系统，隧道设计线路中转弯半径主要为R=160、R=200、R=300等，转弯普遍有半径小、变化急的特点。
2 测量系统简介
2.1 SLS-T测量系统
SLS-T测量系统是由德国的“VMT”公司开发研制的一套非常先进，并且功能强大的TBM自动定位测量导向系统。确定盾构机的位置是由三维坐标（即：X、Y、Z）来控制的。在盾构机掘进过程中，通过操作驾驶室内VMT的PC机，使SLS-T系统进入掘进状态，这时激光全站仪开始进入工作状态，它发出的激光束穿过台车及盾构机内一段无障碍物的测量通道，直射到装于盾构机尾盾的电子激光系统（ELS）及测距棱镜上，ELS就能根据激光束射入面板的角度计算出水平角、仰角，TBM的滚动和倾斜通过安装在ELS上的测斜仪直接测定，同时全站仪照准测距棱镜，得到ELS靶与全站仪之间的距离，从而得到TBM的准确里程，这些数据每两分钟（此时间的长短可由TBM的掘进状态来调整）向VMT的电脑上传送两次，这时电脑上显示出盾构机在当时的掘进姿态和里程。盾构机司机可以根据电脑所显示的信息做出调整。激光全站仪安放在管环左上方的支架上，通过激光站的前移（前移距离具体根据线路的情况决定）持续指引盾构机的前进。
SLS-T 测量系统在现场应用证明是一个组合了各种必备功能的优秀系统。它不需要再另外精心的铺设电缆及增加其它组件。任何一个经过培训的技术人员均可以很快地掌握该系统的配置，现在测量员的工作可以集中在主要控制测量方面。本次对比工程中的SLS-T测量系统中全站仪采用徕卡TS15，测量精度为±2〞。
2.1.1 SLS-T测量系统构成
SLS-T测量系统主要由全站仪、ALTU激光靶、通信单元、外置双轴倾斜仪及控制电脑等构成。
2.2 UNS-GNS测量系统
近年来，国内外研制的陀螺经纬仪精度不断提高的同时也在向自动化、智能化的方向发展，而UNS-GNS测量系统就是这样一款应运而生的测量系统，它首先由人工测量测出盾构机姿态，并将盾构机轴线方位与线路轴线方位的相对关系输入到计算机上，作为自动导向系统电子陀螺仪的初始方位参数。由盾构机制造商安装的传感器分别测量推进千斤顶和中折千斤顶左、右、顶、底四个位置的伸长量，以此得到盾构机推进的里程，并将结果传到控制室内的计算机中。初始方位确定以后，固定在盾构机上的电子陀螺仪就可以以初始方位参数为基准测出盾构机推进至任一里程的方位，加上千斤顶行程所提供的里程，就可以确定盾构机的平面位置与姿态。然后通过连接充满水的传感器测出盾构机的高程。以上数据随推进千斤顶和中折千斤顶的伸长值及盾尾与管片的净空值一起，经由控制电缆输入到盾构机的编程控制器中，再经计算机中专用掘进软件的计算和整理，盾构机的位置就以数据和图表的形式显示在控制室内的屏幕上。
通过对盾构机当前位置和设计位置的综合比较，盾构机操作手就可以采取相应的操作方法尽快且平缓地逼近设计线路。如此往复，操作手就可以在每环的掘进中很好地控制住盾构机的掘进方向，使之与设计线路的偏差保持在较小的允许范围内。本次对比工程中的UNS-GNS测量系统中陀螺仪采用海瑞克提供的MWDⅡ，测量精度为±1.7mrad≈±6〞，需要注意的是陀螺仪不能使用于两极和⊿≥75°的高纬度地区。
2.2.1 UNS-GNS测量系统构成
UNS-GNS测量系统主要由陀螺仪、长度编码器（测轮）、HWL高度传感器、液体静力水准仪及控制电脑等构成。
表二 UNS-GNS测量系统构成
3 SLS-T与UNS-GNS测量系统的比对
3.1 SLS-T测量系统的应用
过去计算隧道设计线路中线数据都需要通过第三方软件才能更好地计算出来，而现在通过VMT自带系统输入设计线路上的水平、垂直元素，就能准确地计算出水平及竖向关键点，同时通过VMT系统计算关键点更能消除普通计算过程中因小数点后四位所产生的累积误差。
SLS-T测量系统在施工现场的安装情况，ALTU激光靶主要安装在盾尾靠近管片拼装机的固定点上，这么做能够更好地反映出盾构掘进每一环后拼装时的管片姿态近乎等于掘进结束后的盾尾姿态，而全站仪、后视靶的吊篮可以设计成直接安装在管片螺栓上，不需要电钻打眼安装，避免形成新的渗水点。每次搬站时ALTU激光靶无需任何移动，只需把全站仪吊篮安装2号台车附近，而后视靶安装在8号台车尾部。
SLS-T测量系统操作通过安装在中控室的触屏电脑，选择可视化系统上的对应选项便能迅速地完成相应的操作。在VMT系统中可以直接查看推进油缸行程、当前隧道轴线半径、坡度及当前、下一个设计轴线元素，较为形象能让中控手更快捷地修正当前掘进姿态。
3.2 UNS-GNS测量系统的应用
UNS-GNS测量系统中隧道设计线路中线只能够通过第三方软件计算，如excel列出公式计算同样可以计算出设计轴线中每一米的X、Y、H坐标，但计算的过程中可能会产生难以消除因小数点后四位所产生的累积误差，计算出的结果经过复核后便可导入测量系统内，作为指导掘进施工的依据。
UNS-GNS测量系统在施工现场中的安装情况，在始发井中选择一个相对不受外界环境影响的地方安装HWL基准传感器、HWL补偿水箱、液体流体静力水准仪及长度编码器，而井下盾构设备上将安装陀螺仪和HWL高度传感器。基准传感器与高度传感器硬件其实是相同的，其区别在于其CAN-BUS地址不一样，它们之间通过HWL连续软管连接至补偿水箱及静力水准仪，通过静力水准仪测算出盾构高程。长度编码器设置在始发井内的管子上，其用于测量已插入管件的当前长度，即隧道里程测量。而陀螺仪作为核心部件，与SLS-T测量系统一样安装在盾尾靠近管片拼装机的地方，通过测定真北方向的作用，测算出方位角。
UNS-GNS测量系统操作同样通过安装在中控室的触屏电脑，选择可视化系统上的对应选项完成相应的操作。但相对SLS-T测量系统的操作界面更简单，较数据化，不够形象。UNS-GNS测量系统优点在于长距离方向控制和快速运动物体，缺点是仅对方向控制提供参考、精度偏低、需定时归零、操作较繁复、不给定三坐标量（X、Y、H），对推进只起到有限的参考作用。
3.3 盾构姿态方面
3.3.1 直线段姿态对比
通过对220千伏航云输变电电力隧道（第二标段）中BDK1+200～BDK1+300与220千伏犀牛站电缆隧道工程中DK0+219～DK0+319的100m直线段盾构姿态进行对比。
从以上两表比对分析，航云2标隧道171环刚从转弯半径R=600m右转弯段转出进入直线段，SLS-T测量系统人工复测盾构水平姿态偏差为4mm，而犀牛隧道163环同样刚从转弯半径R=160m的左转弯转出进入直线段，UNS-GNS测量系统人工复测水平姿态出现71mm的偏差，而当两隧道完全进入直线段后，SLS-T测量系统与UNS-GNS测量系统水平、垂直偏差均基本维持在20mm以下。据此可以判断，SLS-T测量系统在刚转出转弯段时精度较UNS-GNS测量系统高，而当进入直线段后，两测量系统在水平、垂直姿态精度方面差别不大，与陀螺仪在长距离方向控制优点上相吻合。
3.3.2 转弯段姿态对比
通过对220千伏航云输变电电力隧道（第二标段）中BDK1+300～BDK1+420转弯半径R=600m右转弯与220千伏犀牛站电缆隧道工程中DK0+430～DK0+480转弯半径R=200m左转弯盾构姿态进行对比。
从以上两表比对分析，航云2标隧道BDK1+300～BDK1+420为转弯半径R=600m右转弯，在转弯过程中SLS-T测量系统显示的盾构水平、垂直姿态偏差基本维持在20mm以下，控制精度较高，但在短短的120m转弯段内搬站次数达到10次，平均每12m搬站一次，每次搬站耗时在1个小时左右，增加了转站过程中的累积误差，局限了盾构掘进速度的提高，相对来说工作效益不会太明显。同时受限于全站仪测量激光只能通过直线转播因素，在电力隧道普遍直径为4.3m的情况，必须对台车、风管进行改造，让测量光路形成通视；但当盾构掘进至转弯段时由于转弯趋势的影响，管片必然形成弧度而遮挡了测量激光，这时就必须采取搬站的措施重新形成通视，转弯半径越小，需要重新搬站的次数就越多；而且当盾构掘进速度较快的时候，由于搬站频率过高，有时候会出现搬站跟不上掘进，造成一段时间的盲推，这也造成了航云2标在转弯段里程的偏差。
犀牛隧道DK0+430～DK0+480为转弯半径R=200m左转弯，在转弯过程中UNS-GNS测量系统在378环出现了-57mm的偏差，在401环转弯变化最大的DK0+458.490出现了-108mm的偏差，极不利于对盾构掘进姿态的控制，但当加强对陀螺仪系统的人工复测工作后，测量系统偏差可以维持在±10mm以内，可以满足掘进控制的要求，同时由于UNS-GNS系统对里程的测算方式不同于SLS-T系统，所以里程上的偏差基本为零。
4 小结
综上所述，SLS-T测量系统具有测量精度高，操作简单，计算便捷的特点，但是却受限于空间中通视情况。而UNS-GNS测量系统则具有直线段精度高，而转弯段精度稍差的特点，但是由于陀螺仪与全站仪测量原理的不同，减少了转站过程中的累积误差，当隧道里程越长的时候，相比全站仪却有着更好的测量成果。对于如地铁等对转弯半径及盾构掘进姿态控制精度要求较高，且开挖面较大的隧道，适合使用SLS-T测量系统，理由是SLS-T测量系统对盾构姿态无论在直线段、转弯段的控制精度较高，且地铁等开挖面较大的隧道也能更好让全站仪有更好的测量环境和空间。而如电力隧道等对转弯半径及盾构掘进姿态控制精度要求较低，且开挖面较小、转弯较多的隧道来说，更适合采用UNS-GNS测量系统。但是在施工过程中，同样建议承包商在使用陀螺仪测量系统的时候，采用朝北精度达到±1.7mrad以上的陀螺仪，以达到更好的控制效果。参考文献：
[1]周晓琳.测绘工程施工现场操作技术规范与执行标准[M].银声音像出版社
[2]秦长利.城市轨道交通工程测量[M].北京：中国建筑工业出版社，2008
[3]冼海欧.浅析盾构掘进质量控制要点.广州轨道交通建设监理有限公司
论文作者:陈兆斌
论文发表刊物:《基层建设》2015年3期供稿
论文发表时间:2015/9/9
标签：盾构论文; 测量论文; 系统论文; 隧道论文; 陀螺仪论文; 里程论文; 半径论文; 《基层建设》2015年3期供稿论文;