自动跟踪测量系统在地下长距离顶管中的应用
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【摘要】本文以上海青草沙水源地原水工程严桥支线工程QYZ-C6标长距离顶管为例，介绍了自动跟踪测量系统在地下长距离顶管中的应用，提出了保证施工精度的操作方法，以消除或减少顶管施工中的测量误差，从而确保长距离顶管施工质量。
【关键词】自动跟踪；测量；顶管；应用
1.工程概况
上海青草沙水源地原水工程严桥支线是上海青草沙水源陆域输水管线中的一根支线，其输水管线采用DN3600钢制双管供水，管线长度2119m×2，管道中心间距7.2m，钢管壁厚34mm，工作井地面标高4.2m，管道中心标高-7.2 m，设计最大流速2.68m/s，水力坡降1.39‰，管线全线采用顶管法施工。
本标段业主提供了5个GPS点和5个城市三等水准点，作为地下长距离顶管施工的最高级控制点，5个GPS相邻点之间相互通视，最大边长775.081m，最短边长285.542m。
2.RMS-TV自动导向系统的组成
RMS-TV系统的设备包括硬件和软件两部分。
2.1硬件设备包括：
2.1.1全站仪
采用的是向徕卡公司定制的TCA1201加强型全站仪，自动坐标测量的距离在1500m以内，自动距离测量的范围在5000m以内，精度在50mm以内，非常适合1500m 以下中短距离直线顶管的施工。
2.1.2后视定向棱镜
采用L型特制棱镜，数量为6-10个左右，用锚栓固定在井壁上，并且在井上和井下都很方便的观测到的位置。全站仪可以自动搜索到棱镜并自动测量，定向精度在2mm以内；
2.1.3前视目标棱镜
采用一个棱镜作为目标参考，利用全站仪对其进行实时测量跟踪进行点坐标的获取，再加上倾斜仪进行顶管机姿态的确定。
2.1.4倾斜仪
双轴倾斜仪主要对顶管机的姿态（俯仰角、侧转角）进行测量，精度为0.01°，测量范围为-10°- +10°。
2.1.5通讯系统
数据通讯系统主要用于全站仪、倾斜仪、工业电脑、地面监控系统各部分的数据通讯，主要由通讯线、通讯转换模块组成。
导向控制计算机：采用的工业计算机，安装在操作台上，便于操作人员操作。
2.1.6监控系统
监控系统设在地面办公室，可以对顶管机推进的状态进行实时了解和查询。
2.2软件部分
软件部分包括参数设置、实时显示、历史查询三部分，参数设置主要对设计线、测站坐标等参数进行设置；实时显示部分除了对顶管机推进过程中的各个参数进行实时显示以外，还对整个系统硬件运行的稳定性和测量基准的稳定性进行实时监控；历史查询部分将测量数据都记录在数据库中，这些数据可以随时调用查询。
软件功能有：对顶管机在水平和垂直方向上的位移进行图像和数字的显示；对顶管机的前进姿态进行图像和数字显示；对顶管机的俯仰和侧转进行数字显示；对顶进距离进行数字显示；对整个系统硬件的运行状态进行实时显示；可以对测量数据随时进行查询。
3.RMS-TV自动导向系统工作流程
4.RMS-TV自动导向系统施测
4.1顶管机姿态测量
顶管姿态测量是实时测量顶管机的现有状态，及时指导顶管机纠偏，顶管机顶进时姿态测量包括其与管道轴线的平面偏差、高程偏差、纵向坡度、横向旋转和顶进里程的测量。
4.2顶管自动导向测量
4.2.1在洞口安装两个全站仪测量台，为严格固定式，用来安放全站仪。
4.2.2在管壁上打6个L型特制棱镜，用来为全站仪进行井上和井下的精密定向，L型定向棱镜需要在地面上定期进行精密复测，以保证精度。
4.2.3每次测量时，全站仪先安装在测量台，连上电源通讯线并整平后，粗略瞄准特点的一个起始方位棱镜，然后顶管机驾驶室就可以按“开始”测量键进行不间断的测量导向，时间周期可以任意调整，并且可以随时停止测量，管道顶进则根据测量系统显示结果和偏差情况，进行自动纠偏。
5.误差分析
顶管测量工作包括三个阶段：地面控制测量，井上井下联系测量，地下控制测量，通过这三个过程将地面方向和高程传递到井下指导管道顶进。按照规范要求，管道顶进中的轴线位置允许偏差小于200mm，管道内底高程允许偏差+40～-50mm。
5.1平面横向贯通误差
一般来说管道纵向贯通误差只影响顶进管道的长度，对工程质量影响不大，要求并不高，因此工程测量中最需要的是解决好横向贯通误差。
管道由于为单向顶进，其横向误差 ：
公式中： ―地面控制测量允许中误差
―地面与地下联系测量允许中误差
―地下控制测量允许中误差
对于地面控制测量与地下控制测量，采用导线法，导线定向较为方便，其误差为全站仪测角误差，误差产生在仪器本身，仪器对中和目标照准等三个主要环节上。
仪器本身精度不够，而影响读数的准确性，这里主要是指角度误差。
仪器中产生的角度误差：
公式中：e―对中偏差
―1弧度等于
―测角大小
D―测距大小
在地下导线测量中，测距D一般取100mm，导线成180°，e取3mm，代入可得 ?? = 。
目标照准产生的误差：
公式中： ―照准偏差
―1弧度等于
―目标偏心角，一般90°
D―测距大小
由公式可以看出，目标照准误差近似仪器对中误差的一半。
5.2高程贯通误差
等同平面控制测量，高程的误差传递也分三个阶段：地面高程测量，井上井下联系测量，地下高程测量，其高程误差 ：
公式中： ―地面高程测量允许中误差
―地面与地下联系测量允许中误差
―地下高程测量允许中误差。
顶管管道高程测量在井上，下连续测量，采用在工作井悬吊钢尺的方法，两台水准仪同时读数，地面与地下均采用水准仪进行高程传递，因此，顶管施工的高程误差来源比较简单，主要为仪器的精度，钢尺的精度与人目视读数误差。
6.实际应用
在上海青草沙水源地原水工程顶管施工中，我们采用GPS边YQ34～ YQ33为地面导线的起始边，长419.652m，按闭合导线将近井点定出，以确定井壁6个棱镜的位置，以6个棱镜为后视对顶进管道进行中线控制，根据实时测量成果，对机头姿态进行调整，西线、东线顶管分别于2009年8月24日和2009年10月14日贯通，贯通误差满足规范要求。
7.小结
本文所介绍的自动跟踪导向测量系统是建立在测量环境正常的情况下，实际在地下顶管施工中，总会因为一些因素的影响，特别是井下测量环境较差，这时候，必须通过合理的调整误差分配，改进测量方法，提高仪器精度，提高地面控制点的精度等措施来达到顶管顺利准确贯通目标。
参考文献：
[1]吴绍珍.曲线钢顶管理论探讨[J].市政技术.2010（01）.
[2]龚尚龙，胡智超，陈思甜.超浅层顶管地表位移的仿真计算[J].公路交通技术.2007（S1）.