AFS 自動(dòng)陀螺快速定位定向系統(tǒng)在地鐵建設(shè)中的應(yīng)用

摘　要　中鐵十六局集團(tuán)在廣州和深圳的某地鐵項(xiàng)目中采用了全站儀定向?qū)Ь€為盾構(gòu)機(jī)提供安裝基準(zhǔn),在隧道內(nèi)敷設(shè)強(qiáng)制對(duì)中精密控制導(dǎo)線,不斷跟蹤校核盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)工作站點(diǎn)的坐標(biāo),克服了管片旋轉(zhuǎn)的不利影響,還用新型AFS 自動(dòng)陀螺快速定位定向系統(tǒng)檢核精密控制導(dǎo)線,保證了大口徑盾構(gòu)掘進(jìn)的精確貫通。
關(guān)鍵詞　自動(dòng)陀螺　定向　盾構(gòu)　地下鐵道
　　現(xiàn)代地鐵建設(shè)中,采用盾構(gòu)法施工的區(qū)間隧道所占的比重越來越大。該法推進(jìn)速度快,一次成洞,對(duì)井下定向工作的正確性與定向精度的要求很高。為了保證工程質(zhì)量與進(jìn)度,我們?cè)趶V州地鐵客村—新洲區(qū)間與深圳地鐵華強(qiáng)路—崗廈區(qū)間的定向工作中,首次采用傳統(tǒng)的全站儀導(dǎo)線定向方法進(jìn)行井下定向,給盾構(gòu)機(jī)的自動(dòng)定向系統(tǒng)提供初始測(cè)量依據(jù)。隨著盾構(gòu)機(jī)的快速推進(jìn),再在成型的管片上設(shè)置強(qiáng)制對(duì)中導(dǎo)線點(diǎn),測(cè)設(shè)了快速跟蹤推進(jìn)的高精度導(dǎo)線,對(duì)隧道位置進(jìn)行測(cè)定并對(duì)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行檢核。由于剛成型的管片不穩(wěn)定,導(dǎo)線點(diǎn)的空間位置在變化,在隧道推進(jìn)400 多m 時(shí),再次從地面進(jìn)行全站儀精密導(dǎo)線復(fù)測(cè)。考慮到曲線短邊對(duì)導(dǎo)線精度的影響,在貫通前,采用了自動(dòng)陀螺快速定位定向系統(tǒng)對(duì)隧道中部一導(dǎo)線邊( 長110. 807 m) 進(jìn)行陀螺定向。當(dāng)兩種方法測(cè)定的坐標(biāo)方位角互差很小時(shí),證明用兩種方法定向與導(dǎo)線測(cè)量的結(jié)果都是正確的,可以放心掘進(jìn)。
1 　地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)項(xiàng)目簡介
　　深圳地鐵華強(qiáng)路至崗廈區(qū)間工程,總長度3 471. 6 m , 其中右線隧道長1 728. 1 m , 左線隧道長1 743. 5 m , 盾構(gòu)始發(fā)井設(shè)置在區(qū)間中部,始發(fā)井至華強(qiáng)路站的盾構(gòu)推進(jìn)長度為:右線986. 2 m , 左線972. 608 m ; 始發(fā)井至崗廈站的盾構(gòu)推進(jìn)長度為: 右線741. 884 m , 左線770. 913 m 。采用直徑6. 28 m 的盾構(gòu)機(jī)在地面以下約20 m 深度掘進(jìn)。平均日進(jìn)尺約15 m 。
2 　測(cè)量與定向工作概況
　　對(duì)測(cè)量工作的要求主要取決于地鐵隧道貫通的允許誤差, 其中橫向≤±50 mm ; 豎向≤±25 mm 。這些工作包括:
(1) 地面控制測(cè)量;
(2) 地面、地下聯(lián)系測(cè)量;
(3) 隧道內(nèi)測(cè)量;
(4) 盾構(gòu)機(jī)的初定位;
(5) 自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)推進(jìn)時(shí)的測(cè)量工作;
(6) 隧道內(nèi)控制導(dǎo)線測(cè)量;
(7) 自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)與導(dǎo)線測(cè)量的聯(lián)系。

按照上述的測(cè)量工作規(guī)劃與實(shí)施,應(yīng)該有相當(dāng)?shù)陌盐帐顾淼镭炌ú⒈ＷC精度。為了驗(yàn)證在管片上設(shè)置控制點(diǎn)的精度情況,還采用了自動(dòng)陀螺儀加測(cè)陀螺邊的方法。
3 　AFS 自動(dòng)陀螺快速定位定向系統(tǒng)簡介　　
AFS 是由掌上電腦控制的自動(dòng)陀螺與電子全站儀有機(jī)結(jié)合并內(nèi)裝相應(yīng)軟件構(gòu)成的一種快速定位定向系統(tǒng)。自動(dòng)陀螺部分采用獨(dú)特的自動(dòng)零位觀測(cè)與自動(dòng)尋北及其它抗振動(dòng)與干擾的措施,使一次定向的標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)于15″;一般的自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀定向結(jié)果顯示的是觀測(cè)邊的陀螺方位角,而AFS 借助于掌上電腦,已經(jīng)自動(dòng)將陀螺零位與子午線收斂角加以改正,直接顯示出坐標(biāo)方位角,并將測(cè)量誤差顯示出來。掌上電腦中還有常數(shù)測(cè)定與計(jì)算等子程序,使該系統(tǒng)在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)就能夠完成全部計(jì)算工作,再加上全站儀的測(cè)角與測(cè)距等功能,最終得到定位定向結(jié)果,可實(shí)時(shí)指導(dǎo)施工。它是自動(dòng)陀螺儀中功能強(qiáng)、快速、且工作效率高的儀器,特別是AFS 特有的只需要后視一個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)上的反射棱鏡就能夠迅速測(cè)定儀器自身三維坐標(biāo)并開始全站儀所有工作的優(yōu)異性能,使得儀器能夠解決地鐵、隧道與地下工程中不停工進(jìn)行定位定向及礦山快速救援等問題。
3. 1 　廠方給出的儀器技術(shù)指標(biāo)一次定向標(biāo)準(zhǔn)偏差:優(yōu)于15″; 一測(cè)回自動(dòng)尋北時(shí)間:4～7 s(六點(diǎn)法自動(dòng)觀測(cè))7 ～10 s(九點(diǎn)法自動(dòng)觀測(cè)); 自動(dòng)零位觀測(cè): 時(shí)間約30 s , 零位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差:
小于1″; 水平與垂直角測(cè)角標(biāo)準(zhǔn)偏差2″,激光對(duì)點(diǎn); 測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)偏差±(2 mm + 2 ×10-6 D) 工作溫度范圍:0～40 ℃
3. 2 　對(duì)AFS 10501 號(hào)儀器的檢查驗(yàn)收結(jié)果
在中鐵16 局盾構(gòu)工程項(xiàng)目部對(duì)儀器進(jìn)行了驗(yàn)收測(cè)試。
(1) 一次定向標(biāo)準(zhǔn)偏差: ±8. 7″,9 點(diǎn)法自動(dòng)尋北時(shí)間約9 s ;
(2) 自動(dòng)零位觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)偏差:平均±0. 7″;
(3) 測(cè)前與測(cè)后零位變化:平均0. 06 格,零位比較穩(wěn)定;
(4) 儀器的快速定位定向功能正常。驗(yàn)收表明,儀器達(dá)到出廠指標(biāo),可用于生產(chǎn)。
4 　用AFS 進(jìn)行定向的方法
4. 1 　按規(guī)范要求加測(cè)陀螺定向邊的步驟
(1) 在已知坐標(biāo)方位角的測(cè)量控制網(wǎng)邊上測(cè)定陀螺儀的儀器常數(shù);
(2) 在隧道待測(cè)邊上測(cè)定陀螺方位角;
(3) 測(cè)后再到已知邊上測(cè)定陀螺儀的儀器常數(shù);
(4) 取測(cè)前與測(cè)后測(cè)得的儀器常數(shù)的平均值作為儀器常數(shù),將測(cè)得的陀螺方位角改算為坐標(biāo)方位角,完成定向工作。
4. 2 　AFS 測(cè)定陀螺方位角在測(cè)站上對(duì)中,整平儀器,初定向后,一測(cè)回觀測(cè)步驟如下: 照準(zhǔn)待測(cè)邊的另一端,將方向記入PDA 中,測(cè)前自動(dòng)零位,自動(dòng)尋北,測(cè)后自動(dòng)零位,復(fù)測(cè)待測(cè)邊方向。一測(cè)回定向后,在PDA 上顯示的結(jié)果如下。記錄編號(hào):2(陀螺方位角測(cè)量) 測(cè)站名:306 測(cè)線名:306/ 422 觀測(cè)者:lq 儀器型號(hào):AFS 儀器編號(hào):10501 測(cè)量時(shí)間:2002 -8 -28 17 :35 :14 溫度( ℃) :30. 0 測(cè)前(后) 零位(格): -0. 18 ; -0. 11 零位改正(″) : -39. 02

5 　生產(chǎn)使用情況
5. 1 　測(cè)量精度2002 年3 月,該儀器帶到廣州地鐵的客村—新洲區(qū)間,加測(cè)陀螺邊,結(jié)果令人滿意(見表1) 。2002 年8 月,對(duì)深圳地鐵華強(qiáng)路—崗廈區(qū)間加測(cè)陀螺邊,同樣取得滿意結(jié)果(見表1) 。由兩次加測(cè)陀螺邊的結(jié)果,可見AFS 滿足地鐵陀螺定向規(guī)范的精度要求。
5. 2 　加測(cè)陀螺邊后對(duì)貫通點(diǎn)位置誤差的影響以深圳地鐵華強(qiáng)路—崗廈區(qū)間為例,在貫通前對(duì)
　　　　　　　　

表1 　廣州地鐵客村—新洲區(qū)間與深圳地鐵作的影響較小。在深圳測(cè)定儀器常數(shù)時(shí),儀器架在7 華強(qiáng)路—隧道中部的精密導(dǎo)線邊DXY7 —9 上,加測(cè)陀螺邊。測(cè)得導(dǎo)線邊與陀螺邊的坐標(biāo)方位角差值為13. 4″即: 導(dǎo)線測(cè)定邊的方位角:86°33. 5″10′10′
陀螺測(cè)定的坐標(biāo)方位角:86°20. 1″±4. 73″
這個(gè)13. 4″是由眾多誤差所引起,包括地面控制邊的方向誤差、從地面將方向經(jīng)由導(dǎo)線傳遞到定向邊的誤差,陀螺儀常數(shù)測(cè)定誤差與陀螺定向誤差,各測(cè)量控制點(diǎn)可能的點(diǎn)位變化等等。
如果不采用陀螺定向結(jié)果對(duì)導(dǎo)線方向加以修正, 13. 4″2 將導(dǎo)致盾構(gòu)前端中心位置的橫向偏差　Dx / = 6. 75 ×500 000/ 206 265 = 16. 5 mm 。
6 　對(duì)AFS 系統(tǒng)的評(píng)述
　　通過一年多對(duì)儀器的檢驗(yàn)與生產(chǎn)使用,感到儀器有以下特點(diǎn):
(1) 儀器精度高
常溫下實(shí)測(cè)的一次定向標(biāo)準(zhǔn)偏差都小于10″,優(yōu)于出廠15″的指標(biāo),完全可以滿足地下鐵道、輕軌交通工程測(cè)量規(guī)范中,陀螺儀定向的各項(xiàng)精度要求。
(2) 儀器易于使用
只要掌握下放陀螺的基本操作,按照掌上電腦屏幕中文顯示的操作步驟的提示,就能夠一步一步,輕松地完成全部測(cè)量與計(jì)算工作。與非自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀觀測(cè)比較,大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度;
(3) 儀器工作穩(wěn)定儀器的零位和常數(shù)比較穩(wěn)定,返工的幾率很低。
(4) 抗振性能優(yōu)良普通陀螺經(jīng)緯儀在地鐵定向工作時(shí),需要全部停工,否則,風(fēng)吹、聲音、振動(dòng)都將使光標(biāo)抖動(dòng)而無法測(cè)出結(jié)果。而AFS 自動(dòng)陀螺儀受外界風(fēng)力、振動(dòng)和人工操傘吹打在正在自動(dòng)尋北的陀螺儀頂部,該測(cè)回結(jié)果仍然合格! 在隧道測(cè)量時(shí),儀器架在支護(hù)好的管片上,自動(dòng)尋北過程中,正好一輛電機(jī)車通過,噪聲與振動(dòng)較大,但是結(jié)果正常。
(5) 自動(dòng)零位測(cè)量與改正
人工測(cè)量零位時(shí)受讀數(shù)精度的限制,誤差較大,改正精度不高,故零位穩(wěn)定成為制約非自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀精度提高的關(guān)鍵之一。采用高精度的自動(dòng)測(cè)量零位, 自動(dòng)修正零位的變化,有利于定向精度的提高。
(6) 采用掌上電腦完成自動(dòng)陀螺儀的控制、測(cè)量與計(jì)算
不但直接取得經(jīng)過儀器常數(shù)、子午線收斂角改正后的定向邊坐標(biāo)方位角,還將各種內(nèi)業(yè)計(jì)算工作全部在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)完成,可以實(shí)時(shí)完成指導(dǎo)施工等工作。與國外昂貴的自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀比較,AFS 完成全部定向工作需要的時(shí)間更短。
(7) 儀器存在的問題
儀器還需要人工或半自動(dòng)進(jìn)行初定向,需要人工下放陀螺,還不是全自動(dòng);儀器在不同的環(huán)境溫度下工作時(shí),可以看到觀測(cè)值有較小的系統(tǒng)性變化。雖然該種變化在精度指標(biāo)允許的范圍之內(nèi),并可以用在相似的環(huán)境溫度下測(cè)定常數(shù)和進(jìn)行定向的方法減小誤差。建議給出儀器常數(shù)隨溫度變化的曲線,以便必要時(shí),通過加溫度改正提高定向精度。
7 　結(jié)束語
　　對(duì)于淺挖的盾構(gòu)機(jī)的定向,采用全站儀定向和自動(dòng)陀螺儀定向都是可以滿足工程項(xiàng)目對(duì)測(cè)量精度的要求的。為保證順利貫通,采用全站儀精密導(dǎo)線不斷跟蹤與檢核盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)量工作站點(diǎn),在工程掘進(jìn)到一半時(shí),加測(cè)陀螺邊都是行之有效的辦法。
當(dāng)不便采用全站儀定向時(shí),采用自動(dòng)陀螺定向和加測(cè)陀螺邊,是一種可行的辦法。實(shí)踐表明國產(chǎn)AFC 定向定位系統(tǒng)儀器工作正常,精度高,定向時(shí),隧道內(nèi)可以不必停工,減少停工損失。還可以在現(xiàn)場(chǎng)取得全部測(cè)量與計(jì)算成果,省時(shí)省力,是一種性能價(jià)格比高的儀器,值得推廣。