第３３卷第１期 现代测绘 Ｖ０Ｉ＿３３，Ｎｏ．１ ２０１０年Ｏ１月 Ｍｏｄｅｒｎ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ ＭａＤＤｉｎ Ｊｕｌｙ．２０１０ 顶管导向测量系统及其在工程中的应用 杨 帆 ，张晓日。，李英硕 ，黄江培。，向亚非。 （ 同济大学测量与国土信息工程系，上海２０００９２； 上海立信测量有限公司，上海２０１９０１； 。同济大学应用数学系，上海２０００９２） 摘要本文主要介绍在顶管施工测量中的一种测量系统，阐述了这套顶管导向测量系统的使用方法、操作步骤 以及使用这种系统所遇到的问题和解决这些问题的改进措施。顶管导向测量系统是由最新的自动驱动全站仪和 工业电脑组合起来的一种自动化测量程度高的一种先进测量手段，在顶管工程中使用顶管测量系统可以很有效地 解决顶管测量困难、需要耗费大量劳动力等难题，因此顶管测量系统的研发具有重要的意义。 关键词顶管工程顶管测量系统 自动驱动全站仪 中图分类号：ＴＵ１９８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－－４０９７（２０１０）０１－－０００５－－０３ １ 引 言 始数据输入，通讯设置，测量定向解算，图形偏差显 示，历史数据查询等。 顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种 ２．２ 一般顶管测量系统使用前期工作 地下管道施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿 在观测好现场后，需带好必要的仪器和设备做 越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各 好顶管测量系统的前期工作。前期工作对整个顶 种地下管线等。顶管施工借助于主顶油缸及管道间 管测量系统的使用有着重要的意义，只有做好前期 中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作井内穿过 工作才能使中后期的顶管系统测量更加简单、轻 土层一直推到接收井内吊起。与此同时，也就把紧随 松，起到事倍工半的效果。前期主要工作有： 工具管或掘进机后的管道埋设在始发井和接收井之 （１）自建坐标系，如果需要将控制点与当地坐 间，以期实现非开挖敷设地下管道的施工方法。 标系建立坐标转换关系，可以在自建坐标系中观测 随着当今科技的进步，计算机的发展、通讯设 ３个以上具有当地坐标系坐标的基准点； 施的进步以及全站仪的智能化使得工程测量手段 （２）布置控制网、测出控制点坐标，这些都基于 与方法变得更加简单与快速，极大地提高了工程的 基本的导线测量理论； 效率与工程的精度。 （３）测量始发井与接收井洞门中心坐标，建立 顶管内操作空问较小、空气潮湿、管内与管外温差 设计轴线； 大、有些管内含有大量积水，观测条件极其不利。管内 （４）利用测站控制点测量六菱镜坐标； 无固定点、每次导向测量都要从工作井起始点开始，所 （５）墩台的设立并安装强制归心底盘、全站仪 以人工测量时间较长，需要耗费大量的人力【＝２ 。 安置； 计算机与智能全站仪（测量机器人）的结合使得 （６）机头菱镜的设立以及机头菱镜到机头中心 顶管测量更加实时、高效，改变了传统人工导向的测 的距离以及倾斜仪初始角度的记录。 量方式。下面将介绍顶管测量系统所采用的基本原 在自建坐标系中应将原点（Ｏ ０ Ｏ）以及定向控制 理与方法，结合一个工程示例，说明使用注意事项。 点设在远离顶管施工现场、以免顶管顶进过程中造成 ２系统组成以及系统的使用方法、测量原理 起始点的变动，这对后面复测工作十分重要。复测一 般每月进行一次，如果发现洞门中心坐标以及菱镜坐 ２．１ 一般顶管测量系统简介 标出现较大变化，则应立即重新进行测量，确定变化 一般的顶管测量系统包含两部分：硬件部分和 量后再在软件设置中修改初始数据值。机头菱镜由 软件部分。 于顶管设计存在曲线、倾斜的设计轴线等原因造成机 硬件部分主要由：自动驱动全站仪、工业电脑、 头菱镜不能较好地观测，可以在机头中安置２个以上 倾斜仪、若干个单圆菱镜、信号转换器、连接线等通 的菱镜固定设备，以备在全站仪由于遮挡不能观测到 讯设施设备。 当前菱镜时及时更换可观测到得机头菱镜位置，并重 软件部分：顶管测量系统软件。一般包括：初 新在软件设置中修改初始值。 ６ ２．３ 一般顶管测量系统的使用方法 现代测绘 第３３卷 仪整平定向工作；２）仪器的定期检校和维护；３）定 在完成前期工作后，接下来就是顶管测量系统 的日常使用和维护工作，顶管测量系统往往需要２ 名工作人员进行，一人负责井下的全站仪整平、初 步定向、点位学习（利用全站仪瞄点并记录、传输到 电脑软件）过程，另外一人负责井上控制台的电脑 软件操作；不同类型的顶管测量系统具体使用方法 根据软件设计而定，所需要的工作人员数量也可以 期的人工复测确定系统软件的可靠性：４）定期的测 量始发、接收洞门中心以及六菱镜坐标变动情况。 ３．２工程偏差情况 三角形数据和控制室的电脑联接。在具 体实施过程中，电脑指挥全站仪完成后视定向得出 全站仪坐标后转向目标前视观测菱镜坐标，后根据 菱镜坐标解算出机头中心坐标，于是得到机头中心 根据软件设计、工程提供的设备数量而定。 ２．４ 一般顶管测量系统采用的测量学原理： 该测量系统所涉及的测量原理有： 坐标与设计轴线的平面偏差和垂直偏差。 在现场施工中，我们定期用人工测量方法检查 系统的可靠性，并且定期重新复测控制点坐标、六 菱镜坐标、始发和接收井坐标变化，待确认变化量 后及时在系统软件设置中修改参数。表１是我们用 人工测量方法测得的平差和系统显示偏差的差值 随着顶管顶进距离的变化。 表１顶管顶进机头偏差表 ａ．常规控制网坐标的计算：由控制网坐标计算 出始发井洞门中心坐标以及接收井洞门中心坐标， 确定设计轴线； ｂ．六菱镜后方交会后严密平差计算出全站仪 中心坐标； Ｃ．由全站仪中心坐标得出机头菱镜中心坐标， 根据菱镜中心坐标换算出机头中心坐标。 ３工程示例 ３．１工程背景介绍 在上海某顶管工程实际应用中，井深１５Ｍ，井长 在使用该系统中我们发现了在３００ Ｍ以内使用 该系统完全能达到施工方的顶管精度要求，但是在大 约５５０ Ｍ以后该系统的高程精度已经完全不能满足 宽为１０Ｍ左右，在这次施工中我们采用了上海立信 测量系统，主要硬件设备有：ＴＣＡ１２０１全站仪一台、 ＴＰＣ６０００～１２１ＴＨ工业电脑、倾斜仪、网络延伸器、 施工方的要求，在软件系统中施工中，我们针对仪器 因素、软件因素、环境因素做了一些实验和分析。 ３．３工程偏差分析 ＬＥＩＣＡ单圆菱镜、２１０７信号转换器。设计的现场顶 管测量系统图如图１所示，该系统主要包括三部分： 地面部分：ｌ号、２号、３号控制点、原点控制点、 测站控制点、转点控制点。其中ｌ号、３号控制点、 原点控制点和测站控制点有必要设立墩台和强制 归心底盘，做好点位固定工作，含有工业电脑、顶管 机操作室的控制室也设在地上； 检验仪器因素的影响：在顶管停止顶进过程 中，我们尝试过用不同的全站仪进行测量，相差不 超过２ ＣＩＴＩ（此时可认为顶管机为完全静止状态）。 由此可以基本排除仪器因素的影响。 检验软件因素的影响：用一台全站仪观测发生 偏差变化前后的前视棱镜点坐标，并用测得的坐标 地下部分：六菱镜固定在始发井四周，全站仪 固定在安装在墩台上的强制归心底盘上； 和软件记录的棱镜坐标做比较。发现软件记录和 全站仪测得的坐标相同，并且在偏差变化前后，用 全站仪实测的棱镜坐标确实发生了相应的变化。 可以基本排除软件因素的影响。 对于环境因素，目前有两种情况：一个因素为 机头部分：倾斜仪和机头菱镜分别安置在机头 的转动刀盘的尾部； 需要的测量人员，导线点位测量和始发、接收洞 门中心坐标测量以及六菱镜坐标测量需要３—４人， 日常的仪器换站整平、仪器维护需要工作人员２人。 前期工作：１）用常规测量方法测量控制点点位 坐标、计算出１、２、３号等控制点坐标，再测量计算出 始发、接收井坐标以及六菱镜坐标；２）量出机头菱 镜到机头中心坐标的距离、记录倾斜仪初始的横向 角和纵向角的角度值；３）将这些数据输入到顶管系 统的软件中，并在软件中保存。 千斤顶顶力过大引起的工作井整体移动，但实际上 经观察，在全站仪的工作过程中，全站仪本身的位 移很小可以忽略。全站仪安放好整平后，不同时间 用后方交会测得的测站坐标基本相同，相差不超过 ０．５ ｍｍ。另外一个重要因素是管道因素。 夏天管道内为低温２Ｏ度左右，而管道外是高温 ３０度左右，在内外空气对流下，高温空气遇到低温空 气，便形成了一个由水汽折射面，低温处空气底部更 日常定期工作：１）日常的仪器换站工作和全站 第ｌ期 杨帆等：顶管导向测量系统及其在工程中的应用 ７ 靠近管口。事实上，全站仪光线由理论路线照射进入 站数量，使得测站误差加大，但是实际中利用ＬＥＩ— 管道。但是由于折射，全站仪必须由图中实际路线照 ＣＡ１２０１全站仪精度为（１ ｍｍ＋１．５ ｐｐｍ），根据ｍ 射进管道，这样全站仪必须要更大的垂直角才可以照 一￣／ ；＋ｍ；，增加一测站增加的误差只有０．４ｍｍ 射到棱镜。这个就造成实际复合高程多数是低于软 左右远远小于折射所带来的误差。 件显示高程的原因，相反低温处空气上部更靠近管 在顶管施工现场中，对顶管测量不利条件很 口，则实测高程变小。另外，这个水汽折射面很脆弱， 多，主要包括以下两个方面： 稍微有点风力就会发生变化，比如人的走动，自然空 １）顶管过程中，整条管道式前进的，除了始发 气流动等。所以测得的垂直角，以及随垂直角变动的 井的菱镜和安置在井下测站的全站仪的位置几乎 高程也会大幅度变化。并且在折射面变动过程中，因 不动之外，管内所有转点都在变动； 全站仪和菱镜的连线方向折射面平面方向基本保持 ２）顶管施工条件比较恶劣，空气中水气很大、 垂直，而垂直方向则呈很大一角度，且这个角度不停 湿度也很高，这对测量精度影响较大，尤其是三角 地变化。这就是为什么系统平面偏差跳动不大，而高 高程精度，而且对测量仪器和设备也产生损害。 程平面偏差跳动比较巨大。 为了更好地解决顶管测量系统困难的问题，应 ２．４解决方法介绍 加强计算机和全自动全站仪（测量机器人）的联机 为了工程中有效地解决这些问题所带来的偏 使用，开发出更稳定、智能化的顶管测量系统，更有 差影响，我们针对导致解决偏差跳动的主要原因提 效地解决传统顶管测量难的问题。 出了一些解决方案。 折射面的消除或者减弱，目前这种方法无法应 ３结束语 用到施工中； 顶管测量系统采用了自动驱动全站仪、工业电 最根本的方法是在远距离的顶管现场施工中， 脑、先进的通讯设施，改变了传统顶管测量的方式， 可以增加全站仪数量并且改进相应程序； 大大节省了人力和物力。但目前在工程中使用的 在远距离或弯曲线的顶管现场施工中，可以增 顶管测量系统还存在一些不足，应该结合顶管距离 加全站仪数量并且改进相应程序；在使用方法２时， 开发出适合顶进各种距离的顶管测量系统，并提供 以增加１台全站仪为例。 相应的仪器设备 １号全站仪通过墙壁上的六菱镜坐标后方交会 可以得到１号全站仪的坐标，２号全站仪可以通过 参考文献 观测安装在ｌ号全站仪的菱镜作为后视定向点坐 １陈建华，顶管导向测量系统的开发研究［Ｊ］．河海大学学 标，定向完成后再重新目标前视观测机头菱镜坐 报，１９９９，２７（６）ｉ００—１０３ 标，再换算机头中心坐标，最后与设计轴线比较得 ２胡瑞灵，长距离曲线顶管测量施工技术ＥＪ］．地下工程施 出偏差值。改进后的顶管测测量系统增加的全站 工与风险防范技术，８８６—８９２ 仪数量，因此计算机除了负责数据采集和计算之 ３常青、殷春乾，顶管工程施工中的测量技术探讨［Ｊ］．西部 外，还需分别控制各全站仪有序的进行观测。 探矿工程，２００３，８１：７—８ 在增加全站仪数量的同时可以很好地解决大 ４郑金淼，自动导线测量系统及其在顶管施工中的应用 气折射导致的偏差过大的问题，但同时也增加了测 ＿Ｊ］．测绘通报，２００１，１（１） Ｐｉｐｅ－ｄｒｖｉｎｇ Ｓｕｒｖｅｙ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ｔｈｅ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉａｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＹＡＮＧ Ｆａｎ ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｒｉ ，ＬＩ Ｙｉｎｇ—ｓｈｕｏ２，ＨＵＮＡＧ Ｊｉａｎｇ—ｐｅｉ ，ＸＩＡＮＧ Ｙａ—ｆｅｉ。 （ Ｔｈｅ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ Ｇｅｏ—ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００９２，Ｃｈｉｎａ；。Ｒａｓｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１９０１，Ｃｈｉｎａ； 。Ｔｈｅ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００９２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐｉｐｅ－ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｕｒｖｅｙ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ａｎｄ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｓｕｃｈ ｓｙｓｔｅｍ、ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ ｔｏ ａｄｄｒｅｓｓ ｔｈｅｓｅ ｉｓｓｕｅｓ ｍｅａｓｕｒｅｓ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ａ ｃｏｍｐｕｔｅｒ、ａｕｔｏ—ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅｓ ａｎｄ ａ ｓｅｔ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｏｆｔ ｗａｒｅｓ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｍａｋｅ ｐｉｐｅ－ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｅａｓｉｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｎｅｅｄｓ ｌｅｓｓ ｌａｂｏｒ，ＳＯ ｔｈｅ ｐｉｐｅ－ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｕｒｖｅｙ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｐｉｐｅ￣ｄｒｉｖｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；Ｕｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐｉｐｅ－ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｕｒｖｅｙ ｓｙｓｔｅｍ；Ａｕｔｏ－ｔｈｅｏｄｏｌｉｔ
