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自动导向系统在长距离曲线顶管测量中的应用

发表时间：2020/7/15 来源：《基层建设》2020年第6期作者：覃永杰郑庆坂

[导读] 摘要：为解决传统测量方法在长距离曲线顶管施工中存在的不足和局限，以广州南沙区口岸站-凫洲站110/220KV电力管廊工程项目为依托，根据国内顶管工程施工特点，通过分析传统施工方法的优点和不足，结合顶管工程的发展趋势，提出长距离曲线顶管施工利用自动导向系统测量的施工方法。

        中铁隧道局集团建设有限公司广西南宁 530003
        摘要：为解决传统测量方法在长距离曲线顶管施工中存在的不足和局限，以广州南沙区口岸站-凫洲站110/220KV电力管廊工程项目为依托，根据国内顶管工程施工特点，通过分析传统施工方法的优点和不足，结合顶管工程的发展趋势，提出长距离曲线顶管施工利用自动导向系统测量的施工方法。研究表明：1）自动测量代替人工测量，获取参数方便，可以及时快速地反馈给地面操作人员，及时地对机头进行导向纠偏；2）运用顶管自动导向系统能够自动、实时、准确地纠正顶管在施工过程中的偏差，能够预防和减少出现顶管开裂甚至脱节的情况，从而保证顶管的准确贯通3）采用全机械化作业，劳动力投入较少，测量速度快，测量成果可靠，相对贯通精度高。4）适合在各种地质的顶管施工，工艺简单，操作容易，便于现场实施。5）自动导向系统，全程设备控制，减少人员操作，利于操作人员人身安全。
        关键词：自动导向系统；曲线；顶管；测量；应用
        Application of Automatic Guidance System in Long-distance Curved Pipe Jacking Measurement
        Abstract: In order to solve the shortcomings and limitations of traditional measurement methods in the construction of long-distance curved pipe jacking, based on the 110/220 KV power pipe gallery project of Nansha Port Station-Fuzhou Station in Guangzhou, and according to the construction characteristics of domestic pipe jacking projects, by analyzing the advantages and disadvantages of traditional construction methods, and combining with the development trend of pipe jacking projects, the automatic guiding system is proposed for the construction of long-distance curved pipe jacking. Construction method of general survey. The research shows that: 1) automatic measurement replaces manual measurement, and it is convenient to obtain parameters, which can be feedback to ground operators in time and quickly, and the machine head can be corrected in time; 2) the deviation of pipe jacking can be corrected automatically, real-time and accurately by using pipe jacking automatic guidance system, which can prev        ent and reduce the occurrence of pipe jacking cracking or even disconnection, so as to ensure the safety of pipe jacking. Accurate piercing of pipe jacking 3) With fully mechanized operation, less labor input, fast measurement speed, reliable measurement results and high relative piercing accuracy. 4) Suitable for pipe jacking construction in various geologies, simple technology, easy operation, easy to implement on site. 5) Automatic guidance system, the whole process of equipment control, reduce personnel operation, conducive to the personal safety of operators.
        Keywords: automatic guidance system; curve; pipe jacking; measure; application
        0 引言
        随着我国城市化进程的不断发展，城市地面可利用的空间资源变得越来越少，地下空间的开发利用受到高度重视，非开挖顶管施工成为了最直接、有效、快速、安全、环保的方法。随着工程建设的不断扩大，对于顶管施工的需求也在日益增加，而对于一些复杂的曲线性顶管工程，如何进行顶管的定位导向测量也成为了一个急需解决的难题。对于复杂的曲线顶管，传统的经纬仪激光导向和全站仪一站式的测量方法不再适用，这时就需要架设多台仪器来进行坐标传递。受现场施工环境的限制，若用人工测量，一次测量的时间往往需要一两个小时，且要停止施工，这样大大影响了工程效率和贯通精度，复杂地质条件下长时间停机容易造成顶管机和管节抱死，增加注浆减阻和施工顶进难度[4]。
        根据国内外研究现状可知，目前关于长距离曲线顶管测量技术方面的研究较少，“S”型曲线顶管测量方面更是寥寥无几。催国新[1]提出采用激光束的方法指导前进方向；舒亚明等[2]对长距离曲线顶管测量和控制进行了研究；郑金森[3]提出了自动导线测量系统的解决方案；杜志刚[5]提出“相对空间点位法”的施工控制点恢复方案。本文以广州南沙区口岸站-凫洲站110/220KV电力管廊工程为研究背景，结合工程实际，分析本工程定位导向测量的施工技术难题，总结出项目的技术成果和创新点，为今后类似工程建设提供施工经验。
        1 工程概况
        1.1工程背景
        口岸站-凫洲站110/220KV电力管廊工程设计管廊内径3m，外径3.6m，管顶覆土4.75m～13.59m，最大纵坡1.9%，线路全长6866m，采用泥水平衡顶管法施工。本工程共设17个顶管区间，单区间最长637.8m，设置平曲线最小半径600m，曲线顶管长度共3299.98m，其中凫洲段2#-3#、6#-7#、7#-8#区间共1314.3m位于“S”型曲线上。
        1.2工程地质条件
        南沙新区地处珠江出海口，在长期的河流冲积和海潮进退作用下，沉积了深厚的海陆交互相软土。顶管穿越地层主要为淤泥2-1（平均厚度7.01m）和淤泥质土2-2（平均厚度16.63m）。淤泥、淤泥质土均呈饱和、流塑状态，强度低，压缩性高，属于软弱地基土，承载力特征值60～70KPa，摩擦系数0.2。该地层稳定性极差，且地下水位埋藏浅（埋深0.55～1.9m），地下水丰富。
        2 传统测量方法在施工中存在不足和局限
        1）传统测量是在顶管机上安装棱镜，每一次从头到尾进行测量，计算出顶管机上棱镜坐标，再根据棱镜坐标换算出机头中心坐标。但随着施工的不断进行，管廊越来越长，进行测量的时间也越来越长，不能满足施工的要求。
        2）顶管测量和隧道或盾构测量不同，因为，顶管过程中，整条管道是移动前进的，管道内的导线点也是移动的。因此，传统测量工作只能在停止掘进的情况下进行，在掘进的过程中顶管机处于“失明”状态。操作人员在整环掘进的过程中无法得知当前顶管机的位置姿态，仅根据经验和感觉进行判断，无法实现顶管施工测量导向实时性的要求。并且严重影响顶管进度，使得先进的曲线顶管无法推广使用[2,3]。
        3）采用激光经纬仪导向方法是在顶管机上安装标靶，在工作井安装激光经纬仪，激光经纬仪发射激光束，在标靶上形成红色的光斑，事先已将激光束与设计轴线调整至平行，标靶上激光斑的位置变化即为顶管机的位置变化。该技术能够直观的提供给操作人员顶管机的位置变化，也具备数据的实时性，但是测量数据不能保存，不能测量顶管机的姿态角，有一定的局限性。
        4）长距离的曲线顶管，受管道弯曲限制，测量无法通视，需多站联测，且曲线半径不同通视距离也不一样。当曲线段长度大于通视距离时，需要增加测站，逐站测量至机头，费人费时。
        5）凫洲段4#-5#工作井曲线长度最长，曲线半径为800m，曲线长度388.5m，最远顶进需搬站为5站，搬站时间为15分钟，每次测量需要75分钟。根据规范要求,顶管进出洞段为每0.5m测量一次，正常段为每节测量一次。按每个循环顶进时间4.8～6h综合计算，采用传统测量，顶管进度指标为2.4～3.1节管/天，严重影响施工进度。
        6）本工程顶管穿越地层为流塑状淤泥和淤泥质土，承载力特征值低，顶管机很容易出现“磕头”和旋转现象，受地层条件制约，纠偏难度极大，必须做到随测随纠。且由于顶管机自重较大，长时间停机容易造成顶管机下沉，安全风险大。
        7）流塑状淤泥地层条件下，刀盘转动会破坏周边土体平衡，引起地表沉降，因此，管节与土层之间的间隙采用膨润土注浆填充，即起到防沉降作用，又起到减阻作用。在人工测量时段，会出现长时间的停机，当膨润土压力无法抵抗土体压力时，周边土体会下沉包裹管节，可能造成顶管机和管节“抱死”，致使顶力增大，增加施工难度。
        3 自动导向系统在顶管测量中的应用
        3.1方案概述
        本方案也是采用多台测量机器人（全自动跟踪测量全站仪）实时联动测量，但实质上为动态导线自动测量系统和顶管机的位置姿态测量系统的组合。该自动导向系统由控制中心组件、固定测量组件和移动测量组件三部分组成，每次测量，测量基准均是从井口引入至前端，根据顶进距离需要，增加测量单元，最多可增加至5个测站单元。
        该系统首先在始发井井壁上安装1台初始全站仪，作为基准点。随着管道的向前顶进，在遇到无法通视的点时就在该位置增设一个全站仪，多台全站仪组成过渡的导线点，每台全站仪都通过对应的无线发送模块与计算机进行通讯，在计算机软件的指挥下，各站点上的全站仪相互配合，按之前导线测量的测量程序，自动有序地测量导线各点的转折角、垂直角以及导线各点之间的边长，并把角度和边长测量数据自动传回给计算机。角度传感器也将检测的顶管机头的俯仰角与滚动角传输至计算机，然后由计算机进行数据处理。由于顶管机头上的反射棱镜无法安置在顶管的机头中心轴位置，因此顶管的中心位置坐标须由反射棱镜换算，计算结果自动和设计轴线比较并在计算机屏幕上显示机头中心相对于设计轴线的左右偏差、上下偏差、机头俯仰角和滚动角、以及测量时的里程和时间，系统整个测量过程在计算机的控制下自动运行，无需人工干预。各组件包含内容及工作原理如图1所示。

        图1自动导向系统测量原理图
        3.2关键技术及创新点
        1）大气折光问题
        当全站仪激光通过理想的大气层时是一条直线，但是事实上，由于施工中管道的大气密度分布不均匀，使得激光产生不均匀的折射，造成棱镜与全站仪中心出现误差，每一站的误差在导线测量过程中逐站积累，严重影响最终测量结果的准确性。自动导向系统通过增加测站，并在每台全站仪上安装棱镜，大大的缩短了激光距离，在控制计算机及应用工具的指令下，全站仪自动照准并测量相邻全站仪上的棱镜，大幅降低了折光误差。
        2）无线通讯
        为解决曲线顶管多台全站仪联动测量中出现通讯絮乱情况，自动测量导向系统电台中继的方法为：计算机控制主电台发射信号，若干个电台接收主电台的发射信号，每个电台接一个PLC模块，通过各测站收到信息，根据信息里的源（即本测站的编号），判断信息是否是相邻测站/软件发出，根据信息里的目标（即软件对应的编号），判断信息是否是发送给自己，通过上述中继方法，解决了现有技术中在隧道之类的、具有曲线形状的狭小空间中电台信号无法通讯的技术问题，保证了顶管的安全性和准确性。
        3）与位置姿态测量系统融合
        在顶管机机头位置安装固定反射棱镜和倾斜仪，同时进行角度测量( 仰俯角、滚动角、水平角、竖直角) 和距离测量( 斜距、平距、高差)，通过移动测量组件，将数据传递至控制中心，实时记录顶管机的姿态。另外还在每台全站仪（移动组件）的前后断面50m位置管壁上设置若干个反射棱镜（不少于3个），其目的是通过这几个反射棱镜拟合该管道断面的圆形形状，如果计算机检测到该断面圆形的圆心位置发生改变，这说明此断面发生了形变，起到检测作用。
        4）自动整平系统
        在位于管道中的各全站仪上增设安平基座，其目的是保证在顶管推进过程管道发生转动时，实时给全站仪提供水平基准面，保证测量的准备性。
        4 结论与讨论
        1）口岸站-凫洲站110/220KV电力管廊工程采用泥水平衡顶管机进行顶管施工，顶管穿越地层主要为流塑状淤泥及淤泥质土，承载力低，且设置曲线区间多，并存在多个“S”型曲线。通过利用自动导向系统，消除因测量引起的停机时间，实现了“随测随纠”，有效地解决了曲线顶管测量的精度、线性问题及该地层条件下的姿态问题，杜绝了因停机时间过长引起的顶管机“磕头”、“抱死”、下沉等安全风险，为每个区间顺利贯通提供了保障。为今后类似工程施工提供借鉴和参考。
        2）导线自动测量系统和顶管机的位置姿态测量系统的有效组合，能更准确的体现顶管机的实时姿态，并结合远程监控和云服务平台，在工业电脑上可以直观地看出顶管机姿态趋势，有效地保证了顶管的质量并大大提高整体施工进度,在长曲线顶管中效果特别明显。
        3）本系统通过多台全站仪的多点配合，能够更加精准的对管道的导向进行测量，稳定可靠性好，同时成本较低，另外利用每台全站仪还能够对隧道的断面形变进行检测，确保施工的安全，整体设计具有较为广阔的市场前景，便于推广。
        4）自动导向系统作为一种全新的顶管测量方式，有其自身的适用性和优缺点，通过在复杂地质条件下多曲线顶管测量中的应用，初步验证了其可行性，对于更多具体应用细节和在其他领域的拓展，还有待不断创新和进一步研究、验证。
        参考文献
        [1] 崔国新. 机型顶管施工测量方法[J] .市政技术，2006（1）.
        [2] 舒亚明，周永红. 长距离曲线顶管测量和控制[J]. 浙江工业大学学报，2009（12）.