豎曲線大坡度油氣頂管自動(dòng)激光測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)的應(yīng)用

李曉超，廖 瀟，李曉仕，楊 捷，蔡文虎

中國(guó)石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊

1. 引言

盾構(gòu)、定向鉆、頂管是目前油氣管道建設(shè)非開挖技術(shù)的主要施工方法[1]。盾構(gòu)法工期長(zhǎng)、造價(jià)高；定向鉆法遇到部分復(fù)合地層時(shí)無法施工；頂管法相對(duì)于盾構(gòu)法及定向鉆法具有工期短、造價(jià)低、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是油氣管道穿越長(zhǎng)距離復(fù)合地層的最佳選擇[2] [3]。

杭州市天然氣利用工程富陽(yáng)西線S16高壓管線在桐廬縣和富陽(yáng)市間穿越富春江，因項(xiàng)目所在位置穿越有淤泥質(zhì)粉砂質(zhì)黏土巖、卵石、中粗砂巖、中風(fēng)化砂巖、圓礫巖等地層，且現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制較多，最終確定采用具有氣壓輔助平衡的泥水平衡頂管法穿越富春江。

考慮穿越處兩岸大堤安全及河底沖刷線的限制，若采用水平直線頂管，兩岸的工作井深度均需超過25 m，無法滿足業(yè)主工期和成本的要求，故決定降低兩岸豎井深度，同時(shí)采用豎曲線大坡度(始發(fā)下行坡度10.51%、接收上行坡度14.53%)穿越，既能滿足業(yè)主工期要求又能減少工程投資成本。對(duì)于大坡度豎曲線的頂管工程，傳統(tǒng)的直線頂管導(dǎo)向系統(tǒng)無法滿足施工需要，必須采用新的頂管導(dǎo)向系統(tǒng)——自動(dòng)激光測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)。

2. 自動(dòng)激光測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量原理

自動(dòng)激光測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)基本原理與傳統(tǒng)直線頂管導(dǎo)向系統(tǒng)不同，它利用成形隧道的數(shù)據(jù)和里程及時(shí)解算出移動(dòng)全站儀和后視棱鏡的坐標(biāo)，進(jìn)行實(shí)時(shí)設(shè)站定向，再進(jìn)行即時(shí)導(dǎo)向[4]。

2.1. 組成和基本原理

該系統(tǒng)由自驅(qū)動(dòng)全站儀、計(jì)算機(jī)、基準(zhǔn)棱鏡、激光靶、后方棱鏡、自動(dòng)整平基座和通信盒輔助產(chǎn)品組成。利用激光靶測(cè)得的坐標(biāo)控制頂管方向并保存成型管道的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；激光靶和后方棱鏡跟隨混凝土管進(jìn)入隧道，根據(jù)推進(jìn)油缸行程和混凝土管數(shù)據(jù)求得里程；根據(jù)里程、成型管道數(shù)據(jù)和傾斜儀求出全站儀的站心坐標(biāo)；最后根據(jù)里程、成型管道數(shù)據(jù)，求出后視方位，對(duì)全站儀進(jìn)行定向，再用定向后的全站儀進(jìn)行即時(shí)導(dǎo)向測(cè)量[5]。

新研制的頂管導(dǎo)向原理示意圖(如圖1所示)：

Figure 1. The sketch of principle of pipe jacking guiding system圖1. 頂管導(dǎo)向系統(tǒng)原理示意圖

1) 除了豎井內(nèi)架設(shè)的全站儀基站，隧道內(nèi)架設(shè)需安裝自動(dòng)整平基座。自動(dòng)整平基座依靠12 V的直流電源供電，當(dāng)管道頂進(jìn)全站儀或棱鏡受到破壞時(shí)能及時(shí)自動(dòng)把儀器或棱鏡的基座整平。德國(guó)產(chǎn)的AD-12自動(dòng)整平基座，整平精度為±32''，整平范圍為10?40'。自動(dòng)整平基座能保證隧道內(nèi)的全站儀實(shí)時(shí)保持整平狀態(tài)，提高導(dǎo)向測(cè)量精度。

2) 隧道內(nèi)架設(shè)的1套后視棱鏡、2套前基準(zhǔn)棱鏡都需安裝自動(dòng)整平基座，保證棱鏡實(shí)時(shí)處于整平狀態(tài)及導(dǎo)向測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

3) 全站儀、激光靶、控制箱需要接通電源，并通過數(shù)據(jù)屏蔽線與地面的工業(yè)電腦相連。

系統(tǒng)以自驅(qū)動(dòng)全站儀為基礎(chǔ)，配合自動(dòng)測(cè)量和導(dǎo)向軟件，在計(jì)算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)測(cè)量、傳輸和處理，通過計(jì)算獲得頂管機(jī)頭中心點(diǎn)上的三維坐標(biāo)，測(cè)量計(jì)算出的數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)軸線比較，得出該時(shí)頂管機(jī)頭的縱、橫偏差。系統(tǒng)界面顯示頂管機(jī)前端的三維偏差與頂進(jìn)軌跡線，實(shí)現(xiàn)地面的遠(yuǎn)程操作管理。

頂管機(jī)頂進(jìn)時(shí)機(jī)頭震動(dòng)大，盾尾中心和管道中心偏差大，不直接使用盾構(gòu)中心，而使用2個(gè)基準(zhǔn)棱鏡測(cè)量計(jì)算的中心作為成形隧道中心。主要考慮盾構(gòu)中心與管道中心不重合問題，理論上混凝土管節(jié)下沉到開挖洞底部，機(jī)頭和混凝土管外徑相差95 mm (圖2)。

Figure 2. The relative relationship between tunnel section and the excavation face of pipe jacking machine圖2. 隧道截面和頂管機(jī)開挖面的相對(duì)關(guān)系圖

2.2. 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在混凝土管相對(duì)穩(wěn)定處開始安裝基準(zhǔn)棱鏡，設(shè)計(jì)安裝在全站儀前10～15 m處左右兩側(cè)的混凝土管內(nèi)壁上，同時(shí)配上自動(dòng)整平基座。頂管不同階段采用不同的方法。

1) 始發(fā)定位階段。在頂管機(jī)進(jìn)洞的前30～50 m，全站儀基站安裝在正對(duì)洞門反力墻附近的豎井內(nèi)，后視棱鏡安裝在豎井內(nèi)側(cè)壁上。激光全站儀和后視棱鏡距離短，采用單點(diǎn)定向誤差大，建議豎井內(nèi)側(cè)壁上安裝2～4個(gè)控制點(diǎn)，同時(shí)放上棱鏡，軟件自動(dòng)使用后方交會(huì)的方法進(jìn)行設(shè)站定向，對(duì)限差、超限的控制點(diǎn)進(jìn)行屏蔽，提高測(cè)量精度。全站儀在工作豎井內(nèi)，通過測(cè)量激光靶，對(duì)機(jī)頭姿態(tài)進(jìn)行計(jì)算，成形管道記錄(使用頂管機(jī)尾中心坐標(biāo))，使用基準(zhǔn)棱鏡后，對(duì)兩基準(zhǔn)棱鏡算出的管道中心記錄。

2) 激光靶不可視階段。當(dāng)全站儀激光不能通視頂管機(jī)頭部位安裝的激光標(biāo)靶時(shí)，需要前移全站儀進(jìn)入隧道，通過成形管道數(shù)據(jù)、全站儀的里程和傾斜儀讀數(shù)計(jì)算出全站儀坐標(biāo)。后視棱鏡坐標(biāo)使用工作井內(nèi)的原全站儀坐標(biāo)進(jìn)行定向，對(duì)機(jī)頭姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。

3) 全站儀不可視階段。當(dāng)全站儀跟隨管道前移一段距離后，全站儀和后視棱鏡間不能通視，需要把后視棱鏡安裝到隧道內(nèi)管壁上，全站儀坐標(biāo)計(jì)算等同上步。通過成形隧道數(shù)據(jù)、后方棱鏡里程和零位數(shù)據(jù)計(jì)算出后視棱鏡坐標(biāo)，此時(shí)全站儀和后視棱鏡處于相對(duì)靜止，全站儀實(shí)時(shí)通過定向后視棱鏡，對(duì)機(jī)頭姿態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量計(jì)算。由于上述動(dòng)態(tài)測(cè)量過程中，全站儀坐標(biāo)、后視棱鏡坐標(biāo)是根據(jù)成形隧道數(shù)據(jù)、測(cè)斜儀顯示偏差以及與隧道軸線中心的偏差綜合考慮求得，坐標(biāo)值存在較大的誤差，需要每間隔20～30 m人工測(cè)量復(fù)核，修正隧道中心數(shù)據(jù)，使測(cè)站、后視點(diǎn)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。隧道里程通過已拼混凝土管數(shù)和推進(jìn)千斤頂?shù)男谐逃?jì)算，每次隨帶人工復(fù)核后對(duì)里程進(jìn)行修正，減少誤差積累。

3. 頂管貫通中導(dǎo)向系統(tǒng)的誤差分析

頂管施工中人工測(cè)量、自動(dòng)導(dǎo)向測(cè)量的目的是保證機(jī)頭在頂進(jìn)過程中能沿著設(shè)計(jì)軸線前進(jìn)或糾偏，最終從接收井的預(yù)留洞口穿出，準(zhǔn)確貫通。

頂管貫通誤差可以從2方面分析：貫通測(cè)量誤差、導(dǎo)向系統(tǒng)誤差。貫通測(cè)量誤差分別由控制測(cè)量、聯(lián)系測(cè)量、隧道內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量誤差組成；導(dǎo)向系統(tǒng)誤差有儀器誤差、棱鏡整平誤差、震動(dòng)誤差、累計(jì)誤差等。貫通測(cè)量誤差分析及要求如下：

1) 地面控制測(cè)量誤差。不超過1000 m的隧道地面控制測(cè)量可以采取2點(diǎn)定向法測(cè)量，即在工作井和接收井兩側(cè)做2個(gè)基準(zhǔn)控制點(diǎn)，用全站儀對(duì)向精確測(cè)量其間距，固定一點(diǎn)坐標(biāo)，反算另一點(diǎn)坐標(biāo)，反算出控制點(diǎn)的點(diǎn)位誤差小(1～3 mm)。

2) 工作井聯(lián)系測(cè)量誤差。一般是通過井口懸掛2根直徑0.3 mm的鋼絲傳遞地面控制點(diǎn)坐標(biāo)至井下控制點(diǎn)上，作為井下導(dǎo)線測(cè)量的基準(zhǔn)點(diǎn)。由于工作井尺寸、天氣條件、豎井深度等影響，連續(xù)測(cè)量難度較大，精度不高，尤其是井下的控制點(diǎn)間距小，定向誤差很大，對(duì)貫通測(cè)量影響最大。

3) 隧道內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量。由于隧道內(nèi)測(cè)量條件差，大氣遮光，且為支導(dǎo)線測(cè)量，無法及時(shí)檢核測(cè)量結(jié)果，對(duì)貫通測(cè)量影響大。

4. 結(jié)語(yǔ)

激光測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)基于自驅(qū)動(dòng)全站儀進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，具有操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便、功能齊全、等特點(diǎn)。該導(dǎo)向系統(tǒng)一方面可以實(shí)現(xiàn)頂管機(jī)頂進(jìn)時(shí)的不間斷測(cè)量，避免隧道掘進(jìn)偏離設(shè)計(jì)軸線；另一方面可以減少人工測(cè)量次數(shù)，其測(cè)量精度、速度都較人工測(cè)量高。自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)能及時(shí)計(jì)算偏差值，方便及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)、糾偏。

[1] 寸江峰. 頂管施工測(cè)量技術(shù)[J]. 山西建筑, 2009, 35(22): 355-357.

[2] 楊帆, 張曉日, 李英碩,等. 頂管導(dǎo)向測(cè)量系統(tǒng)及其在工程中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代測(cè)繪, 2010, 33(1): 5-7.

[3] 舒亞明, 周永江. 長(zhǎng)距離曲線頂管測(cè)量和控制[J]. 浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2009, 37(6): 685-688.

[4] 羅興虎. 港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道曲線管幕頂管測(cè)量和軌跡控制技術(shù)[J]. 鐵道建筑, 2015, 55(4): 55-58.

[5] 任偉, 李照宇. 頂管測(cè)量技術(shù)在城市管道工程中的應(yīng)用[J]. 河南科技, 2007, 42(5): 40-41.