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

摘　要　中鐵十六局集團在廣州和深圳的某地鐵項目中采用了全站儀定向?qū)Ь€為盾構(gòu)機提供安裝基準,在隧道內(nèi)敷設(shè)強制對中精密控制導(dǎo)線,不斷跟蹤校核盾構(gòu)機自動導(dǎo)向系統(tǒng)工作站點的坐標,克服了管片旋轉(zhuǎn)的不利影響,還用新型AFS 自動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)掘進的精確貫通。
關(guān)鍵詞　自動陀螺　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。該法推進速度快,一次成洞,對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)量與進度,我們在廣州地鐵客村—新洲區(qū)間與深圳地鐵華強路—崗廈區(qū)間的定向工作中,首次采用傳統(tǒng)的全站儀導(dǎo)線定向方法進行井下定向,給盾構(gòu)機的自動定向系統(tǒng)提供初始測量依據(jù)。隨著盾構(gòu)機的快速推進,再在成型的管片上設(shè)置強制對中導(dǎo)線點,測設(shè)了快速跟蹤推進的高精度導(dǎo)線,對隧道位置進行測定并對自動導(dǎo)向系統(tǒng)進行檢核。由于剛成型的管片不穩(wěn)定,導(dǎo)線點的空間位置在變化,在隧道推進400 多m 時,再次從地面進行全站儀精密導(dǎo)線復(fù)測。考慮到曲線短邊對導(dǎo)線精度的影響,在貫通前,采用了自動陀螺快速定位定向系統(tǒng)對隧道中部一導(dǎo)線邊( 長110. 807 m) 進行陀螺定向。當兩種方法測定的坐標方位角互差很小時,證明用兩種方法定向與導(dǎo)線測量的結(jié)果都是正確的,可以放心掘進。
1 　地鐵盾構(gòu)掘進項目簡介
　　深圳地鐵華強路至崗廈區(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)井至華強路站的盾構(gòu)推進長度為: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)機在地面以下約20 m 深度掘進。平均日進尺約15 m 。
2 　測量與定向工作概況
　　對測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) 地面控制測量;
(2) 地面、地下聯(lián)系測量;
(3) 隧道內(nèi)測量;
(4) 盾構(gòu)機的初定位;
(5) 自動導(dǎo)向系統(tǒng)推進時的測量工作;
(6) 隧道內(nèi)控制導(dǎo)線測量;
(7) 自動導(dǎo)向系統(tǒng)與導(dǎo)線測量的聯(lián)系。

按照上述的測量工作規(guī)劃與實施,應(yīng)該有相當?shù)陌盐帐顾淼镭炌ú⒈ＷC精度。為了驗證在管片上設(shè)置控制點的精度情況,還采用了自動陀螺儀加測陀螺邊的方法。
3 　AFS 自動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陀螺與電子全站儀有機結(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)。自動陀螺部分采用獨特的自動零位觀測與自動尋北及其它抗振動與干擾的措施,使一次定向的標準偏差優(yōu)于15″;一般的自動陀螺經(jīng)緯儀定向結(jié)果顯示的是觀測邊的陀螺方位角,而AFS 借助于掌上電腦,已經(jīng)自動將陀螺零位與子午線收斂角加以改正,直接顯示出坐標方位角,并將測量誤差顯示出來。掌上電腦中還有常數(shù)測定與計算等子程序,使該系統(tǒng)在測量現(xiàn)場就能夠完成全部計算工作,再加上全站儀的測角與測距等功能,最終得到定位定向結(jié)果,可實時指導(dǎo)施工。它是自動陀螺儀中功能強、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已知坐標點上的反射棱鏡就能夠迅速測定儀器自身三維坐標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)指標一次定向標準偏差:優(yōu)于15″; 一測回自動尋北時間:4～7 s(六點法自動觀測)7 ～10 s(九點法自動觀測); 自動零位觀測: 時間約30 s , 零位觀測標準偏差:
小于1″; 水平與垂直角測角標準偏差2″,激光對點; 測距標準偏差±(2 mm + 2 ×10-6 D) 工作溫度范圍:0～40 ℃
3. 2 　對AFS 10501 號儀器的檢查驗收結(jié)果
在中鐵16 局盾構(gòu)工程項目部對儀器進行了驗收測試。
(1) 一次定向標準偏差: ±8. 7″,9 點法自動尋北時間約9 s ;
(2) 自動零位觀測的標準偏差:平均±0. 7″;
(3) 測前與測后零位變化: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。驗收表明,儀器達到出廠指標,可用于生產(chǎn)。
4 　用AFS 進行定向的方法
4. 1 　按規(guī)范要求加測陀螺定向邊的步驟
(1) 在已知坐標方位角的測量控制網(wǎng)邊上測定陀螺儀的儀器常數(shù);
(2) 在隧道待測邊上測定陀螺方位角;
(3) 測后再到已知邊上測定陀螺儀的儀器常數(shù);
(4) 取測前與測后測得的儀器常數(shù)的平均值作為儀器常數(shù),將測得的陀螺方位角改算為坐標方位角,完成定向工作。
4. 2 　AFS 測定陀螺方位角在測站上對中,整平儀器,初定向后,一測回觀測步驟如下: 照準待測邊的另一端,將方向記入PDA 中,測前自動零位,自動尋北,測后自動零位,復(fù)測待測邊方向。一測回定向后,在PDA 上顯示的結(jié)果如下。記錄編號:2(陀螺方位角測量) 測站名:306 測線名:306/ 422 觀測者:lq 儀器型號:AFS 儀器編號:10501 測量時間:2002 -8 -28 17 :35 :14 溫度( ℃) :30. 0 測前(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,加測陀螺邊,結(jié)果令人滿意(見表1) 。2002 年8 月,對深圳地鐵華強路—崗廈區(qū)間加測陀螺邊,同樣取得滿意結(jié)果(見表1) 。由兩次加測陀螺邊的結(jié)果,可見AFS 滿足地鐵陀螺定向規(guī)范的精度要求。
5. 2 　加測陀螺邊后對貫通點位置誤差的影響以深圳地鐵華強路—崗廈區(qū)間為例,在貫通前對
　　　　　　　　

表1 　廣州地鐵客村—新洲區(qū)間與深圳地鐵作的影響較小。在深圳測定儀器常數(shù)時,儀器架在7 華強路—隧道中部的精密導(dǎo)線邊DXY7 —9 上,加測陀螺邊。測得導(dǎo)線邊與陀螺邊的坐標方位角差值為13. 4″即: 導(dǎo)線測定邊的方位角:86°33. 5″10′10′
陀螺測定的坐標方位角:86°20. 1″±4. 73″
這個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)測定誤差與陀螺定向誤差,各測量控制點可能的點位變化等等。
如果不采用陀螺定向結(jié)果對導(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AFS 系統(tǒng)的評述
　　通過一年多對儀器的檢驗與生產(chǎn)使用,感到儀器有以下特點:
(1) 儀器精度高
常溫下實測的一次定向標準偏差都小于10″,優(yōu)于出廠15″的指標,完全可以滿足地下鐵道、輕軌交通工程測量規(guī)范中,陀螺儀定向的各項精度要求。
(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,輕松地完成全部測量與計算工作。與非自動陀螺經(jīng)緯儀觀測比較,大大減輕了勞動強度;
(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,需要全部停工,否則,風吹、聲音、振動都將使光標抖動而無法測出結(jié)果。而AFS 自動陀螺儀受外界風力、振動和人工操傘吹打在正在自動尋北的陀螺儀頂部,該測回結(jié)果仍然合格! 在隧道測量時,儀器架在支護好的管片上,自動尋北過程中,正好一輛電機車通過,噪聲與振動較大,但是結(jié)果正常。
(5) 自動零位測量與改正
人工測量零位時受讀數(shù)精度的限制,誤差較大,改正精度不高,故零位穩(wěn)定成為制約非自動陀螺經(jīng)緯儀精度提高的關(guān)鍵之一。采用高精度的自動測量零位, 自動修正零位的變化,有利于定向精度的提高。
(6) 采用掌上電腦完成自動陀螺儀的控制、測量與計算
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方位角,還將各種內(nèi)業(yè)計算工作全部在測量現(xiàn)場完成,可以實時完成指導(dǎo)施工等工作。與國外昂貴的自動陀螺經(jīng)緯儀比較,AFS 完成全部定向工作需要的時間更短。
(7) 儀器存在的問題
儀器還需要人工或半自動進行初定向,需要人工下放陀螺,還不是全自動;儀器在不同的環(huán)境溫度下工作時,可以看到觀測值有較小的系統(tǒng)性變化。雖然該種變化在精度指標允許的范圍之內(nèi),并可以用在相似的環(huán)境溫度下測定常數(shù)和進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,通過加溫度改正提高定向精度。
7 　結(jié)束語
　　對于淺挖的盾構(gòu)機的定向,采用全站儀定向和自動陀螺儀定向都是可以滿足工程項目對測量精度的要求的。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)機自動導(dǎo)向系統(tǒng)的測量工作站點,在工程掘進到一半時,加測陀螺邊都是行之有效的辦法。
當不便采用全站儀定向時,采用自動陀螺定向和加測陀螺邊,是一種可行的辦法。實踐表明國產(chǎn)AFC 定向定位系統(tǒng)儀器工作正常,精度高,定向時,隧道內(nèi)可以不必停工,減少停工損失。還可以在現(xiàn)場取得全部測量與計算成果,省時省力,是一種性能價格比高的儀器,值得推廣。