AFS 自動陀螺快速定位定向系統在地鐵建設中的應用

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導線為盾構機提供安裝基準,在隧道內敷設強制對中精密控制導線,不斷跟蹤校核盾構機自動導向系統工作站點的坐標,克服了管片旋轉的不利影響,還用新型AFS 自動陀螺快速定位定向系統檢核精密控制導線,保證了大口徑盾構掘進的精確貫通。
關鍵詞　自動陀螺　定向　盾構　地下鐵道
　　現代地鐵建設中,采用盾構法施工的區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。為了保證工程質量與進度,我們在廣州地鐵客村—新洲區間與深圳地鐵華強路—崗廈區間的定向工作中,首次采用傳統的全站儀導線定向方法進行井下定向,給盾構機的自動定向系統提供初始測量依據。隨著盾構機的快速推進,再在成型的管片上設置強制對中導線點,測設了快速跟蹤推進的高精度導線,對隧道位置進行測定并對自動導向系統進行檢核。由于剛成型的管片不穩定,導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線復測。考慮到曲線短邊對導線精度的影響,在貫通前,采用了自動陀螺快速定位定向系統對隧道中部一導線邊( 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線測量的結果都是正確的,可以放心掘進。
1 　地鐵盾構掘進項目簡介
　　深圳地鐵華強路至崗廈區間工程,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 , 盾構始發井設置在區間中部,始發井至華強路站的盾構推進長度為:右線986. 2 m , 左線972. 608 m ; 始發井至崗廈站的盾構推進長度為: 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、地下聯系測量;
(3) 隧道內測量;
(4) 盾構機的初定位;
(5) 自動導向系統推進時的測量工作;
(6) 隧道內控制導線測量;
(7) 自動導向系統與導線測量的聯系。

按照上述的測量工作規劃與實施,應該有相當的把握使隧道貫通并保證精度。為了驗證在管片上設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合并內裝相應軟件構成的一種快速定位定向系統。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于15″;一般的自動陀螺經緯儀定向結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測定與計算等子程序,使該系統在測量現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果,可實時指導施工。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指標一次定向標準偏差:優于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果
在中鐵16 局盾構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。
4 　用AFS 進行定向的方法
4. 1 　按規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邊上測定陀螺儀的儀器常數;
(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;
(4) 取測前與測后測得的儀器常數的平均值作為儀器常數,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,復測待測邊方向。一測回定向后,在PDA 上顯示的結果如下。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—新洲區間,加測陀螺邊,結果令人滿意(見表1) 。2002 年8 月,對深圳地鐵華強路—崗廈區間加測陀螺邊,同樣取得滿意結果(見表1) 。由兩次加測陀螺邊的結果,可見AFS 滿足地鐵陀螺定向規范的精度要求。
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—崗廈區間為例,在貫通前對
　　　　　　　　

表1 　廣州地鐵客村—新洲區間與深圳地鐵作的影響較小。在深圳測定儀器常數時,儀器架在7 華強路—隧道中部的精密導線邊DXY7 —9 上,加測陀螺邊。測得導線邊與陀螺邊的坐標方位角差值為13. 4″即: 導線測定邊的方位角: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、從地面將方向經由導線傳遞到定向邊的誤差,陀螺儀常數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果對導線方向加以修正, 13. 4″2 將導致盾構前端中心位置的橫向偏差　Dx / = 6. 75 ×500 000/ 206 265 = 16. 5 mm 。
6 　對AFS 系統的評述
　　通過一年多對儀器的檢驗與生產使用,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。與非自動陀螺經緯儀觀測比較,大大減輕了勞動強度;
(3) 儀器工作穩定儀器的零位和常數比較穩定,返工的幾率很低。
(4) 抗振性能優良普通陀螺經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,但是結果正常。
(5) 自動零位測量與改正
人工測量零位時受讀數精度的限制,誤差較大,改正精度不高,故零位穩定成為制約非自動陀螺經緯儀精度提高的關鍵之一。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
不但直接取得經過儀器常數、子午線收斂角改正后的定向邊坐標方位角,還將各種內業計算工作全部在測量現場完成,可以實時完成指導施工等工作。與國外昂貴的自動陀螺經緯儀比較,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;儀器在不同的環境溫度下工作時,可以看到觀測值有較小的系統性變化。雖然該種變化在精度指標允許的范圍之內,并可以用在相似的環境溫度下測定常數和進行定向的方法減小誤差。建議給出儀器常數隨溫度變化的曲線,以便必要時,通過加溫度改正提高定向精度。
7 　結束語
　　對于淺挖的盾構機的定向,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,采用全站儀精密導線不斷跟蹤與檢核盾構機自動導向系統的測量工作站點,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AFC 定向定位系統儀器工作正常,精度高,定向時,隧道內可以不必停工,減少停工損失。還可以在現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。