顶管施工动态测量实时控制可视化系统的研究开发

郭志丹，李奇

(河南省中纬测绘规划信息工程有限公司，河南焦作 454000)

1 概述

随着城市建设的大规模发展，城区内需要敷设的各种大口径管道越来越多。而其中的主要困难是敷设管道需经过人口稠密区或大型建筑物、构筑物及支流小河等。所以非开挖敷设管道技术——顶管法施工在近年得到广泛的应用。顶管施工技术的优势:①不开挖地面，能穿越公路、铁路、河流，甚至可以在建筑物底下穿过，是一种安全有效地进行环境保护的施工方法;②顶管施工管道的上部土层未经扰动，管道的管节端不易产生段差变形，管材寿命大于开挖埋管施工的管材;③采用房下顶管施工方法能节约大笔征地拆迁费用，减少动迁用房，缩短了管线长度。顶管施工使用较多的是刃口推进技术，刃口推进技术又称手掘式顶管施工技术，管径一般在800 mm～3000 mm。该技术设备投入少，工艺简单，工期短，小型施工企业即可完成。如北京清河污水干线;西安咸阳机场，广州、杭州、福州、武汉等地都有顶管施工的实例。

顶管工程的测量精度的高低决定了管道方向的准确与否，直接关系到整个工程的成败。为确保非开挖式管道工程施工的质量，提高施工效率，降低工程成本，结合顶管刃口推进法工程施工技术的特点，我们研究开发了基于独立坐标系下的“顶管施工动态测量实时控制可视化系统”。该系统包含数据采集、数据处理、精度分析、可视化程序开发四个部分。

“顶管施工动态测量实时控制可视化系统”，采用独立坐标系下一站式实时动态中线方向和高程控制测量，仪器与便携式电脑连接配以自行开发的数据处理软件相结合(如图1所示)，具备了以下功能:①全站仪直接获取工具管顶部中心方向偏差和高程;②动态显示工具管顶部中心轨迹，水平、高程限差边界可视化;③预置偏差警示提示区间，顶进管距实时显示;④便携式电脑直接访问全站仪数据库自动获取观测数据，处理数据建立偏差分析数据库，评定结果质量。

图1 全站仪顶管测量控制系统示意图

2 独立坐标系下顶管施工动态测量实时控制可视化系统的要求

2.1 开发顶管施工动态测量实时控制可视化系统的目的

该系统是在平面直角独立坐标系下，由全站仪、便携式电脑、数据处理及可视化软件组成系统。建立平面直角独立坐标系是以方便求出顶管的方向、高程偏差为原则;利用全站仪实时测量顶管水平方向和管道中心标高，以保持管道的设计坡度始终满足限差要求;利用便携式电脑通过自行开发的软件直接访问全站仪的数据库获取实时测量数据，经计算机处理后可视化显示出管道平面轨迹、高程方向的轨迹以及限差区间和界线，以便及时为施工人员提供管道的前进趋势和修正数据。

2.2 开发顶管施工动态测量实时控制可视化系统的数学模型研究

(1)建立平面直角独立坐标系

以全站仪安置处O点为独立坐标系的坐标原点，设其坐标为O(0，0)，选择O点至管道前进方向为X轴的正方向。过O点与X轴垂直的方向为Y轴，平面直角独立坐标系如图2所示。

图2 平面直角独立坐标系示意图

(2)水平方向偏差函数模型

由于坐标系的X轴正方向正好与管道顶进的中心线设计方向重合，全站仪在O点安置仪器，输入测站点的坐标O(0，0)，全站仪后视方向A点(管道中线设计方向上)后，即可确定管道的顶进方向(X轴)，此时，全站仪于管道中心实时观测的任意一个点Pi的坐标值为(XPi，YPi)，任意点Pi的偏差△i实际就是该点的横坐标YPi的观测值，当YPi＞0时，说明管道中心右偏;当YPi＜0时，说明管道中心左偏;当YPi=0时，说明管道中心没有偏差，如图3所示。

图3 顶管中心轨迹示意图

(3)任意时刻顶进长度函数模型

由图2可以看出，仪器安置点距工具管顶点在任意时刻的距离为Di(Xi)，任意时刻，棱镜置于工具管顶端，在全站仪坐标测量功能状态下，测量该点的坐标(X，Y)，根据纵坐标X可方便的求出该时刻管道实际顶进长度。

(4)高程偏差函数模型建立

全站仪实时测量管道工具管端部中心Pi点的坐标(Xi，Yi，Zi)，其中的 Zi即是测点 Pi的高程 Hi，如果将测站点O的仪器高改变，相当于将测站点的标志中心提高到了管道的中心线上，同时设该点的高程为零，则此时全站仪瞄准棱镜在坐标测量模式下测得Pi点的高程Hi其实就是工具管端部棱镜中心Pi与仪器安置点O处对应的管道中心两点间的实际高差hO0Pi，见图4。因为管道的坡度是已知的，所以，根据已知坡度;管道测点Pi和测站点O之间的水平距离Di(Xi)，计算出工具管端部棱镜中心Pi与仪器安置点O处对应的管道中心两点间的设计或称理论高差hO0Pi，实际测的高差与设计高差的不符值就是我们所要求的高程偏差值。

图4 高程控制示意图

2.3 开发顶管施工动态测量实时控制可视化系统的精度分析

规范规定，在管道顶进施工之前，首先要确定管道在垂直和水平方向上与设计轨迹的允许偏差，在这一最大偏差的限制下，所铺设的管道应满足如下两方面的要求:

(1)符合管道的既定功能要求。

(2)产生偏差的范围内不能损坏到其他的建筑和设备。

一般情况下，顶管施工的允许偏差必须满足表1所列出的具体要求。

顶管施工允许偏差表 表1

我们用南方NTS－360(2″级)全站仪测试，得到以下结果:

当顶进长度 Xi(Di)分别取值 60 m、80 m、…180 m时，中线方向偏差中误差和高程偏差中误差分别为表2和表3。

顶管施工中线方向偏差表 表2

顶管施工高程方向偏差表 表3

通过以上精度分析表明，采用该仪器对于中线方向上以及管底高程方向上的偏差控制，在顶进距离为180 m时，中线方向偏差中误差以及高程方向偏差中误差均能满足限差要求。

3 顶管施工动态测量实时控制可视化系统的开发

3.1 系统开发工具

顶管施工动态测量实时控制可视化系统使用VB.NET的语言编写，使用的开发工具Visual Studio.NET 2008是当前流行的先进开发工具。数据库使用关系型数据库管理系统Microsoft Access 2007。

3.2 系统总体框架图(见图5)

图5 系统总体框架图

3.3 系统数据库设计

(1)数据库结构描述

①工程属性表。用来存储工程的属性信息，包括工程名称，作业单位，地点，时间，模式基本信息。

②角度测量表、平距测量表、斜距测量表。用来存储作业过程中所获取的各种测角数据、平距信息以及斜距信息。

③坐标测量表。用来存储工程作业模式为坐标测量的时候，作业过程中所设置的基本参数以及作业中由全站仪测得的各种坐标数据和经过程序处理分析后得到的数据。

(2)数据存储流程(见图6)

图6 系统存储流程图

4 系统实施过程

在Windows系统下，首先安装.NET Framework 2.0作为本系统的运行环境，然后安装顶管施工动态测量实时控制可视化系统，安装完毕后启动程序——顶管施工动态测量实时控制.exe。在作业前的准备工作中，需检查全站仪的通讯参数以及端口连接是否与程序一致，并依据《顶管施工技术及验收规范》设置相关数据进行初始化计算，包括已知测量数据和作业规范限差等。

4.1 工程管理

在系统的第一部分，是关于工程的管理，若是打开已经存在的工程数据库文件，在测量菜单中选择坐标测量，程序会自动将根据数据展现出图形，然后进行全站仪测量了。

4.2 工程设置

在工程设置中，可以修改当前工程的各种属性信息，例如作业单位，作业地点，作业模式等。另外，若当前作业模式为坐标测量模式，则提供了设置和修改作业参数的功能，如图7所示。

图7 工程参数设置界面

4.3 全站仪动态测量

在对当前的工程各项设置完成后，可以进行对应的实时测量，所测得的数据都会动态的存储在数据库中，并且坐标测量模式下，对数据进行了分析处理，如果是数据达到警示区，则会弹出对应的提示对话框进行提示，并且以图形+数据的形式展示结果，如图8所示。

图8 水平及高程偏差预警界面

4.4 回归预测

回归预测功能将在已经测得的数据基础上，根据输入的点数n从最后一个数据向前推进n个数据来建立回归方程。然后再根据输入的下一个点的X坐标值，来预测出下一个点的中线偏差以及高程偏差并显示出来，如图9所示。

图9 预测结果

4.5 数据修改及打印

在本系统中，数据结果保存在Access数据库中，我们可以在作业结束后，用Access打开工程文件。数据库中的坐标测量表里存储了作业过程中的数据，双击打开可以浏览及修改数据，也可以通过文件菜单中的打印选项直接将数据表打印出来。

4.6 系统帮助

在该模块中提供了对该系统的使用方面的一些说明和注意事项。其中包括作业参数的设置说明以及系统运行流程，以及对数据库的后期脱离系统使用方法。

5 总结

顶管施工测量动态控制可视化系统主要针对城市市政工程建设中，大口径中短距离地下管道非开挖顶管施工时所进行的测量控制所做的开发研究。该系统基于独立坐标系下，因此其X、Y、Z坐标分别是工具管顶部中心距离仪器的平距、水平方向偏差及高程，配以计算机实时处理，可视化轨迹及限差边界，使工作人员能直观、准确、及时地进行偏差修正;同时预置限差警示区间提示功能可以使工作人员根据施工限差预设警示临界值，根据达到警示临界值的警示信号，提前掌握管道顶进的偏差趋势，提前进行预防性修正;实时建立回归方程，定量预测偏差发展趋势，使提前制定的纠偏措施更具体、更完善。该系统已经通过河南省科学技术厅鉴定并颁发证书。

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