AFS 自动陀螺快速定位定向系统在地铁建设中的应用
摘 要 中铁十六局集团在广州和深圳的某地铁项目中采用了全站仪定向导线为盾构机提供安装基准,在隧道内敷设强制对中精密控制导线,不断跟踪校核盾构机自动导向系统工作站点的坐标,克服了管片旋转的不利影响,还用新型AFS 自动陀螺快速定位定向系统检核精密控制导线,保证了大口径盾构掘进的精确贯通。
关键词 自动陀螺 定向 盾构 地下铁道
现代地铁建设中,采用盾构法施工的区间隧道所占的比重越来越大。该法推进速度快,一次成洞,对井下定向工作的正确性与定向精度的要求很高。为了保证工程质量与进度,我们在广州地铁客村—新洲区间与深圳地铁华强路—岗厦区间的定向工作中,首次采用传统的全站仪导线定向方法进行井下定向,给盾构机的自动定向系统提供初始测量依据。随着盾构机的快速推进,再在成型的管片上设置强制对中导线点,测设了快速跟踪推进的高精度导线,对隧道位置进行测定并对自动导向系统进行检核。由于刚成型的管片不稳定,导线点的空间位置在变化,在隧道推进400 多m 时,再次从地面进行全站仪精密导线复测。考虑到曲线短边对导线精度的影响,在贯通前,采用了自动陀螺快速定位定向系统对隧道中部一导线边( 长110. 807 m) 进行陀螺定向。当两种方法测定的坐标方位角互差很小时,证明用两种方法定向与导线测量的结果都是正确的,可以放心掘进。
1 地铁盾构掘进项目简介
深圳地铁华强路至岗厦区间工程,总长度3 471. 6 m , 其中右线隧道长1 728. 1 m , 左线隧道长1 743. 5 m , 盾构始发井设置在区间中部,始发井至华强路站的盾构推进长度为:右线986. 2 m , 左线972. 608 m ; 始发井至岗厦站的盾构推进长度为: 右线741. 884 m , 左线770. 913 m 。采用直径6. 28 m 的盾构机在地面以下约20 m 深度掘进。平均日进尺约15 m 。
2 测量与定向工作概况
对测量工作的要求主要取决于地铁隧道贯通的允许误差, 其中横向≤±50 mm ; 竖向≤±25 mm 。这些工作包括:
(1) 地面控制测量;
(2) 地面、地下联系测量;
(3) 隧道内测量;
(4) 盾构机的初定位;
(5) 自动导向系统推进时的测量工作;
(6) 隧道内控制导线测量;
(7) 自动导向系统与导线测量的联系。
按照上述的测量工作规划与实施,应该有相当的把握使隧道贯通并保证精度。为了验证在管片上设置控制点的精度情况,还采用了自动陀螺仪加测陀螺边的方法。
3 AFS 自动陀螺快速定位定向系统简介
AFS 是由掌上电脑控制的自动陀螺与电子全站仪有机结合并内装相应软件构成的一种快速定位定向系统。自动陀螺部分采用独特的自动零位观测与自动寻北及其它抗振动与干扰的措施,使一次定向的标准偏差优于15″;一般的自动陀螺经纬仪定向结果显示的是观测边的陀螺方位角,而AFS 借助于掌上电脑,已经自动将陀螺零位与子午线收敛角加以改正,直接显示出坐标方位角,并将测量误差显示出来。掌上电脑中还有常数测定与计算等子程序,使该系统在测量现场就能够完成全部计算工作,再加上全站仪的测角与测距等功能,最终得到定位定向结果,可实时指导施工。它是自动陀螺仪中功能强、快速、且工作效率高的仪器,特别是AFS 特有的只需要后视一个已知坐标点上的反射棱镜就能够迅速测定仪器自身三维坐标并开始全站仪所有工作的优异性能,使得仪器能够解决地铁、隧道与地下工程中不停工进行定位定向及矿山快速救援等问题。
3. 1 厂方给出的仪器技术指标一次定向标准偏差:优于15″; 一测回自动寻北时间:4～7 s(六点法自动观测)7 ～10 s(九点法自动观测); 自动零位观测: 时间约30 s , 零位观测标准偏差:
小于1″; 水平与垂直角测角标准偏差2″,激光对点; 测距标准偏差±(2 mm + 2 ×10-6 D) 工作温度范围:0～40 ℃
3. 2 对AFS 10501 号仪器的检查验收结果
在中铁16 局盾构工程项目部对仪器进行了验收测试。
(1) 一次定向标准偏差: ±8. 7″,9 点法自动寻北时间约9 s ;
(2) 自动零位观测的标准偏差:平均±0. 7″;
(3) 测前与测后零位变化:平均0. 06 格,零位比较稳定;
(4) 仪器的快速定位定向功能正常。验收表明,仪器达到出厂指标,可用于生产。
4 用AFS 进行定向的方法
4. 1 按规范要求加测陀螺定向边的步骤
(1) 在已知坐标方位角的测量控制网边上测定陀螺仪的仪器常数;
(2) 在隧道待测边上测定陀螺方位角;
(3) 测后再到已知边上测定陀螺仪的仪器常数;
(4) 取测前与测后测得的仪器常数的平均值作为仪器常数,将测得的陀螺方位角改算为坐标方位角,完成定向工作。
4. 2 AFS 测定陀螺方位角在测站上对中,整平仪器,初定向后,一测回观测步骤如下: 照准待测边的另一端,将方向记入PDA 中,测前自动零位,自动寻北,测后自动零位,复测待测边方向。一测回定向后,在PDA 上显示的结果如下。记录编号:2(陀螺方位角测量) 测站名:306 测线名:306/ 422 观测者:lq 仪器型号:AFS 仪器编号:10501 测量时间:2002 -8 -28 17 :35 :14 温度( ℃) :30. 0 测前(后) 零位(格): -0. 18 ; -0. 11 零位改正(″) : -39. 02
5 生产使用情况
5. 1 测量精度2002 年3 月,该仪器带到广州地铁的客村—新洲区间,加测陀螺边,结果令人满意(见表1) 。2002 年8 月,对深圳地铁华强路—岗厦区间加测陀螺边,同样取得满意结果(见表1) 。由两次加测陀螺边的结果,可见AFS 满足地铁陀螺定向规范的精度要求。
5. 2 加测陀螺边后对贯通点位置误差的影响以深圳地铁华强路—岗厦区间为例,在贯通前对
表1 广州地铁客村—新洲区间与深圳地铁作的影响较小。在深圳测定仪器常数时,仪器架在7 华强路—隧道中部的精密导线边DXY7 —9 上,加测陀螺边。测得导线边与陀螺边的坐标方位角差值为13. 4″即: 导线测定边的方位角:86°33. 5″10′10′
陀螺测定的坐标方位角:86°20. 1″±4. 73″
这个13. 4″是由众多误差所引起,包括地面控制边的方向误差、从地面将方向经由导线传递到定向边的误差,陀螺仪常数测定误差与陀螺定向误差,各测量控制点可能的点位变化等等。
如果不采用陀螺定向结果对导线方向加以修正, 13. 4″2 将导致盾构前端中心位置的横向偏差 Dx / = 6. 75 ×500 000/ 206 265 = 16. 5 mm 。
6 对AFS 系统的评述
通过一年多对仪器的检验与生产使用,感到仪器有以下特点:
(1) 仪器精度高
常温下实测的一次定向标准偏差都小于10″,优于出厂15″的指标,完全可以满足地下铁道、轻轨交通工程测量规范中,陀螺仪定向的各项精度要求。
(2) 仪器易于使用
只要掌握下放陀螺的基本操作,按照掌上电脑屏幕中文显示的操作步骤的提示,就能够一步一步,轻松地完成全部测量与计算工作。与非自动陀螺经纬仪观测比较,大大减轻了劳动强度;
(3) 仪器工作稳定仪器的零位和常数比较稳定,返工的几率很低。
(4) 抗振性能优良普通陀螺经纬仪在地铁定向工作时,需要全部停工,否则,风吹、声音、振动都将使光标抖动而无法测出结果。而AFS 自动陀螺仪受外界风力、振动和人工操伞吹打在正在自动寻北的陀螺仪顶部,该测回结果仍然合格! 在隧道测量时,仪器架在支护好的管片上,自动寻北过程中,正好一辆电机车通过,噪声与振动较大,但是结果正常。
(5) 自动零位测量与改正
人工测量零位时受读数精度的限制,误差较大,改正精度不高,故零位稳定成为制约非自动陀螺经纬仪精度提高的关键之一。采用高精度的自动测量零位, 自动修正零位的变化,有利于定向精度的提高。
(6) 采用掌上电脑完成自动陀螺仪的控制、测量与计算
不但直接取得经过仪器常数、子午线收敛角改正后的定向边坐标方位角,还将各种内业计算工作全部在测量现场完成,可以实时完成指导施工等工作。与国外昂贵的自动陀螺经纬仪比较,AFS 完成全部定向工作需要的时间更短。
(7) 仪器存在的问题
仪器还需要人工或半自动进行初定向,需要人工下放陀螺,还不是全自动;仪器在不同的环境温度下工作时,可以看到观测值有较小的系统性变化。虽然该种变化在精度指标允许的范围之内,并可以用在相似的环境温度下测定常数和进行定向的方法减小误差。建议给出仪器常数随温度变化的曲线,以便必要时,通过加温度改正提高定向精度。
7 结束语
对于浅挖的盾构机的定向,采用全站仪定向和自动陀螺仪定向都是可以满足工程项目对测量精度的要求的。为保证顺利贯通,采用全站仪精密导线不断跟踪与检核盾构机自动导向系统的测量工作站点,在工程掘进到一半时,加测陀螺边都是行之有效的办法。
当不便采用全站仪定向时,采用自动陀螺定向和加测陀螺边,是一种可行的办法。实践表明国产AFC 定向定位系统仪器工作正常,精度高,定向时,隧道内可以不必停工,减少停工损失。还可以在现场取得全部测量与计算成果,省时省力,是一种性能价格比高的仪器,值得推广。
