頂管施工動態(tài)測量實時控制可視化系統(tǒng)的研究開發(fā)

郭志丹，李奇

(河南省中緯測繪規(guī)劃信息工程有限公司，河南焦作 454000)

1 概述

隨著城市建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展，城區(qū)內(nèi)需要敷設(shè)的各種大口徑管道越來越多。而其中的主要困難是敷設(shè)管道需經(jīng)過人口稠密區(qū)或大型建筑物、構(gòu)筑物及支流小河等。所以非開挖敷設(shè)管道技術(shù)——頂管法施工在近年得到廣泛的應(yīng)用。頂管施工技術(shù)的優(yōu)勢:①不開挖地面，能穿越公路、鐵路、河流，甚至可以在建筑物底下穿過，是一種安全有效地進行環(huán)境保護的施工方法;②頂管施工管道的上部土層未經(jīng)擾動，管道的管節(jié)端不易產(chǎn)生段差變形，管材壽命大于開挖埋管施工的管材;③采用房下頂管施工方法能節(jié)約大筆征地拆遷費用，減少動遷用房，縮短了管線長度。頂管施工使用較多的是刃口推進技術(shù)，刃口推進技術(shù)又稱手掘式頂管施工技術(shù)，管徑一般在800 mm～3000 mm。該技術(shù)設(shè)備投入少，工藝簡單，工期短，小型施工企業(yè)即可完成。如北京清河污水干線;西安咸陽機場，廣州、杭州、福州、武漢等地都有頂管施工的實例。

頂管工程的測量精度的高低決定了管道方向的準確與否，直接關(guān)系到整個工程的成敗。為確保非開挖式管道工程施工的質(zhì)量，提高施工效率，降低工程成本，結(jié)合頂管刃口推進法工程施工技術(shù)的特點，我們研究開發(fā)了基于獨立坐標系下的“頂管施工動態(tài)測量實時控制可視化系統(tǒng)”。該系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、精度分析、可視化程序開發(fā)四個部分。

“頂管施工動態(tài)測量實時控制可視化系統(tǒng)”，采用獨立坐標系下一站式實時動態(tài)中線方向和高程控制測量，儀器與便攜式電腦連接配以自行開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件相結(jié)合(如圖1所示)，具備了以下功能:①全站儀直接獲取工具管頂部中心方向偏差和高程;②動態(tài)顯示工具管頂部中心軌跡，水平、高程限差邊界可視化;③預(yù)置偏差警示提示區(qū)間，頂進管距實時顯示;④便攜式電腦直接訪問全站儀數(shù)據(jù)庫自動獲取觀測數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)建立偏差分析數(shù)據(jù)庫，評定結(jié)果質(zhì)量。

圖1 全站儀頂管測量控制系統(tǒng)示意圖

2 獨立坐標系下頂管施工動態(tài)測量實時控制可視化系統(tǒng)的要求

2.1 開發(fā)頂管施工動態(tài)測量實時控制可視化系統(tǒng)的目的

該系統(tǒng)是在平面直角獨立坐標系下，由全站儀、便攜式電腦、數(shù)據(jù)處理及可視化軟件組成系統(tǒng)。建立平面直角獨立坐標系是以方便求出頂管的方向、高程偏差為原則;利用全站儀實時測量頂管水平方向和管道中心標高，以保持管道的設(shè)計坡度始終滿足限差要求;利用便攜式電腦通過自行開發(fā)的軟件直接訪問全站儀的數(shù)據(jù)庫獲取實時測量數(shù)據(jù)，經(jīng)計算機處理后可視化顯示出管道平面軌跡、高程方向的軌跡以及限差區(qū)間和界線，以便及時為施工人員提供管道的前進趨勢和修正數(shù)據(jù)。

2.2 開發(fā)頂管施工動態(tài)測量實時控制可視化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型研究

(1)建立平面直角獨立坐標系

以全站儀安置處O點為獨立坐標系的坐標原點，設(shè)其坐標為O(0，0)，選擇O點至管道前進方向為X軸的正方向。過O點與X軸垂直的方向為Y軸，平面直角獨立坐標系如圖2所示。

圖2 平面直角獨立坐標系示意圖

(2)水平方向偏差函數(shù)模型

由于坐標系的X軸正方向正好與管道頂進的中心線設(shè)計方向重合，全站儀在O點安置儀器，輸入測站點的坐標O(0，0)，全站儀后視方向A點(管道中線設(shè)計方向上)后，即可確定管道的頂進方向(X軸)，此時，全站儀于管道中心實時觀測的任意一個點Pi的坐標值為(XPi，YPi)，任意點Pi的偏差△i實際就是該點的橫坐標YPi的觀測值，當(dāng)YPi＞0時，說明管道中心右偏;當(dāng)YPi＜0時，說明管道中心左偏;當(dāng)YPi=0時，說明管道中心沒有偏差，如圖3所示。

圖3 頂管中心軌跡示意圖

(3)任意時刻頂進長度函數(shù)模型

由圖2可以看出，儀器安置點距工具管頂點在任意時刻的距離為Di(Xi)，任意時刻，棱鏡置于工具管頂端，在全站儀坐標測量功能狀態(tài)下，測量該點的坐標(X，Y)，根據(jù)縱坐標X可方便的求出該時刻管道實際頂進長度。

(4)高程偏差函數(shù)模型建立

全站儀實時測量管道工具管端部中心Pi點的坐標(Xi，Yi，Zi)，其中的 Zi即是測點 Pi的高程 Hi，如果將測站點O的儀器高改變，相當(dāng)于將測站點的標志中心提高到了管道的中心線上，同時設(shè)該點的高程為零，則此時全站儀瞄準棱鏡在坐標測量模式下測得Pi點的高程Hi其實就是工具管端部棱鏡中心Pi與儀器安置點O處對應(yīng)的管道中心兩點間的實際高差hO0Pi，見圖4。因為管道的坡度是已知的，所以，根據(jù)已知坡度;管道測點Pi和測站點O之間的水平距離Di(Xi)，計算出工具管端部棱鏡中心Pi與儀器安置點O處對應(yīng)的管道中心兩點間的設(shè)計或稱理論高差hO0Pi，實際測的高差與設(shè)計高差的不符值就是我們所要求的高程偏差值。

圖4 高程控制示意圖

2.3 開發(fā)頂管施工動態(tài)測量實時控制可視化系統(tǒng)的精度分析

規(guī)范規(guī)定，在管道頂進施工之前，首先要確定管道在垂直和水平方向上與設(shè)計軌跡的允許偏差，在這一最大偏差的限制下，所鋪設(shè)的管道應(yīng)滿足如下兩方面的要求:

(1)符合管道的既定功能要求。

(2)產(chǎn)生偏差的范圍內(nèi)不能損壞到其他的建筑和設(shè)備。

一般情況下，頂管施工的允許偏差必須滿足表1所列出的具體要求。

頂管施工允許偏差表 表1

我們用南方NTS－360(2″級)全站儀測試，得到以下結(jié)果:

當(dāng)頂進長度 Xi(Di)分別取值 60 m、80 m、…180 m時，中線方向偏差中誤差和高程偏差中誤差分別為表2和表3。

頂管施工中線方向偏差表 表2

頂管施工高程方向偏差表 表3

通過以上精度分析表明，采用該儀器對于中線方向上以及管底高程方向上的偏差控制，在頂進距離為180 m時，中線方向偏差中誤差以及高程方向偏差中誤差均能滿足限差要求。

3 頂管施工動態(tài)測量實時控制可視化系統(tǒng)的開發(fā)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)工具

頂管施工動態(tài)測量實時控制可視化系統(tǒng)使用VB.NET的語言編寫，使用的開發(fā)工具Visual Studio.NET 2008是當(dāng)前流行的先進開發(fā)工具。數(shù)據(jù)庫使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Microsoft Access 2007。

3.2 系統(tǒng)總體框架圖(見圖5)

圖5 系統(tǒng)總體框架圖

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

(1)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)描述

①工程屬性表。用來存儲工程的屬性信息，包括工程名稱，作業(yè)單位，地點，時間，模式基本信息。

②角度測量表、平距測量表、斜距測量表。用來存儲作業(yè)過程中所獲取的各種測角數(shù)據(jù)、平距信息以及斜距信息。

③坐標測量表。用來存儲工程作業(yè)模式為坐標測量的時候，作業(yè)過程中所設(shè)置的基本參數(shù)以及作業(yè)中由全站儀測得的各種坐標數(shù)據(jù)和經(jīng)過程序處理分析后得到的數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)存儲流程(見圖6)

圖6 系統(tǒng)存儲流程圖

4 系統(tǒng)實施過程

在Windows系統(tǒng)下，首先安裝.NET Framework 2.0作為本系統(tǒng)的運行環(huán)境，然后安裝頂管施工動態(tài)測量實時控制可視化系統(tǒng)，安裝完畢后啟動程序——頂管施工動態(tài)測量實時控制.exe。在作業(yè)前的準備工作中，需檢查全站儀的通訊參數(shù)以及端口連接是否與程序一致，并依據(jù)《頂管施工技術(shù)及驗收規(guī)范》設(shè)置相關(guān)數(shù)據(jù)進行初始化計算，包括已知測量數(shù)據(jù)和作業(yè)規(guī)范限差等。

4.1 工程管理

在系統(tǒng)的第一部分，是關(guān)于工程的管理，若是打開已經(jīng)存在的工程數(shù)據(jù)庫文件，在測量菜單中選擇坐標測量，程序會自動將根據(jù)數(shù)據(jù)展現(xiàn)出圖形，然后進行全站儀測量了。

4.2 工程設(shè)置

在工程設(shè)置中，可以修改當(dāng)前工程的各種屬性信息，例如作業(yè)單位，作業(yè)地點，作業(yè)模式等。另外，若當(dāng)前作業(yè)模式為坐標測量模式，則提供了設(shè)置和修改作業(yè)參數(shù)的功能，如圖7所示。

圖7 工程參數(shù)設(shè)置界面

4.3 全站儀動態(tài)測量

在對當(dāng)前的工程各項設(shè)置完成后，可以進行對應(yīng)的實時測量，所測得的數(shù)據(jù)都會動態(tài)的存儲在數(shù)據(jù)庫中，并且坐標測量模式下，對數(shù)據(jù)進行了分析處理，如果是數(shù)據(jù)達到警示區(qū)，則會彈出對應(yīng)的提示對話框進行提示，并且以圖形+數(shù)據(jù)的形式展示結(jié)果，如圖8所示。

圖8 水平及高程偏差預(yù)警界面

4.4 回歸預(yù)測

回歸預(yù)測功能將在已經(jīng)測得的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)輸入的點數(shù)n從最后一個數(shù)據(jù)向前推進n個數(shù)據(jù)來建立回歸方程。然后再根據(jù)輸入的下一個點的X坐標值，來預(yù)測出下一個點的中線偏差以及高程偏差并顯示出來，如圖9所示。

圖9 預(yù)測結(jié)果

4.5 數(shù)據(jù)修改及打印

在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)結(jié)果保存在Access數(shù)據(jù)庫中，我們可以在作業(yè)結(jié)束后，用Access打開工程文件。數(shù)據(jù)庫中的坐標測量表里存儲了作業(yè)過程中的數(shù)據(jù)，雙擊打開可以瀏覽及修改數(shù)據(jù)，也可以通過文件菜單中的打印選項直接將數(shù)據(jù)表打印出來。

4.6 系統(tǒng)幫助

在該模塊中提供了對該系統(tǒng)的使用方面的一些說明和注意事項。其中包括作業(yè)參數(shù)的設(shè)置說明以及系統(tǒng)運行流程，以及對數(shù)據(jù)庫的后期脫離系統(tǒng)使用方法。

5 總結(jié)

頂管施工測量動態(tài)控制可視化系統(tǒng)主要針對城市市政工程建設(shè)中，大口徑中短距離地下管道非開挖頂管施工時所進行的測量控制所做的開發(fā)研究。該系統(tǒng)基于獨立坐標系下，因此其X、Y、Z坐標分別是工具管頂部中心距離儀器的平距、水平方向偏差及高程，配以計算機實時處理，可視化軌跡及限差邊界，使工作人員能直觀、準確、及時地進行偏差修正;同時預(yù)置限差警示區(qū)間提示功能可以使工作人員根據(jù)施工限差預(yù)設(shè)警示臨界值，根據(jù)達到警示臨界值的警示信號，提前掌握管道頂進的偏差趨勢，提前進行預(yù)防性修正;實時建立回歸方程，定量預(yù)測偏差發(fā)展趨勢，使提前制定的糾偏措施更具體、更完善。該系統(tǒng)已經(jīng)通過河南省科學(xué)技術(shù)廳鑒定并頒發(fā)證書。

［1］季斌德，邵自修.工程測量［M］.北京:測繪出版社，2002.

［2］何保喜.全站儀測量技術(shù)［M］.鄭州:黃河水利出版社，2005.

［3］武漢大學(xué)測繪學(xué)院測量平差學(xué)科組.誤差理論與測量平差基礎(chǔ)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2003.

［4］宮同森.地形、地籍測量精度［M］.北京:測繪出版社，1992.

［5］邵自修.工程測量［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1999.

［6］鄭崇啟，梁玉保.大比例尺地面數(shù)字測圖的精度分析［J］.測繪通報，2004(11):42～44.

［7］《建筑施工手冊》編寫組.建筑施工手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1993.

［8］陳戰(zhàn)林，耿宏運.Visual Basic.NET高級編程［M］.北京:電子工業(yè)出版，1999.