自動整平基座在地下工程測量中的應用＊

劉紹堂 潘潔晨

（1.河南工程學院，451191，鄭州；2.同濟大學測量與國土信息工程系，200092，上?！蔚谝蛔髡撸淌冢?/p>

現代工程施工正在向自動化方向發展。施工自動化常常需要自動化的工程測量和自動化的施工導航系統作保障。自動化工程導航需要儀器的自動整平?，F有的自動整平機構，根據其用途，一類是用于大型設備的自動整平，一類是用于動態載體的整平和調平。常見的測量和施工導航儀器的整平機構則是小傾斜范圍環境下的自動安平裝置和電子補償裝置。

文獻［1］針對測量用的三角架占用面積大，對中整平慢的缺點，根據液體表面水平原理，采用傳感器偵測支架水平方向的傾斜、機電一體化自動調平的方法設計了一種自動安平儀器支架。文獻［2］實現了自動調平，但僅適用于大噸位車載光學儀器代替原來的人工調平。文獻［3］以德國西門子公司生產的SIMATIC S7－300可編程邏輯控制器為主控器件，設計了一種自動調平系統，經試驗驗證可應用于各種大型車輛的調平。文獻［4］及文獻［5］介紹了幾個自動整平機構，但對測量儀器很難適用。綜上所述，雖然已經存在多種自動整（調）平系統，但關于針對測量儀器實現大傾斜環境下自動整平方面的文獻少有報道。本文在介紹現有全站儀自動補償功能的基礎上，討論自動整平基座在地下工程測量中的應用。

1 全站儀的自動補償功能

現有的具有自動目標識別與照準功能的全站儀，有的具有雙軸自動補償功能，也有的具有三軸自動補償功能。

所謂的單軸補償是指補償前后方向的誤差；雙軸補償是指補償前后方向及左右方向的誤差；三軸補償是指除補償以上兩種誤差外，自動補償水平軸與視準軸的誤差。使用三軸補償可以補償由于儀器豎軸前后方向的傾斜及左右方向傾斜所引起的誤差，同時也可補償視準軸傾斜所引起的誤差。自動補償的實質是對豎角和水平角讀數的補償和修正。

以徠卡系列全站儀為例，其補償器的補償精度和設置精度如表1所示。

表1 徠卡系列全站儀補償器的補償范圍和設置精度

我國GGJ 100—94國家計量檢定規程對電子經緯儀檢定中要求：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級全站儀及電子經緯儀，傾斜補償器的補償范圍為3′，補償準確度≤3″。由表1可知，徠卡雙軸補償是在保證儀器水平誤差在±4′之內的補償，所以在使用雙軸或三軸補償之前，一定要先將儀器管水準氣泡調在中間，在傾斜沒有超出±4′范圍內，補償才有效。也就是說，即使采用徠卡儀器，單靠儀器本身自動補償的范圍是十分有限的（4′）。因此，要真正實現動態測量下更大傾斜范圍內的自動整平則必須引入專用自動整平設備。

2 自動整平基座整平原理及其與測量儀器的協同工作

2.1 自動整平基座整平原理

電子自動整平基座一般由傳感器、電子線路和執行機構等組成。它采用傾斜傳感器，測量儀器基座的傾斜大小和傾斜方向，利用伺服電機對激光器準直系統的輸出方向進行實時修正。電子自動安平的安平范圍可大至10.8°～16.2°，并且具有較高的穩定性和補償精度。

電子自動整平的全部功能由單片機控制實現。其外部設備有：鍵盤（包括開關按鍵和指示燈），2個傾角傳感器，2個步進電機。傾角傳感器和步進電機協同實現儀器的自動整平。當開關命令輸入單片機，單片機則根據輸入的命令，開始執行相應的工作，并點亮相應的指示燈。電子自動整平的整平過程是：傾角傳感器測量某軸線方向的傾角并發出傾角信號給單片機，單片機接到傾角信號后判斷儀器是否水平，若計算出儀器未整平時，則驅動2個步進電機根據信號從x、y兩個方向對基座進行調整；這個過程反復進行，直到單片機通過采集的信號判斷儀器已經調平為止。圖1為AD－12自動整平基座的外觀和尺寸。

圖1 自動整平基座的外觀和尺寸

2.2 參數設置與精度控制

設步進電機傳動比為n，力臂為L（mm）；傳動桿的螺距為d（mm）；步進電機步距角為δ（°），最小步進量為ΔL（mm）；整平基座的整平精度為σ（°）。由于σ特別小，可以建立等式：

根據式（1）可以任意配置參數，在整平精度和其余參數之間任意設置參數組合。

例如：設n＝20，L＝100mm，d＝0.5mm，δ＝3°，由式（1）可得

σ＝tan－1｛［（d／（360n／δ）］／L｝＝0.43″

即實現σ＝0.43″的整平精度。

在式（1）中，設σ＝32.4″，選用n＝22、d＝0.5 mm、δ＝3°，則可以求出L的合理值為64.84mm。

同理，也可以根據工作和生產需要，結合制造工藝通過改變其他參數設置，找到自動安平基座的精度和尺寸及其余參數的匹配。

2.3 自動整平基座與測量儀器的協同工作

由于電子自動整平基座的整平范圍較大，但精度有限，而測量儀器本身的電子補償精度很高，范圍有限，所以，在動態實時監測或者在儀器受環境影響較大的環境中儀器還需要借助自動整平基座協同完成精密整平工作。自動整平基座與測量儀器的配合與協同工作如圖2所示，從設計角度［6］應該考慮以下幾個重要因素：

1）自動整平基座能夠承載大多數的測量儀器；一般測量儀器質量都在幾kg到10kg內，因此，自動整平基座最大的承載能力要達到10kg。

2）由于自動全站儀的自動補償范圍有限，過大的傾斜不能穩定輸出合格成果，要求自動整平基座的整平的范圍要足夠大。自動整平基座整平范圍達到10.8°～16.2°，即可滿足大范圍自動整平的需要。

3）由于自動全站儀的補償精度很高，自動整平基座精度則沒有必要很高。由表1可知，自動全站儀的電子傾斜補償器的補償范圍為3′～4′，在這個范圍內可以達到0.3″～1.5″的補償精度。因此，自動整平基座的整平精度控制在自動全站儀的補償范圍內，兩者協同工作即可達到0.3″～1.5″的補償精度。也就是說，自動全站儀完全可以對自動安平基座整平精度的不足進行補償，自動全站儀與安平基座協同工作滿足了高精度自動整平的需要，故自動安平基座只需要±0.5′或者更低的精度，這為制造帶來了方便。

4）為滿足在塵土、震動、潮濕、電磁場等現場作業環境條件下長時間不間斷地連續工作的需要，自動整平基座的主要構件要求被封裝密閉，具備良好的防水、防塵與穩定性。

5）根據自動整平基座整平范圍大的特點，在安置儀器時無需進行嚴格的調整。當基座或初始未置平或受外界擾動的影響或經過緩慢的移動之后，均能按照其自身精度快速實現自動整平，大大簡化了操作，提高了效率；配合全站儀補償器的精密補償，能達到良好的整平效果，特別適用于需要動態自動測量的場合。

圖2 自動整平基座的應用實景圖

3 應用實例

某引水隧道直徑為3 800mm，長1 700m，線路為連續變坡，東線坡度從－16‰每隔35m增加1‰，直到坡度為－1‰，首尾高差為19.70m；西線坡度從－13‰每隔20m增加1‰，到直接入水平段，首尾高差為15.30m。

由于是曲線隧道，而且要鋪設無縫管線，技術要求比較高。與以往普通線路相比，在施工工藝、方法和質量控制等方面有較大的不同［7］。綜合考慮環境的影響，依靠傳統技術采用導線法完成隧道測量的工作量大、效率低下，為保證工程施工質量和工程的順利貫通，必須采用自動導向的技術來進行曲線隧道施工的定向和導航，采用了隧道自動導向測量方法來指導施工。鑒于本隧道采用頂管法施工，每次測量前管道都處于移動狀態，要進行自動導向測量則需要各站點儀器能自動整平而不受施工管道移動的影響。

隧道自動導向測量方法［8－9］如圖3所示，其中T1、PL、PR為已知點，T2、T3為過渡的導線點，P1、P2為導線支點，P0為頂管機的機頭中心位置。

圖3 隧道施工自動測量方法

1）采用自動導向測量方法時在T1、T2、T3各點架設馬達驅動型全站儀和棱鏡，每臺全站儀都通過電纜連接計算機。

2）各站點上的全站儀在計算機的指揮下相互配合，按預先設置的導線測量程序，自動有序地測量導線各點處的水平角、垂直角及導線各邊的邊長，并及時把角度和邊長等實測數據自動傳送給計算機。計算機負責數據處理。在特殊場合下在頂管機的機頭中心位置P0無法安置全站儀反射棱鏡，P0坐標則由P1、P2點歸算而得出。

3）計算機的計算結果會自動與設計軸線對比，并實時在計算機屏幕上顯示機頭中心P0相對于設計軸線上的上下偏差、左右偏差的軌跡圖形和具體數值，同時還顯示出測量瞬間的里程和時間。該系統只需人工操作全站儀進行測量學習一次，剩余測量過程均在計算機CPU的控制下自動運行，全程不需人工干預，單次測量不超過5min的時間。

根據以上測量方法可以得出，按照3站導線測量的方式構成的自動導向測量系統的標準配置：首先需要配置1臺計算機，計算機是系統的控制中心，它控制全站儀的測量過程并進行數據的收集和處理；每1個導線點上需安置1臺電機驅動型自動全站儀，共需要配置3臺電機驅動型全站儀；全站儀要實現自動整平，所以還至少需要2臺自動整平基座；還需要在后視點、機頭點及各導線點上的安置棱鏡，導線點上棱鏡必須固定于全站儀的手柄上；為保持使棱鏡中心和全站儀的旋轉中心位于同一垂線上，還需要棱鏡接合器3套；為了實現系統通信，計算機及全站儀可以通過屏蔽線有線方式或者無線方式實現指令及數據傳輸；而自動隧道系統的軟件則利用全站儀的坐標測量功能實時測定和控制隧道方向，利用全站儀三角高程測量功能實時測定和控制管道標高，配合系統硬件獲取實時測量數據，繪制機頭偏差軌跡，實時在顯示屏上顯示當前里程與機頭中心位置。其中，自動整平基座安置如圖2所示。

4 結語

實際應用表明，隧道測量自動導向系統以自動整平基座為基礎，以智能全站儀為平臺，配合自動測量與導向軟件，在計算機控制下解決了超長曲線隧道的自動測量問題；自動整平基座的使用保障了全站儀能在動態測量可能出現大傾斜環境下的自動整平，提高了整個系統的動態可靠性和穩定性，為隧道工程順利頂進和貫通提供了令人滿意的結果。隨著施工自動化和信息化技術的發展，其在工程自動測量和動態監測領域的應用有望日益廣泛。

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