SLS—T與UNS—GNS測量系統應用比對

航云2標電力隧道監理部

摘要：近年來廣州新城區如雨后春筍般地拔地而起，白云新城當然也乘著這一春風嶄露頭角，而新城區的出現必然引起新一輪對配套設施的需求。電力作為現代人類生存必不可少的資源，新城區如果仍采用如風景破壞者般的高架電纜未免“貽笑大方”，而電力隧道在解決風景問題的同時，能夠更好地節約土地資源，這將成為未來電力輸送最主要的方式。在以盾構法施工的電力隧道中測量系統作為前行的眼睛，比對現今最主要的兩套測量系統SLS-T與UNS-GNS在應用中的區別顯得尤為重要，筆者將結合曾經參與的兩個項目部作為材料，對比分析出兩套測量系統在電力隧道施工中優劣。

關鍵詞：盾構；SLS-T；UNS-GNS；測量系統；比對

1 工程概況

1.1 220千伏航云輸變電電力隧道工程（第二標段）

220千伏航云輸變電電力隧道工程（第二標段）全線里程為BDK0+000～BDK3+386.282，新建永久及臨時工作井4個，北1#～北5#工作井之間為盾構法區間隧道，北1#～4#工作井為明挖結構。其中北4#工作井為盾構雙向始發井，首先由北4#井向南掘進，至北1#工作井吊出；轉運盾構機至北4#工作井，向西掘進，至北5#工作井吊出。工程中采用SLS-T測量系統作為盾構的導向系統，隧道設計線路中轉彎半徑主要為R=250、R=600，同時北4#～5#井區間始發經過8.8米直線段后直接進入R=250的左轉彎，對于測量控制來說無疑是一個莫大的挑戰。

1.2 220千伏犀牛站電纜隧道工程

220千伏犀牛站電纜隧道工程采用隧道外徑Ф4100盾構施工，北起犀牛變電站，沿沙太路地下向南，進入沙太南路和興華路交界附近的8#工作井后，穿越天平貨運配載交易市場地下，到達麒麟變電站，總長約為3.856千米，采用明挖、盾構施工工藝進行施工。本工程各過井及明挖段采用明挖法施工，區間隧道采用盾構法施工，其中DK3+049.130至DK3+236.692段（120m小半徑轉彎段，穿過8號工作井），共187.562延米采用800mm小管片，其余區段全部采用1000mm管片。工程中采用UNS-GNS測量系統作為盾構的導向系統，隧道設計線路中轉彎半徑主要為R=160、R=200、R=300等，轉彎普遍有半徑小、變化急的特點。

2 測量系統簡介

2.1 SLS-T測量系統

SLS-T測量系統是由德國的“VMT”公司開發研制的一套非常先進，并且功能強大的TBM自動定位測量導向系統。確定盾構機的位置是由三維坐標（即：X、Y、Z）來控制的。在盾構機掘進過程中，通過操作駕駛室內VMT的PC機，使SLS-T系統進入掘進狀態，這時激光全站儀開始進入工作狀態，它發出的激光束穿過臺車及盾構機內一段無障礙物的測量通道，直射到裝于盾構機尾盾的電子激光系統（ELS）及測距棱鏡上，ELS就能根據激光束射入面板的角度計算出水平角、仰角，TBM的滾動和傾斜通過安裝在ELS上的測斜儀直接測定，同時全站儀照準測距棱鏡，得到ELS靶與全站儀之間的距離，從而得到TBM的準確里程，這些數據每兩分鐘（此時間的長短可由TBM的掘進狀態來調整）向VMT的電腦上傳送兩次，這時電腦上顯示出盾構機在當時的掘進姿態和里程。盾構機司機可以根據電腦所顯示的信息做出調整。激光全站儀安放在管環左上方的支架上，通過激光站的前移（前移距離具體根據線路的情況決定）持續指引盾構機的前進。

SLS-T 測量系統在現場應用證明是一個組合了各種必備功能的優秀系統。它不需要再另外精心的鋪設電纜及增加其它組件。任何一個經過培訓的技術人員均可以很快地掌握該系統的配置，現在測量員的工作可以集中在主要控制測量方面。本次對比工程中的SLS-T測量系統中全站儀采用徠卡TS15，測量精度為±2〞。

2.1.1 SLS-T測量系統構成

SLS-T測量系統主要由全站儀、ALTU激光靶、通信單元、外置雙軸傾斜儀及控制電腦等構成。

2.2 UNS-GNS測量系統

近年來，國內外研制的陀螺經緯儀精度不斷提高的同時也在向自動化、智能化的方向發展，而UNS-GNS測量系統就是這樣一款應運而生的測量系統，它首先由人工測量測出盾構機姿態，并將盾構機軸線方位與線路軸線方位的相對關系輸入到計算機上，作為自動導向系統電子陀螺儀的初始方位參數。由盾構機制造商安裝的傳感器分別測量推進千斤頂和中折千斤頂左、右、頂、底四個位置的伸長量，以此得到盾構機推進的里程，并將結果傳到控制室內的計算機中。初始方位確定以后，固定在盾構機上的電子陀螺儀就可以以初始方位參數為基準測出盾構機推進至任一里程的方位，加上千斤頂行程所提供的里程，就可以確定盾構機的平面位置與姿態。然后通過連接充滿水的傳感器測出盾構機的高程。以上數據隨推進千斤頂和中折千斤頂的伸長值及盾尾與管片的凈空值一起，經由控制電纜輸入到盾構機的編程控制器中，再經計算機中專用掘進軟件的計算和整理，盾構機的位置就以數據和圖表的形式顯示在控制室內的屏幕上。

通過對盾構機當前位置和設計位置的綜合比較，盾構機操作手就可以采取相應的操作方法盡快且平緩地逼近設計線路。如此往復，操作手就可以在每環的掘進中很好地控制住盾構機的掘進方向，使之與設計線路的偏差保持在較小的允許范圍內。本次對比工程中的UNS-GNS測量系統中陀螺儀采用海瑞克提供的MWDⅡ，測量精度為±1.7mrad≈±6〞，需要注意的是陀螺儀不能使用于兩極和⊿≥75°的高緯度地區。

2.2.1 UNS-GNS測量系統構成

UNS-GNS測量系統主要由陀螺儀、長度編碼器（測輪）、HWL高度傳感器、液體靜力水準儀及控制電腦等構成。

3 SLS-T與UNS-GNS測量系統的比對

3.1 SLS-T測量系統的應用

過去計算隧道設計線路中線數據都需要通過第三方軟件才能更好地計算出來，而現在通過VMT自帶系統輸入設計線路上的水平、垂直元素，就能準確地計算出水平及豎向關鍵點，同時通過VMT系統計算關鍵點更能消除普通計算過程中因小數點后四位所產生的累積誤差。

SLS-T測量系統在施工現場的安裝情況，ALTU激光靶主要安裝在盾尾靠近管片拼裝機的固定點上，這么做能夠更好地反映出盾構掘進每一環后拼裝時的管片姿態近乎等于掘進結束后的盾尾姿態，而全站儀、后視靶的吊籃可以設計成直接安裝在管片螺栓上，不需要電鉆打眼安裝，避免形成新的滲水點。每次搬站時ALTU激光靶無需任何移動，只需把全站儀吊籃安裝2號臺車附近，而后視靶安裝在8號臺車尾部。

SLS-T測量系統操作通過安裝在中控室的觸屏電腦，選擇可視化系統上的對應選項便能迅速地完成相應的操作。在VMT系統中可以直接查看推進油缸行程、當前隧道軸線半徑、坡度及當前、下一個設計軸線元素，較為形象能讓中控手更快捷地修正當前掘進姿態。

3.2 UNS-GNS測量系統的應用

UNS-GNS測量系統中隧道設計線路中線只能夠通過第三方軟件計算，如excel列出公式計算同樣可以計算出設計軸線中每一米的X、Y、H坐標，但計算的過程中可能會產生難以消除因小數點后四位所產生的累積誤差，計算出的結果經過復核后便可導入測量系統內，作為指導掘進施工的依據。

UNS-GNS測量系統在施工現場中的安裝情況，在始發井中選擇一個相對不受外界環境影響的地方安裝HWL基準傳感器、HWL補償水箱、液體流體靜力水準儀及長度編碼器，而井下盾構設備上將安裝陀螺儀和HWL高度傳感器。基準傳感器與高度傳感器硬件其實是相同的，其區別在于其CAN-BUS地址不一樣，它們之間通過HWL連續軟管連接至補償水箱及靜力水準儀，通過靜力水準儀測算出盾構高程。長度編碼器設置在始發井內的管子上，其用于測量已插入管件的當前長度，即隧道里程測量。而陀螺儀作為核心部件，與SLS-T測量系統一樣安裝在盾尾靠近管片拼裝機的地方，通過測定真北方向的作用，測算出方位角。

UNS-GNS測量系統操作同樣通過安裝在中控室的觸屏電腦，選擇可視化系統上的對應選項完成相應的操作。但相對SLS-T測量系統的操作界面更簡單，較數據化，不夠形象。UNS-GNS測量系統優點在于長距離方向控制和快速運動物體，缺點是僅對方向控制提供參考、精度偏低、需定時歸零、操作較繁復、不給定三坐標量（X、Y、H），對推進只起到有限的參考作用。

3.3 盾構姿態方面

3.3.1 直線段姿態對比

通過對220千伏航云輸變電電力隧道（第二標段）中BDK1+200～BDK1+300與220千伏犀牛站電纜隧道工程中DK0+219～DK0+319的100m直線段盾構姿態進行對比。

從以上兩表比對分析，航云2標隧道171環剛從轉彎半徑R=600m右轉彎段轉出進入直線段，SLS-T測量系統人工復測盾構水平姿態偏差為4mm，而犀牛隧道163環同樣剛從轉彎半徑R=160m的左轉彎轉出進入直線段，UNS-GNS測量系統人工復測水平姿態出現71mm的偏差，而當兩隧道完全進入直線段后，SLS-T測量系統與UNS-GNS測量系統水平、垂直偏差均基本維持在20mm以下。據此可以判斷，SLS-T測量系統在剛轉出轉彎段時精度較UNS-GNS測量系統高，而當進入直線段后，兩測量系統在水平、垂直姿態精度方面差別不大，與陀螺儀在長距離方向控制優點上相吻合。

3.3.2 轉彎段姿態對比

通過對220千伏航云輸變電電力隧道（第二標段）中BDK1+300～BDK1+420轉彎半徑R=600m右轉彎與220千伏犀牛站電纜隧道工程中DK0+430～DK0+480轉彎半徑R=200m左轉彎盾構姿態進行對比。

從以上兩表比對分析，航云2標隧道BDK1+300～BDK1+420為轉彎半徑R=600m右轉彎，在轉彎過程中SLS-T測量系統顯示的盾構水平、垂直姿態偏差基本維持在20mm以下，控制精度較高，但在短短的120m轉彎段內搬站次數達到10次，平均每12m搬站一次，每次搬站耗時在1個小時左右，增加了轉站過程中的累積誤差，局限了盾構掘進速度的提高，相對來說工作效益不會太明顯。同時受限于全站儀測量激光只能通過直線轉播因素，在電力隧道普遍直徑為4.3m的情況，必須對臺車、風管進行改造，讓測量光路形成通視；但當盾構掘進至轉彎段時由于轉彎趨勢的影響，管片必然形成弧度而遮擋了測量激光，這時就必須采取搬站的措施重新形成通視，轉彎半徑越小，需要重新搬站的次數就越多；而且當盾構掘進速度較快的時候，由于搬站頻率過高，有時候會出現搬站跟不上掘進，造成一段時間的盲推，這也造成了航云2標在轉彎段里程的偏差。

犀牛隧道DK0+430～DK0+480為轉彎半徑R=200m左轉彎，在轉彎過程中UNS-GNS測量系統在378環出現了-57mm的偏差，在401環轉彎變化最大的DK0+458.490出現了-108mm的偏差，極不利于對盾構掘進姿態的控制，但當加強對陀螺儀系統的人工復測工作后，測量系統偏差可以維持在±10mm以內，可以滿足掘進控制的要求，同時由于UNS-GNS系統對里程的測算方式不同于SLS-T系統，所以里程上的偏差基本為零。

4 小結

綜上所述，SLS-T測量系統具有測量精度高，操作簡單，計算便捷的特點，但是卻受限于空間中通視情況。而UNS-GNS測量系統則具有直線段精度高，而轉彎段精度稍差的特點，但是由于陀螺儀與全站儀測量原理的不同，減少了轉站過程中的累積誤差，當隧道里程越長的時候，相比全站儀卻有著更好的測量成果。對于如地鐵等對轉彎半徑及盾構掘進姿態控制精度要求較高，且開挖面較大的隧道，適合使用SLS-T測量系統，理由是SLS-T測量系統對盾構姿態無論在直線段、轉彎段的控制精度較高，且地鐵等開挖面較大的隧道也能更好讓全站儀有更好的測量環境和空間。而如電力隧道等對轉彎半徑及盾構掘進姿態控制精度要求較低，且開挖面較小、轉彎較多的隧道來說，更適合采用UNS-GNS測量系統。但是在施工過程中，同樣建議承包商在使用陀螺儀測量系統的時候，采用朝北精度達到±1.7mrad以上的陀螺儀，以達到更好的控制效果。

參考文獻：

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