隧道掌子面开挖线智能定位测量技术

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隧道掌子面开挖线智能定位测量技术

关键词：隧道掌子面 智能定位 测量

一、创新背景
       1.1基本情况
       黔张常铁路中铁四局一公司管段全长25.8KM，其中隧道里程为19.5KM,占总长度的76%，隧道施工进度是制约全线工期的关键因素。隧道每一循环进尺的炮眼测量放样所占用的时间约2h，每天按1.5个循环进尺计算，每天炮眼测量放线所占用的总时间约为3h，极大的占用隧道施工的循环时间。在集团公司大力推行建筑施工“四化”的前提下，如何提高测量作业效率、压缩隧道的测量放样时间是提高隧道施工效率的重要举措之一。
       1.2 创新目的
       为克服现有方法的不足，提高测量作业效率、降低测量放样占用隧道掌子面时间，缩短隧道单循环进尺的施工周期，从而提高隧道施工设备的使用效益，提高隧道施工效率。
二、核心技术
        2.1创新点
        2.1.1研发了《隧道断面快速放样测设系统V1.00》软件，将平面测量坐标系统转换成隧道开挖断面的立面坐标系统，提高了隧道开挖断面测量精度。
        2.1.2开发了一种隧道掌子面开挖线智能定位测量方法，通过采用ATR自动目标识别技术，建立了移动设备数据处理终端与全站仪的双向通信协议，实现了从全站仪建站、数据采集、判断到智能测量放样的全过程自动化，减少了测量人员，提高了隧道断面测量放样的效率，降低了成本。
        2.2 工艺流程
        首先在隧道掌子面附近架设全站仪，连接移动设备数据处理终端，设置好通信参数，开展建站作业；在建站精度满足放样要求后，打开隧道掌子面开挖线智能定位测量系统软件，新建工程文件，检查并确认提前输入的平、竖曲线要素和隧道断面等参数无误后，开始测量放样流程。该软件首先能智能化判断掌子面所处的断面里程并取整，自动调取该里程区段的设计断面参数，并以人机对话的方式呈现给操作者，确认后，设置待放样点的间距，开展测量放样作业，软件会驱动全站仪自动激光指向到待放样点的位置，技术人员作出标识后，自动跳转下一点的放样，从而完成该掌子面的测量放样作业。
隧道掌子面开挖线智能定位测量系统的操作工序流程见图1。
        2.3操作要点
        2.3.1 全站仪建站
        ①建站作业前按要求进行仪器检校，仪器或反光镜的对中误差不应大于 2mm；同时在作业过程中架站都要对全站仪光学对点器进行检查，确保其状态正常；
        ②仪器对中整平过程中，气泡中心位置偏离整置中心不宜超过 1 格。当放样过程中现场遇到扰动，必须重新整置气泡位置；
        ③测量放样前要进行气象和仪器常数改正，温度应读至0.2℃、气压应读至 0.5hPa；
        ④利用智能全站仪ATR自动目标识别系统所具备的搜索目标、精确照准和自动观测的三个特点，由于其望远镜不需要人工聚焦或精确照准目标，测量的速度将会得到非常明显的增加，其精度不依赖于观测员的水平，所以能够快速的、高效地完成建站。

图1 隧道掌子面开挖线智能定位测量系统的工序流程图

图2 全站仪建站示意图

图3徕卡智能全站仪

图4工程手持计算机

       2.3.2 移动终端连接和通信参数设置
       完成掌子面开挖线坐标的获取、全站仪的建站工作后，全站仪可通过串口与移动智能设备实现数据通信，通过向全站仪发送其所支持的仪器指令，实时地控制全站仪，利用全站仪回传来的数据，可以在移动智能设备上得到目标的实时观测信息。

图5智能全站仪自动建站及ATR系统自动识别目标

图6 工业电脑与全站仪连接通信示意图

       在移动智能设备通信程序的控制下，全站仪将固定格式的字符串通过串口传输给移动智能设备，再根据全站仪的数据存储结构从字符串中提取出角度、距离、坐标等信息。然而数据通信传输的基础是全站仪与PDA串行数据通信的实现，如下为移动终端与全站仪的数据通信的具体步骤：
       智能全站仪带有一个五针的串行接口，移动智能设备具有一个九针的通信线，利用一根九针与五针的转接线，将其与移动智能设备通过RS232串行通信接口直接连接。
       用通信接口电缆将移动智能设备与全站仪的连接好之后，串行数据的通信：首先，打开移动终端的串行通信端口，如COM1；接着配置移动智终端串行通信的相关参数；然后再往全站仪串口发送机器指令并同时从移动终端串口中读取数据信息，实现移动终端与全站仪之间的信息交换；在与智能全站仪通信接收和发送数据时，采用CR/LF（回车/换行）作为传送字符结束的标识符，终止符意味着传送数据、指令、信息的结束。具体体现在如下三个步骤：
       ①打开移动智能设备串行端口
在移动智能设备中打开其串口，一般为COM1，需操作人员手动设置。
       ②配置移动智能设备串口通信参数配置移动智能设备串口通信参数主要包括波特率、停止位、数据位、校验位等几个参数的设置。需操作人员手动设置。

图7 移动终端通信设置

       ③控制全站仪并读取观测值
在成功打开并设置通信端口后，由移动智能设备向全站仪发送控制指令，以CR/LF 符标识发送指令的结束，全站仪接收到指令检核无误，便执行相应的操作，将操作的结果返回到移动智能设备的串口缓冲区里，同时激发串口通信事件，程序检测到相应事件后，便通过调ReadFile()函数读取缓冲区中的数据到字符串变量中，最后按照智能全站仪的数据存储结构从字符串中提取角度、距离等信息。
       2.3.3 移动终端软件设置

图8自主研发智能放样系统软件

       通信参数设置完成即配对成功后，打开隧道掌子面开挖线智能定位测量系统软件界面，如下是软件的具体操作步骤：

图9工程界面配置界面

       ①工程管理
       a）新建工程——新建一个新的工程，在新建工程时需要输入工程名称，保存该工程的路径，观测时间，工程代号，建设单位，施工单位，测量单位，监理单位和备注等信息。
b）设置工程属性——可以显示、修改当前工程的基本信息等。
       ②工程配置
        a）配置点击“工程配置”菜单中的“配置”选项即可打开工程配置的界面。通过“工程配置”可以将当前的设计文件、测量文件、控制点文件等信息加以确定，当全部配置完成后，点击“保存设置”。
       ③设计数据
       通过后处理软件的设计数据功能可以实现隧道断面数据的设计工作。
       a）隧道断面设计根据里程划分，输入隧道几种不同尺寸的隧道断面图。
       b）平曲线要素的输入
       c）纵断面参数设计
       d）控制点输入
       ④放样点计算
       a）放样点计算
       选择掌子面里程，设置放样点间距，计算炮眼的坐标信息，生成坐标数据文件。
       2.3.4 驱动全站仪放样
       放样点坐标获取成功后，选择“放样点号”，然后再点击“转动”按钮，仪器即转到对应的放样点所在的方向，打开全站仪激光，更清楚看到放样点所在的位置，点击“测量”按钮，可以得出测量坐标与计算所得的XYZ坐标的差值，直到满足放样精度要求为止。该点放样完毕，技术人员即可喷点做标识，接着放样下一个待放样点，全部完成后留存资料归档。

图10移动智能设备通信程序控制智能全站仪放样

图11技术人员喷点做标识

三、应用效果
       该新方法在长茂山隧道应用过程中极大地缩短了开挖线定位测量的时间，为该隧道后续线上工程赢得了时间，为以后类似工程建设赢得了宝贵的经验，经统计，采用新方法后平均单次隧道掌子面开挖线测量定位所用时间较传统方法节省3.07小时。

图12新方法效果对比柱状图

       从上述传统放样方法和新方法的时间统计表可以看出，使用隧道新方法可以很好的节约测量技术人员的工作时间，为隧道施工留出了宝贵的时间，为加快隧道施工进度提供了有力保障，也进一步的解放了测量放线人员的双手。
       本技术缩短了黔张常隧道开挖的时间，为黔张常后续线上工程赢得了时间，为以后类似工程建设赢得了宝贵的经验，同时节省了人力、减少了测量占用开挖循环的时间，经计算，采用本系统，大大节约了人工、机械等费用的支出。
       结合传统放样方法和智能定位测量掌子面放样方法的时间统计表，进行时间统计并进行对比，具体见如下表：

表1传统与智能定位放样方法时间对比表

       以长茂山隧道计划工期25个月计算，共节约隧道施工工期: 25月×3.49% =0.87月。
       预计仅大型机械设备即可节约费用约：18.36万元。节省了机械费用和人员费用，以及施工用的材料费用，取得了很好的经济效益。

四、完成单位人员及联系方式
       完成单位：中铁四局集团第一工程有限公司
       完 成 人: 张杰胜、郭立军、徐精干、丁圣文、苏玉宝
       联 系 人：张杰胜
       联系方式: 13955122536(手机)、70413166 (QQ)

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