長距離與曲線導向.doc

在隧道掘進機的精確導向問題上有幾個因素是類似工程所共有的。這些因素包括：客戶要求的校準精度；開工前決定挖掘工作面的測量精度；工程開始、建設中、完工以及蠕動測量；設備操作員所使用的臨時參照系統(tǒng)；用以設備操作員能夠精確定位的參數(shù)表示等。雖然任何的隧道都不可能與設計隧道軸線(DTA)完全一致，我們的目標是盡可能地位偏移量控制在絕對的最小偏移量之內。盡管在建設中這些因素都是導向系統(tǒng)之外的事，隧道掘進機的蠕動測量還是由許多因素，包括：進行必要的測量所需要的空間；成功完成測量所需要的時間；所需有資格測量人員的來源和經(jīng)費；掘進機的掘進進度。過去，臨時工作參照系的測量有簡單的方法(如用三根線代表直線的方法)和復雜的方法(如用陀螺和慣性系統(tǒng)的方法)?？墒牵谶^去30年里激光一直是最普通最可靠的方法，而且在全球廣泛使用。激光基準點最初是安裝在起始工作坑，后來移到隧道上相對穩(wěn)定的壁或襯板上。它的位置由測量人員決定。激光器發(fā)出的可見光束提供主要的參考。光束典型的發(fā)射距離是100-200m，由激光器的功率、隧道條件以及光束所經(jīng)受的折射量決定。激光束的投射通過機器中開口(激光窗)以及其他輔助設備到裝在掘進機前部的目標靶上。從激光器到目標靶的有效距離取決于激光窗的大小和隧道的彎曲率。在長距離頂進的條件下，相應的位置已經(jīng)確定，可是激光并不能到達目標靶上。這時應該把激光前移到一個新位置上。1VMT在所有VMT導向系統(tǒng)里，激光是從一個由Leica公司制造的VMT激光經(jīng)緯儀上發(fā)射出來的，經(jīng)緯儀負責測定光束的方位角和標高。當激光打中ELS目標靶時，精確的光束的中心相對目標靶中心就決定了。同樣激光打中ESL靶的水平角也就決定了。安裝在ELS靶上是一個雙軸傾斜傳感器，負責監(jiān)視ELS靶的傾斜和起伏狀況。ELS的前端是一個后向反射的棱鏡。從激光參考點位置到ELS靶的距離由傾斜儀中的DEM測量。利用這些信息就可以測出ELS相對于激光參考點及其重心的相對位置和方位。(在開機前機器上的ELS目標靶的位置已經(jīng)測量過。因此，挖掘設備相對于激光參考點的位置和方位也就知道了。這些信息與驅動部分的校淮精度一起就能簡單地告訴設備操作員設備現(xiàn)有的位置和設備應該所處的位置。之后，這些信息將用來操縱設備使之準確地實現(xiàn)相應的校準水平。頂管時，為設備操作員所提供的導向信息有著本質的不同。因為設備已經(jīng)行進到某個位置時，激光束無法從起始工作坑激活ELS目標靶。這時，激光參照點必須固定在移動管內。一旦激光參考點不再一個固定的位置上，這個因素還必須考慮在內。應該做下列假設和記錄附加的信息。對頂管基本假設是管子將緊跟著設備掘進所形成的孔。這種假設不一定總是有效，有時還必須作相應的計算和調整。設備的位置將通過驅動部分在一定的時間間隔上作了紀錄。當要在某一根移動管子上安裝激光參考點時，從記錄上我們就可以知道管子的中心位置，即掘進機的位置具有相同的鏈距或驅動距離。然而，管子的方位將可以肯定完全不同于掘進機的方位。如果激光參考點的位置不是在管子的正中管子一回轉將導致激光參考點的位置變化。管子的轉動將由傾斜計測量，由此便可以計算出激光參考點的更正值。為了保證激光的方位在一個恒定的標高，因此，排除管子偏離計算值所造成的影響，特激光經(jīng)緯儀安裝在一個自矯正的平臺上，這將克服管子回轉和傾斜導致的任何運動，保證經(jīng)緯儀維持在補償器設定的范圍。激光參考點的方位角將根據(jù)后視目標靶來決定。當后視目標靶安裝在一個固定位置上時，計算方位角就是一目了然的事了。然而，一旦需要在移動的管子上安裝后視目標靶時，就必須依靠在給定鏈測距離內掘進機位置的記錄值來確定安裝后視目標靶的管子在給定鏈值上的位置。同樣也必須通過傾斜儀來監(jiān)視管子的旋轉以便計算出后視目標靶的旋轉矯正值。利用這些值來精確確定激光參考系的位置和方位，同樣就可以給操作員指出掘進機在給定的校準精度下的相對位置。實際上，精度的實現(xiàn)取決與下列假設和外界因素，如管子加工的不規(guī)則性，挖掘過度或曲率半徑過小的彎曲矯正并不能足以達到驅動器所容許的公差。因此，有必要定時地控制測量，用測量值代替設備的紀錄值。這類控制測量的間隙應該不大于每一百米一次。同樣也曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)管子的動態(tài)行為大不一樣，如因為地層條件的變化或掘進機工作時液壓系統(tǒng)壓力的變化，它的值與靜態(tài)控制測量時的值由相當大的區(qū)別。因此，有必要更新控制測量之間管子行程的紀錄值?？梢苿邮郊す饨?jīng)緯儀的出現(xiàn)使得在控制測量的間隙內進行更經(jīng)常的自動測量循環(huán)。這種測量循環(huán)不僅能給出激光的更新位置和方位，而且還能給出管子超前于激光一段距離的位置和方位。將這段作為參考管子的位置紀錄并儲存起來作為參考線的一部分，系統(tǒng)將把它當作管線位置的工作紀錄。使用者還可以對這段參考線進行修正(使之平滑)，即把精確測量時產生的非正常因素考慮進去，使之成為驅動導向的實際參考線。VMTSLS-RV系統(tǒng)不僅能提供一種在某個時間里測定全斷面隧道掘進機(TBM)準確位置的方法，特別別是在行進過程中；而且它還能給操作人員提供一個清晰、準確，便于對這些結果進行必要更正的方法。整個系統(tǒng)安裝在隧道的前部，在那里折射往往不會導致太大的問題。這樣除了節(jié)省大量的時間之外，使用DTA還能隧道掘進平滑一致地進行。與其它復雜的系統(tǒng)一樣，只要維護得好它就能很好地運行下去。因此，用戶有責任是系統(tǒng)的各個部件處于良好的工作狀態(tài)。這包括但不只限于下列因素，例如給系統(tǒng)提供一個好的動力系統(tǒng)，保持目標靶屏、棱鏡和經(jīng)緯儀的清潔，防止電纜損壞等。（跳轉至卷首）2說明TBM掘進隧道能給后繼的管子一個相對比較精確的位置和標高。這就意味著在某個特定的隧道車站里IBM的測量位置相對于后繼的管子并沒有多大的變化，所有后繼管子的位置和標高將由TBM挖掘的隧道決定。SLS-RV系統(tǒng)安裝在管線的前部，包括下列儀器：一套處于激活狀態(tài)的電子激光系統(tǒng)(ELS)，安裝在1BM上作為目標靶；用于測量電子波長的棱鏡，直接安裝在ELS目標靶的下方；在ELS后方30-60m(取決于隧道中線的曲率)安裝在支架上的激光站和帶瞄準器的leiccaTCA1100司服總站?？傉具€包括安裝在視線軸心的平行線上的一個集成二極管激光系統(tǒng)。經(jīng)緯儀還安裝有傳感器(ATR1)，使之能自動對準棱鏡。在激光總站的后方大約相等的距離上安裝有一個棱鏡作為后視目標靶。兩個前方棱鏡，也稱作參考目標靶，安裝在參照管上約在激光總站前方2m。其目的是使測量掘進中隧道的位置能夠更直接超前于激光站的位置，以便決定在同一站點里TBM的理論位置與管子的實際測量位置的變化。一個自動的三角苔用來消除激光站的翻轉。這使得激光經(jīng)緯儀永遠保持在一個水平位置。稍有一點因為翻轉引起的徑向傾斜都會被安裝在激光站上的傾斜計監(jiān)測到并引入計算中。激光束不斷地擊向處于活躍狀態(tài)的目標靶的表面，這可以連續(xù)監(jiān)測TBM的位置，即使在施工過程中。在一個預設的時間或距離內，系統(tǒng)將自動引導指向后視目標靶，然后通過兩個參考標靶立即決定參照管的位置和TBM的實際位置。通過這一過程，管線稍有一點平滑將能夠被檢測到并考慮進去。設備的位置將用圖形和數(shù)字的方法在駕駛員位置上的電腦上顯示出來。其他附加的數(shù)字，如水平和垂直趨勢、鏈數(shù)、管子數(shù)、操作員的名字以及激光經(jīng)緯儀和ELS標靶的出錯狀態(tài)也會一并顯示出來。定期對隧道段進行的主要控制測量往往可以指出參考線相對于系統(tǒng)儲存的校準線的微小偏差。測量值與儲存的值進行比較。如果偏移值相對比較大，新測量的值將輸入PC里作為現(xiàn)有的隧道頂進值。新軸線將作為下一次頂進的參考線。在老軸線的值被新軸線的值替換之前將做一個備份。如果有必要，原先儲存的頂進線還可以在以后重新找出。因此，隧道的校準可以在任何時候通過TBM手工控制。（跳轉至卷首）3工作程序在最初階段(階段1)，激光站安裝在起始井上的柱子或平臺上，位于主千斤頂油缸之間的隧道軸線上。參考方向由前面的參考柱標出，上面安裝有一個棱鏡。參考點應該盡可能地遠離支持整個站的平臺。如果起始井的深度允許，參考點應該在井外。頭一個50-80m是由固定激光站測量的。因此激光束是不斷地指向目標靶，在頭一個頂進過程中緊跟著TBM。取得的位置參數(shù)將保存在一個文檔里。在過渡到第二階段時，隧道上將安裝一個支架，上面有經(jīng)緯儀、自動三角臺和傾斜計，使得在激光站和ELS目標靶之間始終有一條可視的直線。在激光支架的前方(約12m)處安裝兩個前參考標靶。在這種情況下，第一階段激光站形成的測量井柱將成為后視目標靶。隨著激光站與管子的前進，它的位置將從前面儲存的參考點位置得出，這些點已經(jīng)由鏈數(shù)進行了標示。激光站的信息將由起始井上的距離測量系統(tǒng)不斷地進行更新。當一個測量周期被激發(fā)后，自動地由預設的距離或時間間隔激發(fā)或通過按鍵激發(fā)，激光站接到后置參照目標靶的信號。經(jīng)緯儀上的自動定位系統(tǒng)會準確地指向棱鏡，距離便會測出。這些信息將傳向個人計算機。從后視目標靶測到的距離將用于計算激光站的準確位置。這些值在作完激光站的翻轉修正后將用于從前面儲存的參考行程中計算出當前激光站的位置。上一次測量的目標靶的參考點的位置在計算機里還將繼續(xù)有效。激光經(jīng)緯儀將按先前測出的方位自動轉向目標靶上的點并激活目標靶。目前的ELS目標靶的測量數(shù)據(jù)將用于計算TBM的位置并與上述的測量計算結果一起儲存起來。ELS目標靶平面上的軸線點的三維坐標現(xiàn)在將儲存起來作為TBM目前的頂進線路。因為有了固定的后視目標靶，在第二階段里可以單獨地確定頂進站之間激光站的鏈數(shù)，因此能根據(jù)軸向測量更精確地協(xié)調各參考點。隨著激光與后視目標靶距離的增加，最終將無法進行任何測量，因為有折射的影響、空氣的阻尼或路徑的彎曲度。發(fā)生這種情況時第二階段就已經(jīng)完成了。要繼續(xù)引導TBM現(xiàn)在需要進入第三階段。這時后視目標靶必須安裝在管子的支架上，而且盡可能地遠離激光站，并考慮剩余工隧道的校正因素。支架上也必須安裝傾斜計，以便計算時考慮管的翻轉。同前一樣，總站的鏈數(shù)還是由距離測量系統(tǒng)(LMS)上的脈沖來測定。由于后視目標靶是隨著安裝的管線一起前移，在每一個測量循環(huán)里都必須重新確定它的鏈數(shù)。這可以從激光站的鏈數(shù)減去后視目標靶的測量距離得出。同樣還需通過相應的信號考慮頂進站之間的伸縮長度。還需進行一次主控測量以便確定系統(tǒng)三個主要點的地球坐標：目標靶、激光靶和后視目標靶，也需根據(jù)測得的數(shù)據(jù)作三維變換更新系統(tǒng)點而調整儲存的參考線。頂進工作將繼續(xù)根據(jù)校正的參考線進行。有關掘進機的驅動部分，至關重要的是檢查隧道掘進機(TBM)的位置，參考隧道設計軸線盡早采取偏移校正措施，以防止TBM超出公差范圍。頂進時，重要的是避免方向的突然變化，以防止管子接頭上的間隙和保證阻力最小。雖然沒有隧道完全與DTA一致，但總的目標是盡可能地把偏移量限制在絕對最小值內。頂管導向的主要問題是，整個工程是處于一個不斷運動的狀態(tài)，不可能把已經(jīng)定為后繼工作的管線標志為參考點。每一次決定了TBM的位置后都必須進行一次從零點(即起始井)的傳統(tǒng)測量。隨著管子的頂進，這種測量的時間將越來越不能接受。傳統(tǒng)測量方法的另一個缺點是測量只能在頂進之間進行，而頂進本身是盲目的。TBM的偏離公差只能在一個延期時間里才能知道。補救的措施不能立即進行，