齊—盾構(gòu)機導(dǎo)向系統(tǒng)

1、盾構(gòu)機簡介之導(dǎo)向系統(tǒng)一、盾構(gòu)機和激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成 1、盾構(gòu)機系統(tǒng)的組成盾構(gòu)機按推力方式可分為網(wǎng)格式、壓氣式、插板式以及土壓式和水式；按形狀劃分，除典型的矩形、單圓筒形外，雙圓、三圓及多圓等異構(gòu)形。它們的組成有一定差異。其中，土壓式單圓盾構(gòu)機在我國應(yīng)用比較普遍。它主要由盾體（含刀盤等）、管片拼裝機、排土機構(gòu)、后配應(yīng)用比較普遍。它主要由盾體（含刀盤等）、管片拼裝機、排土機構(gòu)、后配套設(shè)備、電氣設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、SLS-T激光導(dǎo)向系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備組成。2.盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)的組成盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)的組成l （1）自動導(dǎo)向系統(tǒng)的組成及各部件的功能 SLS-T自動掘進導(dǎo)向系統(tǒng)主要由以下部件組成：l a:激光全站

2、儀l 激光發(fā)射源和角度、距離及坐標量測設(shè)備。圖1 隧道頂部激光站位置安裝布置圖l b:電子激光接收靶l(wèi) 接收激光全站儀的激光，通過其可測出盾構(gòu)機的俯仰和旋轉(zhuǎn)姿態(tài)。（內(nèi)置光柵和兩把豎向測角儀）l c:后視棱鏡l 為導(dǎo)向系統(tǒng)提供后視點。圖2 電子激光接收靶2.盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)的組成盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)的組成2.盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)的組成盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)的組成 d: 黃盒子 給激光全站儀提供電源，同時也實現(xiàn)PC機和激光全站儀之間的通信。（信號傳輸和供電裝置）圖3 黃盒子2.盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)的組成盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)的組成e: 盾構(gòu)機主控室：由程控計算機（預(yù)裝隧道掘進軟件，具有顯示和操作面板）、控制盒、網(wǎng)絡(luò)傳輸Modem和可編程邏輯控制

3、器（PLC）四部分組成；油缸桿伸長量測量裝置等。其中，隧道掘進軟件隧道掘進軟件是盾構(gòu)機激光導(dǎo)向系統(tǒng)的核心。圖4 電腦顯示器2.盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)的組成盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)的組成 g:網(wǎng)卡 h:電纜卷盤 此外要實現(xiàn)該系統(tǒng)的功能，相關(guān)聯(lián)的部件和軟件還有：盾構(gòu)機掘進系統(tǒng)的PLC，要實現(xiàn)一些附加功能的部件如自動測量盾尾間隙的部件、要實現(xiàn)管片環(huán)收斂等量測的部件等，隧道掘進軟件等。2.盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)的組成盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)的組成 f:控制箱 數(shù)據(jù)終端。3激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機控制測量在盾構(gòu)施工中的地位和作用地鐵盾構(gòu)法施工過程如圖所示。在隧道掘進模式下，激光導(dǎo)向系統(tǒng)是實時動態(tài)監(jiān)測和調(diào)整盾構(gòu)機的掘進狀態(tài)，保持盾構(gòu)機沿設(shè)計隧道軸線前進

4、的工具之一。在整個盾構(gòu)施工過程中，激光導(dǎo)向系統(tǒng)起著極其重要的作用：激光導(dǎo)向系統(tǒng)不能夠獨立完成導(dǎo)向任務(wù)首先，激光全站儀首次設(shè)站點及其定向點坐標，需用人工測定。其次必須使用人工測量的方法，對盾構(gòu)機姿態(tài)初值進行精確測定，以便于對激光導(dǎo)向系統(tǒng)中有關(guān)初始參數(shù)（如激光標靶上棱鏡的坐標，內(nèi)部的光柵初始位置及兩豎角測量儀初值等）進行配置。盾構(gòu)機姿態(tài)是指盾構(gòu)機前端刀盤中心（以下簡稱“刀頭”）三維坐標和盾構(gòu)機筒體中心軸線在三個相互垂直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角等參數(shù)盾構(gòu)機姿態(tài)除了可以通過人工測量、單獨解算方式獲得外，還可以由導(dǎo)向系統(tǒng)實時、自動地獲取。 (1)在顯示面板上動態(tài)顯示盾構(gòu)機軸線相對于隧道設(shè)計軸線的準確位置，報告掘進狀

5、態(tài)（見圖）；并在一定模式下，自動調(diào)整或指導(dǎo)操作者人工調(diào)整盾構(gòu)機掘進的姿態(tài)，使盾構(gòu)機沿接近隧道設(shè)計軸線掘進。 (2)獲取各環(huán)掘進姿態(tài)及最前端已裝環(huán)片狀態(tài)，指導(dǎo)環(huán)片安裝。 (3)通過標準的隧道設(shè)計幾何元素自動計算隧道的理論軸線坐標。 (4)和地面電腦相連，對盾構(gòu)機的掘進姿態(tài)進行遠程實時監(jiān)控3:激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機控制測量在盾構(gòu)施工中的地位和作用3.導(dǎo)向系統(tǒng)的使用軟件主界面豎直偏差豎直偏差圖形圖形 顯示偏差顯示偏差盾構(gòu)后坐標位置盾構(gòu)后坐標位置數(shù)值數(shù)值隧道軸隧道軸ALTU 數(shù)值數(shù)值 時間和日期時間和日期對話框?qū)υ捒蚱屏科屏柯?lián)測長度聯(lián)測長度盾構(gòu)前坐標位置盾構(gòu)前坐標位置數(shù)值數(shù)值 推進推進水平偏水平偏差

6、差方向檢查方向檢查測量測量前進，推進前進，推進輸出打印機輸出打印機以圖形和數(shù)字方式顯示刀頭、盾尾橫向偏差和豎向偏差，以數(shù)字方式顯示刀頭里程、水平偏角、縱向傾角和旋轉(zhuǎn)角等參數(shù)。4.盾構(gòu)機激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理：(3)棱鏡中心坐標系（P-xyz）：原點為安裝在盾構(gòu)機尾部的棱鏡的中心，與盾構(gòu)機坐標系平行。除此之外，為了解算還引入了其他一些空間輔助坐標系.4.1盾構(gòu)機激光導(dǎo)向系統(tǒng)涉及的坐標系為了闡明激光導(dǎo)向系統(tǒng)的原理，首先介紹一些與盾構(gòu)機及隧道有關(guān)的坐標系（見圖4）：(1)地面直角坐標系（O-XYZ）：簡稱地面坐標系，根據(jù)隧道中線設(shè)計而定，一般為地方坐標系。洞內(nèi)(外)控制點、測站點、后視點以及隧道中線坐標，

7、均用該系坐標表示。ll(2)盾構(gòu)機坐標系（F-xyz）：在盾構(gòu)機水平放置且未發(fā)生旋轉(zhuǎn)的情況下，以盾構(gòu)機刀頭中心前端切點為原點，以盾構(gòu)機中心縱軸為x軸，由盾尾指向刀頭為正向；以豎直向上的方向線為z軸，y軸沿水平方向與x、z軸構(gòu)成左手系。盾構(gòu)機坐標系是連同盾構(gòu)機一起運動的獨立直角坐標系。盾構(gòu)機尾部中心參考點、盾構(gòu)機棱鏡等相對盾構(gòu)機的位置都以此系坐標表示，這些坐標由盾構(gòu)機制造商測定并給出。(3)棱鏡中心坐標系（P-xyz）：原點為安裝在盾構(gòu)機尾部的棱鏡的中心，與盾構(gòu)機坐標系平行。除此之外，為了解算還引入了其他一些空間輔助坐標系.5、激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理和工作過程激光導(dǎo)向系統(tǒng)的英文本義是“盾構(gòu)指導(dǎo)系統(tǒng)”，

8、在盾構(gòu)施工中有指導(dǎo)隧道掘進、指導(dǎo)環(huán)片安裝、數(shù)據(jù)采集等多種功能；其中指導(dǎo)掘進是核心功能。本文僅研究激光導(dǎo)向系統(tǒng)指導(dǎo)掘進的原理。在掘進過程中，激光導(dǎo)向系統(tǒng)按如下流程工作：由系統(tǒng)控制激光全站儀實時測定盾構(gòu)機棱鏡的三維地面坐標；同時發(fā)射激光自動照準激光標靶，并自動記錄激光水平方位角；標靶內(nèi)部光柵捕獲激光的入射角，間接得到盾構(gòu)機縱軸水平方位角；利用安裝在標靶中相互垂直兩立面內(nèi)的兩把測角儀測得盾構(gòu)機傾角和旋轉(zhuǎn)角。利用以上參數(shù)及刀頭、盾尾、棱鏡中心三者的幾何關(guān)系，通過空間坐標變換解算刀頭、盾尾中心坐標，結(jié)合設(shè)計隧道中線參數(shù)計算盾構(gòu)機與隧道中線的相對偏差。依據(jù)各偏差值擬合改正曲線，由PLC根據(jù)修正曲線控制機械

9、裝置，調(diào)整各油缸桿在不同時刻的伸長量。如此反復(fù)，指導(dǎo)盾構(gòu)機掘進。該導(dǎo)向過程包括如下6個步驟：5.1棱鏡P點坐標和旋轉(zhuǎn)參數(shù)的獲取：llP點坐標(XP,YP,ZP)：由系統(tǒng)控制架設(shè)在隧洞頂部吊籃上的激光全站儀自動測量。盾構(gòu)機水平方位角：設(shè)自激光全站儀發(fā)射到激光標靶的激光束的水平方位角為A0，光柵根據(jù)折射率捕獲的激光入射角為。則系統(tǒng)獲取盾構(gòu)機方位角為A=A0-(見圖5)。豎向傾角和旋角：依靠ELS中的兩只相互垂直的測角儀測得。本文規(guī)定A順時針旋為正，、逆時針旋為正。5.2刀頭、盾尾中心的地面坐標系三維坐標解算：l .2刀頭、盾尾中心的地面坐標系三維坐標解算：1）將盾構(gòu)機坐標轉(zhuǎn)化為棱鏡中心坐標：設(shè)刀頭

10、中心F、盾尾中心B及棱鏡中心在盾構(gòu)機坐標系中的坐標分別為（0,0,0）（xB,yB，zB）和（xP,yP,zP）則三點在棱鏡坐標系中的坐標為（-xP,-yP,-zP）、（xB-xP,yB-yP,zB-zP）和（0,0,0）。2）刀頭、2）2）盾尾中心地面坐標解算：刀頭中心在地面坐標系中的三維坐標為： 5. 4擬合修正曲線：擬合修正曲線： 以盾構(gòu)機橫向、豎向偏移量和設(shè)計隧道中線為參數(shù)，擬合修正以盾構(gòu)機橫向、豎向偏移量和設(shè)計隧道中線為參數(shù)，擬合修正曲線（擬合方式和算法有待進一步研究）。可人工輸入修正曲曲線（擬合方式和算法有待進一步研究）?？扇斯ぽ斎胄拚€的曲率半徑等參數(shù)，以控制盾構(gòu)機回到設(shè)計軸線的速度。線的曲率半徑等參數(shù)，以控制盾構(gòu)機回到設(shè)計軸線的速度。 5.5推進：