雙護盾全斷面掘進機激光導(dǎo)向系統(tǒng)的應(yīng)用

雙護盾全斷面掘進機激光導(dǎo)向系統(tǒng)的應(yīng)用20世紀(jì)70年代以來，掘進機施工技術(shù)有了新的飛躍。伴隨著激光、 計算機以及自動控制等技術(shù)的發(fā)展成熟，激光導(dǎo)向系統(tǒng)在掘進機中逐漸得到 成功運用、發(fā)展和完善。激光導(dǎo)向系統(tǒng)使得掘進機施工極大地提高了準(zhǔn)確性、 可靠性和自動化程度，從而被廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、水利工程等專業(yè)領(lǐng)域。全面理解激光導(dǎo)向系統(tǒng)的原理， 有助于工程技術(shù)人員在隧洞施工中及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，保證隧道的正確掘進和最后貫通，有助于國產(chǎn)掘進 機研制工作的開展。掘進機和激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成1.1掘進機的組成掘進機按護盾形狀劃分為單護盾掘進機、 雙護盾掘進機以及開敞式掘進機。它們的組成有一定差異。主要由盾體（含刀盤等）、管片拼裝機、主 機皮帶機、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。1.2激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成激光導(dǎo)向系統(tǒng)是綜合運用測繪技術(shù)、激光傳感技術(shù)、計算機技術(shù)以及 機械電子等技術(shù)指導(dǎo)掘進機隧道施工的有機體系。隧道掘進激光導(dǎo)向系統(tǒng)主 要部件有激光全站儀、帶有棱鏡的激光靶、黃盒子、中央控制箱和隧道掘進 激光導(dǎo)向系統(tǒng)電腦。激光導(dǎo)向系統(tǒng)和掘進機控制測量在隧洞施工中的地位和作用1）可以在電腦顯示屏上隨時以圖形的形式顯示掘進機軸線相對于隧 道設(shè)計軸線的準(zhǔn)確位置，這樣在掘進機掘進時，操作者就可以依此來調(diào)整掘進機掘進的姿態(tài)，使掘進機的軸線接近隧道的設(shè)計軸線，這樣掘進機軸線和隧道設(shè)計軸線之間的偏差就可以始終保持在一個很小的數(shù)值范圍內(nèi)。2）推進一環(huán)結(jié)束后，隧道掘進激光導(dǎo)向系統(tǒng)從掘進機 PLC自動控制系統(tǒng)獲得推進油缸和鉸接油缸的油缸桿伸長量的數(shù)值，并依此計算出上一環(huán)管片的管環(huán)平面，再綜合考慮被手工輸入隧道掘進激光導(dǎo)向系統(tǒng)電腦的盾尾 間隙等因素，計算并選擇這一環(huán)適合拼裝的管片類型。）可以提供完整的各環(huán)掘進姿態(tài)及其他相關(guān)資料的檔案資料。）可以通過標(biāo)準(zhǔn)的隧道設(shè)計幾何元素計算出隧道的理論軸線。5）可以通過調(diào)制解調(diào)器和電話線與地面的一臺電腦相連，這樣在地 面就可以實時監(jiān)控掘進機的掘進姿態(tài)。從隧洞施工基本過程可以看出（如圖 1所示），激光導(dǎo)向系統(tǒng)不能夠獨立完成導(dǎo)向任務(wù)，在掘進機開始工作、該系統(tǒng)啟用之前，還需要做一些輔 助工作：首先，激光全站儀首次設(shè)站點及其定向點坐標(biāo)，需用人工測定。其 次，必須使用人工測量的方法，對掘進機姿態(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)進行設(shè)置。朋i履洞施工基本過裡掘進機姿態(tài)是指掘進機前端刀盤中心（以下簡稱 刀頭”三維坐標(biāo)和掘進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)。掘進機姿態(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。用人工測量方式獲得掘進機姿態(tài)的過程，被稱作 掘進機控制測量”掘進機控制測量的另一個作用是：在掘進機掘進過程的間隙，對激光導(dǎo)向系 統(tǒng)采集的掘進機姿態(tài)參數(shù)進行檢核，對激光導(dǎo)向系統(tǒng)中有關(guān)配置參數(shù)進行校 正。激光導(dǎo)向坐標(biāo)系統(tǒng)）地面直角坐標(biāo)系：簡稱地面坐標(biāo)系，根據(jù)隧道中線設(shè)計而定，一般為地方坐標(biāo)系。洞內(nèi)（外）控制點、測站點、后視點以及隧道中線坐標(biāo)，DTA的數(shù)據(jù)、激光站支架坐標(biāo)數(shù)據(jù)等均用該坐標(biāo)系表示。）掘進機坐標(biāo)系：在掘進機水平放置且未發(fā)生旋轉(zhuǎn)的情況下，以掘進機刀頭中心前端切點為原點，以掘進機中心縱軸為正向；以豎直向上的方向線為 z軸，y軸沿水平方向與

x軸，由盾尾指向刀頭為x軸，z軸構(gòu)成左手系。掘進機坐標(biāo)系是連同掘進機一起運動的獨立直角坐標(biāo)系。掘進機尾部 中心參考點、ELS靶的安裝尺寸等相對掘進機的位置都以此坐標(biāo)系表示，這 些坐標(biāo)由掘進機制造商測定并給出。3）DTA系統(tǒng)：在本系統(tǒng)中顯示 TBM前后基準(zhǔn)點的偏離值與里程。激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理激光導(dǎo)向系統(tǒng)在隧洞施工中有指導(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。在地面坐標(biāo)系統(tǒng)確定一個點（ X，丫，Z）來放置激光全站儀，以便確定 TBM的位置。然后通過一個基準(zhǔn)點使激光全站儀定向。由系統(tǒng)控制激光全站儀實時測定光靶的三維地面坐標(biāo)，同 時激光光束被導(dǎo)向 ELS并自動記錄激光水平方位角。 ELS就能確定激光光束 與ELS平面之間的偏航角，激光光束入射點和 ELS之間的反射角用來確定 TBM與DTA之間的偏航角。TBM的滾動角及仰俯角通過安裝在 ELS內(nèi)部的 傾斜計來確定，大約每秒兩次，ELS將數(shù)據(jù)傳向主控計算機。 ELS和激光全站儀之間的距離通過激光全站儀內(nèi)置光電測距儀來測定，這個距離提供了 TBM沿DTA的里程。匯總測量的數(shù)據(jù)以便對確定 TBM在地面坐標(biāo)系統(tǒng)中的精確位置，通過隧道軸線上的兩個基準(zhǔn)點來顯示 TBM的位置。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(biāo)變換解算刀頭、盾 尾中心坐標(biāo)，結(jié)合設(shè)計隧道中線參數(shù)計算掘進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)掘進機掘進。管片安裝和激光站的前移在TBM及最新安裝管環(huán)的位置被確定后，就可進行下一環(huán)推進的計算。如果糾偏量不大，可直接把 DTA作為計算弧線。如果糾偏量為幾個厘米， 則需計算一個糾偏曲線。 糾偏曲線起始于最新拼裝的管環(huán)， 經(jīng)過TBM切向返回設(shè)計軸線。在 TBM沿糾偏曲線掘進的基礎(chǔ)上計算出來的油缸的理想行程被 傳到TBM計算機，計算機把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為取得所需行程所需的壓力。 通過這些數(shù)據(jù)可對TBM進行全自動控制。隨著 TBM向前推進，及時對激光站進 行前移，在SLS-T系統(tǒng)中控制激光站前移通過軟件來引導(dǎo)。 為保證不出現(xiàn)任何錯誤，移動過程中會自動進行監(jiān)測。影響激光導(dǎo)向系統(tǒng)和掘進機控制測量精度的因素在激光導(dǎo)向系統(tǒng)和掘進機控制測量中，掘進機姿態(tài)解算的方法有本質(zhì)區(qū)別：激光導(dǎo)向系統(tǒng)，通過直接采集1個參考點地面坐標(biāo)和3個轉(zhuǎn)角參數(shù)，正解刀頭、盾尾地面坐標(biāo)；掘進機控制測量是通過采集多個（至少3個）參考點地面坐標(biāo)，反解刀頭、盾尾地面坐標(biāo)和3個轉(zhuǎn)角參數(shù)。因此，從理論上講，后者在掘進機姿態(tài)解算方面比前者更能有效地減少或消除偶然誤差。這也是采用掘進機控制測量對激光導(dǎo)向系統(tǒng)進行參數(shù)配置和校核的原因。不論是激光導(dǎo)向系統(tǒng)，還是掘進機控制測量，原始依據(jù)都是用支導(dǎo)線形式獲得的測站坐標(biāo)和定向點（后視）坐標(biāo)。對于前者，3個轉(zhuǎn)角的精度取決于光柵和測角儀的靈敏程度，其誤差相對于測站誤差和定向誤差微乎其微。對于后者，盾尾參考點的掘進機坐標(biāo)由于在出廠前精確測定，誤差可忽略。因此，激光導(dǎo)向和掘進機控制測量的誤差主要集中在測站點三維坐標(biāo)和后視方向上。激光導(dǎo)向系統(tǒng)的應(yīng)用在隧洞掘進中的優(yōu)點1）體現(xiàn)了激光導(dǎo)向系統(tǒng)的直觀性。 通過VMT屏幕能夠直觀的顯示 TBM的姿態(tài)，有利于操作手進行作業(yè)。）極大地提高了隧洞掘進的準(zhǔn)確性。通過激光導(dǎo)向系統(tǒng)能夠及時地反映隧洞掘進的各個姿態(tài)，檢查是否沿理論軸線掘進，及時糾偏。）體現(xiàn)了激光導(dǎo)向系統(tǒng)的自動化程度。在常規(guī)開挖中每爆破一次就必須放樣一次線，標(biāo)定出隧洞掌子面的輪廓線以及中線。而應(yīng)用激光導(dǎo)向系統(tǒng)能夠自動測量，指導(dǎo) VMT沿理論軸線掘進，各種數(shù)據(jù)可以通過計算機系統(tǒng) 進行存儲。8結(jié)語在隧洞施工中，采取以下措施可提高激光導(dǎo)向系統(tǒng)的測量精度：1）在掘進始發(fā)前進行控制測量時，注意觀測參考點的均勻分布、組 數(shù)和有可能含粗差點的判定和剔除，以便精確解算掘進機初始姿態(tài)參數(shù)，保 證激光導(dǎo)向系統(tǒng)正