礦山測(cè)量拓展盾構(gòu)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)原理

《礦山測(cè)量》課程

主講人：李長青

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道時(shí)的測(cè)量三、盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)簡介現(xiàn)代新型的盾構(gòu)機(jī)都裝備有可選的成套測(cè)量與控制系統(tǒng)，既自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)，指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)施工。導(dǎo)向系統(tǒng)種類主要有四種：陀螺儀導(dǎo)向系統(tǒng)、德國VMT公司SLS．T導(dǎo)向系統(tǒng)、我國盾構(gòu)姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及英國ZED導(dǎo)向系統(tǒng)，下面分別介紹。

（一）陀螺儀導(dǎo)向系統(tǒng)

(1)陀螺儀導(dǎo)向系統(tǒng)特點(diǎn)陀螺儀導(dǎo)向系統(tǒng)主要由陀螺儀和傾斜計(jì)、控制單元等組成，其中陀螺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是適合長距離方向控制和快速運(yùn)動(dòng)物體；缺點(diǎn)是僅對(duì)方向控制提供參考、精度偏低、需定時(shí)歸零、操作較繁瑣、不給定三坐標(biāo)量(X、Y，、Z)，對(duì)推進(jìn)只起到有限的參考作用。(2)日本TOKIMEC生產(chǎn)的TIMS-01系列盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)簡介

1)系統(tǒng)組成和功能盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道時(shí)的測(cè)量盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道時(shí)的測(cè)量2)姿態(tài)測(cè)量管理

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道時(shí)的測(cè)量盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道時(shí)的測(cè)量3)輔助人工測(cè)量盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道時(shí)的測(cè)量（二）德國VMT公司SLS-T導(dǎo)向系統(tǒng)簡介

德國VMT公司SLS．T導(dǎo)向系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜，由激光測(cè)站、后視棱鏡、目標(biāo)靶等組成，測(cè)定精度受激光發(fā)射接收、傾斜儀的傳感精度的影響。測(cè)量示意圖見圖4-5-12。該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定、可靠、實(shí)時(shí)、連續(xù)、精度高；缺點(diǎn)是構(gòu)成復(fù)雜、維護(hù)量大、對(duì)人員要求高、進(jìn)口價(jià)格相對(duì)昂貴。

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道時(shí)的測(cè)量盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道時(shí)的測(cè)量(1)系統(tǒng)組成和功能

1)具有自動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo)的全站儀。主要用于測(cè)量(水平和垂直的)角度和距離、發(fā)射激光束。

2)ELS(電子激光系統(tǒng))，亦稱為標(biāo)板或激光靶板，見圖4-5-13。這是一臺(tái)智能型傳感器，ELS接受全站儀發(fā)出的激光束，測(cè)定水平方向和垂直方向的入射點(diǎn)。坡度和旋轉(zhuǎn)由該系統(tǒng)內(nèi)的傾斜儀測(cè)量，偏角由ELS上激光器的入射角確認(rèn)。由于ELS固定在盾構(gòu)機(jī)的機(jī)身內(nèi)，在安裝時(shí)其與盾構(gòu)機(jī)軸線的關(guān)系和參數(shù)位置就確定了，因此根據(jù)上述ELS的測(cè)量結(jié)果即可轉(zhuǎn)換成盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道時(shí)的測(cè)量盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道時(shí)的測(cè)量3)計(jì)算機(jī)及隧道掘進(jìn)軟件。SLS—T軟件是自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的核心，它從全站儀和ELS等通信設(shè)備接收數(shù)據(jù)，計(jì)算盾構(gòu)機(jī)的位置，并以數(shù)字和圖形的形式顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上，操作系統(tǒng)采用Windows2000，確保用戶操作簡便。

4)黃色箱子。它主要給全站儀供電，保證計(jì)算機(jī)和全站儀之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸。（2）盾構(gòu)機(jī)激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理：

1）盾構(gòu)機(jī)激光導(dǎo)向系統(tǒng)涉及的坐標(biāo)系盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道時(shí)的測(cè)量(A)地面直角坐標(biāo)系（O-XYZ）：簡稱地面坐標(biāo)系。(B)盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)系（F-xyz）：以盾構(gòu)機(jī)刀頭中心前端切點(diǎn)為原點(diǎn)，以盾構(gòu)機(jī)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。

(C)棱鏡中心坐標(biāo)系（P-x’y’z’）：原點(diǎn)為安裝在盾構(gòu)機(jī)尾部的棱鏡的中心，與盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)系平行。

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道時(shí)的測(cè)量2）描述盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的要素

描述盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的參數(shù)有：刀頭坐標(biāo)（xF'，yF，zF）：水平角A；傾角α；旋轉(zhuǎn)角κ

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道時(shí)的測(cè)量（3）激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理和工作過程盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道時(shí)的測(cè)量該導(dǎo)向過程包括如下6個(gè)步驟。

1）棱鏡P點(diǎn)坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)的獲取：2）刀頭、盾尾中心的地面坐標(biāo)系三維坐標(biāo)解算：3）刀頭、盾尾里程及盾構(gòu)機(jī)與隧道中線相對(duì)偏差的解算：4）擬合修正曲線：5）推進(jìn)：

6）重復(fù)1至5步。

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道時(shí)的測(cè)量（4）盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量

盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量的原理是：通過人工測(cè)量盾構(gòu)機(jī)體上具有精確盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)的若干個(gè)(盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前，機(jī)體全身多于16個(gè)；在隧道掘進(jìn)中，僅尾部16