VMT導(dǎo)向系統(tǒng)測量技術(shù)成都項目部

成都地鐵4號線土建5標VMT導(dǎo)向系統(tǒng)測量技術(shù)中鐵十一局集團有限公司成都地鐵4號線土建5標二零一三年八月第一章

SLS-T系統(tǒng)工作原理第二章盾構(gòu)機的導(dǎo)向系統(tǒng)第三章盾構(gòu)機的硬件系統(tǒng)第四章盾構(gòu)姿態(tài)人工復(fù)測第五章在盾構(gòu)施工中應(yīng)注意事項第六章VMT導(dǎo)向系統(tǒng)中遇到的幾個問題及解決方法目錄第一部分SLS-T系統(tǒng)工作原理第一部分SLS-T系統(tǒng)工作原理1、SLS-T采用了3種不同的坐標系統(tǒng)。分別為：大地坐標系統(tǒng)、TBM坐標系統(tǒng)，DTA坐標系統(tǒng)。2、VMT導(dǎo)向系統(tǒng)（SLS-T）的坐標系（1）大地坐標系統(tǒng)主要包括DTA數(shù)據(jù)、以及輸入到系統(tǒng)里面的TCA，BT坐標。（2）TBM坐標系統(tǒng)以TBM前點為坐標原點；中心軸線為X軸，掘進方向為正；X軸順時針旋轉(zhuǎn)90度為Y軸；垂直X軸、Y軸平面為Z軸。參考點的坐標采用TBM坐標系，由VMT公司在工廠里面測定。我們根據(jù)參考點在大地坐標系統(tǒng)中的坐標及其TBM坐標確定TBM的實際位置。TBM實際位置可以通過三維坐標轉(zhuǎn)化，CAD擬合求得。（3）DTA坐標系統(tǒng)

這個系統(tǒng)用于確定TBM的位置，也就是TBM的前后參考點。坐標是以水平、垂直偏差和TBM的里程來體現(xiàn)的。下圖為幾種坐標系之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系：第一部分SLS-T系統(tǒng)工作原理第二部分SLS－T導(dǎo)向系統(tǒng)第二部分SLS－T導(dǎo)向系統(tǒng)SLS－T導(dǎo)向系統(tǒng)是在Windows操作系統(tǒng)下運行的，為運行SLS－T而必須安裝的文件將由VMT工程師完成，系統(tǒng)軟件包含了很多文件，將在下面予以描述。其中任何一個文件被錯誤的刪除都將使軟件不能正常的運行，用電腦時必須萬分小心。1、目錄及主要文件目錄“\SLS-T”這個文件夾中包含了SLS－T程序文件。用戶可以選擇不同的安裝路徑安裝在電腦上。目錄“\SLS-T\Anim”包含不同的動態(tài)文件(例如激光站前移等)。目錄“\SLS-T\DTA”包含所有DTA文件，但是要對其進行編輯必通過SLS－T軟件中的DTA編輯器，絕不能直接對其編輯！目錄“\SLS-T\Tables”包含管片定義文件。目錄“\SLS-T\Log”包括各種日志文件文件夾“\SLS-T\Log\DirCheck”:方位檢查文件夾“\SLS-T\Log\LU”:激光站前移文件夾“\SLS-T\Log\Orientation”:定向文件夾“\SLS-T\Log\RB”:管片拼裝文件夾“\SLS-T\Log\System”:系統(tǒng)第二部分SLS－T導(dǎo)向系統(tǒng)2、幾個定義（偏差值、滾動角、趨向、仰俯角）

偏差值是盾構(gòu)機前后點相對于DTA或者糾偏曲線的垂直距離。水平方向為正表示在軸線的右方，為負在軸線的左方。在垂直方向上，正表示在軸線的上方，負表示在軸線的下方。

滾動角是表示盾構(gòu)機相對水平面滾動的大小，正表示向右滾動，負表示向左滾動(面向掘進方向)。

趨向是表示盾構(gòu)機軸線相對于DTA的偏轉(zhuǎn)程度，在水平方向上，趨向為正表示TBM相對于DTA向右轉(zhuǎn)，負表示向左轉(zhuǎn)。垂直趨向為正表示TBM前面向上，為負表示向下。

仰俯角表示盾構(gòu)機軸線與水平方向的偏離程度。第二部分SLS－T導(dǎo)向系統(tǒng)

3、軟件界面

第二部分SLS－T導(dǎo)向系統(tǒng)1.水平和垂直偏差[mm]2.水平和垂直趨向[mm/m]3.前參考點（切口）里程[m]4.當前推進環(huán)號5.圖示TBM狀態(tài)。默認比例是垂直方向上60mm，水平方向上100mm，如果偏差值超出這個范圍則比例自動調(diào)整但是表示TBM的圖標大小不改變。6.滾動角[mm/m].正值=向右滾動,負值=向左滾動7.絕對仰俯角[mm/m].正值=TBM向上前進,負值=TBM向下進8.目標靶信號強度，表示激光打在激光靶上的強度，這個值應(yīng)該總是介于250和1000之間。如果不是，則激光或者激光靶需要擦干凈。渾濁的空氣(如柴油機、焊接所產(chǎn)生的煙等等)也有可能減弱激光強度。9.激光強度表示當前激光的發(fā)射強度，激光靶接收強度和激光強有直接的聯(lián)系。第二部分SLS－T導(dǎo)向系統(tǒng)10.電腦上顯示的日期及時間

11通訊狀態(tài)顯示。綠色表示正常工作，黃色表示在等待狀態(tài)，紅色則表示有問題。點擊此符號則

會彈出一個包含當前工作狀態(tài)信息的窗口。

12.項目名稱

13.顯示當前程序運行模式（推進，管片拼裝）。

14.預(yù)留的顯示其他特殊項目信息的地方。

15.可以通過鼠標或鍵盤操作這些功能鍵，詳情見后。

16.“對話窗口”–信息窗口。下拉滾動條可以使信息上下移動，以便瀏覽（右側(cè)）。

17.信息“上一次姿態(tài)確定至今的時間間隔”表示最后一次確定TBM姿態(tài)是在什么時候。第二部分SLS－T導(dǎo)向系統(tǒng)（1）主屏幕—級別1F1,掘進

從管片拼裝狀態(tài)切換到推進狀態(tài)。在推進狀態(tài)下所有硬件設(shè)備都和軟件之間有通訊，并連續(xù)顯示當前TBM姿態(tài)（激光是打開的)F2,停止測量

從推進狀態(tài)切換到管片拼裝狀態(tài)。在管片拼裝狀態(tài)下時，軟件和所有的硬件設(shè)備都沒有通訊，軟件處于凍結(jié)狀態(tài)(激光也是關(guān)閉的)F3F4,管環(huán)拼裝

啟動管片選型、拼裝程序。

F5,F6,方位檢查

激活全站儀的方位檢查。全站儀轉(zhuǎn)向后視點，然后將實測的方位同計算的方位值進行比較。

F7,工地現(xiàn)場圖

可以實時的顯示盾構(gòu)機當前所處的位置，包括平面和高程。F8,相對CC偏差

顯示相對于糾偏曲線TBM的姿態(tài)，在20秒后切換回正常的顯示（相對于DTA的姿態(tài)）

F9,打印

將當前實際的屏幕打印到Windows默認打機。

F10,下一步

進入下一級菜單。當前被激活級別顯示在下方的右側(cè)。第二部分SLS－T導(dǎo)向系統(tǒng)（2）主屏幕—級別2第二部分SLS－T導(dǎo)向系統(tǒng)F1,TBM歷史記錄顯示被存儲在數(shù)據(jù)庫里面的TBM姿態(tài)錄。F2,TBM圖表圖示每一環(huán)TBM的趨向，圖中的點表示前參考點。F3

F4,打印報告F5,管環(huán)位置顯示被拼裝的最后一環(huán)管片（如果在軟件中包含v有管片拼裝程序的話），它也可以切換到其他管片。F6,F7,F8,刪除掘進此操作有密碼保護，可以從數(shù)據(jù)庫中刪除一環(huán)推進。F9,打印將當前實際的屏幕打印到Windows默認打印機。F10,下一步進入下一級菜單。當前被激活級別顯示在屏幕下方的右側(cè)。第二部分SLS－T導(dǎo)向系統(tǒng)（3）主屏幕—級別3第二部分SLS－T導(dǎo)向系統(tǒng)F1,參數(shù)編輯器

打開編輯器，通過它可以改變SLS－T的參數(shù)。F2,液壓油缸編輯器F3,點管理器

打開點管理器并輸入或編輯將要在SLS－T軟件中用到的TCA站、BT靶的坐標。

F4,DTA

開始DTA計算程序，或用于輸入新的DTA數(shù)據(jù)。

F5

F6

F7,定位

設(shè)置全站儀的定向，它只在管片拼裝狀態(tài)下有效。

F8,激光站前移

通過對話形式將激光站移到一個新的點上。F9,結(jié)束

詢問是否關(guān)閉軟件。F10,下一步

進入下一級菜單。第三部分盾構(gòu)機的硬件系統(tǒng)第三部分盾構(gòu)機的硬件系統(tǒng)VMT導(dǎo)向系統(tǒng)硬件主要由以下幾個主要部分組成：1、激光站（全站儀）2、黃盒子3、中央控制箱4、中央電腦5、激光靶6、電纜各硬件的關(guān)系圖第三部分盾構(gòu)機的硬件系統(tǒng)1、全站儀全站儀裝配有馬達和同軸測距儀，能由電腦完全操控。伺服系統(tǒng)可以保證全站儀精確轉(zhuǎn)動水平和垂直方向，自動識別ATR可以精確瞄準所有常見棱鏡。而且，全站儀還裝配有GUS74激光發(fā)射裝置，發(fā)出的激光被調(diào)整到跟全站儀視準軸平行，此裝置用來激活激光靶。使用全站儀要注意的幾個問題：（1）全站儀要注意激光是否偏移，定期不定期的對激光進行檢查，校準。（2）全站儀的接口為Geocom，協(xié)議為RS232Geocom,波特率：9600，奇偶：無，數(shù)據(jù)位：8，停止位1，否則儀器不能進行通訊。第三部分盾構(gòu)機的硬件系統(tǒng)2、黃盒子

黃盒子成對使用，分為局部黃盒子和遠程黃盒子，他們的主要功能是進行數(shù)據(jù)傳輸及對全站儀供電。

局部黃盒子安裝在盾構(gòu)機上，通過一根十芯電纜將數(shù)據(jù)傳輸給中央控制箱，并且發(fā)送、接收遠程黃盒子傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

遠程黃盒子安裝在全站儀旁，通過一根四芯電纜將數(shù)據(jù)傳輸給全站儀，并對全站儀供電。使用黃盒子要注意的幾個問題：

（1）在移動黃盒子過程中不要提黃盒子的天線，天線斷了會影響黃盒子的數(shù)據(jù)傳輸功能。

（2）防止雨水和灰層進入插頭、插座。否則將不能工作或者嚴重損壞。第三部分盾構(gòu)機的硬件系統(tǒng)3、中央控制箱

中央控制箱主要起聯(lián)系作用,它向外給局部黃盒子提供電源,也給激光靶提供電源。同時它還負責(zé)將從激光靶及激光全站儀傳來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電腦能夠處理的數(shù)據(jù)。同樣電腦給全站儀發(fā)出的控制數(shù)據(jù)也在中央控制箱被轉(zhuǎn)化為適當?shù)臄?shù)據(jù)形式。

使用中央控制箱要注意的幾個問題：

（1）中央控制箱的位置要在隱蔽的地方，防止人為的破壞及電瓶車溜車可能帶來的臺車撞擊中央控制箱。

（2）中央控制箱的接口較多，要留意并牢記每個接口的功能。第三部分盾構(gòu)機的硬件系統(tǒng)4、中央電腦

中央電腦通過網(wǎng)線與中央控制箱連接，接收、處理中央控制箱傳來的數(shù)據(jù)。我們通過對電腦的操作來完成對導(dǎo)線系統(tǒng)的控制。最終的結(jié)果會在導(dǎo)向系統(tǒng)的界面上顯示出來。

使用中央電腦要注意的幾個問題：

（1）中央電腦除了盾構(gòu)機操作手及測量隊可以操作外，其他人員嚴禁使用。

（2）插在電腦上的U盤在插入之前確定無毒，防止電腦中毒使導(dǎo)線系統(tǒng)不能正常工作。

（3）VMT人員給的系統(tǒng)還原U盤要保存好，它能還原系統(tǒng)，恢復(fù)數(shù)據(jù)。第三部分盾構(gòu)機的硬件系統(tǒng)5、激光靶

激光靶用來確定偏航角、滾動角及俯仰角。入射激光點的X坐標及Y坐標也由激光來測定。通過電纜連接在中央控制箱。偏航角通過CCD照相機和特殊鏡頭系統(tǒng)測定。在激光靶內(nèi)置雙軸傾斜儀。一個為縱向放置，一個為橫向放置。這個傾斜計最終測出TBM的絕對滾動角和絕對俯仰角。通過CCD照相機可以測定入射激光束的光斑。光斑相對于激光靶縱軸的X坐標和Y坐標由CCD測定。激光靶與全站儀之間的距離由全站儀測定，激光靶上需裝一棱鏡。位于前屏幕后面的二極管根據(jù)激光靶不工作時發(fā)出不同顏色的光：藍色=電源充足，深綠色=測斜儀錯誤，黃色=lead測定錯誤，淺綠色=XY測定錯誤。工作時只有藍色燈亮。

使用激光靶要注意的幾個問題：

（1）對激光靶設(shè)置保護罩，防止?jié){液噴射在屏幕和小棱鏡上。

（2）激光靶周圍不能有強光，會給激光帶來干擾。第三部分盾構(gòu)機的硬件系統(tǒng)6、電纜電纜主要作用就是傳輸數(shù)據(jù)、供電。主要有三根電纜，分別是：局部黃盒子與中央控制箱之間，遠程黃盒子與全站儀之間，激光靶與中央控制箱之間。使用電纜要注意的幾個問題：（1）插孔要對齊之后能輕松插入，不能使用蠻勁硬來，容易弄斷里面的針頭。（2）電纜不能長久彎曲，否則容易折斷。（3）電纜放置在免受擠壓，溫度過高的地方。第四部分盾構(gòu)姿態(tài)人工復(fù)測第四部分盾構(gòu)姿態(tài)人工復(fù)測1、盾構(gòu)姿態(tài)人工檢測在盾構(gòu)施工的過程中，為了保證導(dǎo)向系統(tǒng)的正確性和可靠性，在盾構(gòu)機掘進一定的長度或時間之后，應(yīng)通過隧道內(nèi)的導(dǎo)線控制點檢測盾構(gòu)機的姿態(tài)，進行盾構(gòu)姿態(tài)的人工檢測。盾構(gòu)施工中所用到的坐標系統(tǒng)有兩種：城建坐標系統(tǒng)（DTA使用的是城建坐標系）、TBM坐標系。2、盾構(gòu)機參考點的測量在進行盾構(gòu)機組裝時，VMT公司的測量工程師就已經(jīng)在盾體上布置了盾構(gòu)姿態(tài)測量的參考點(共16個)，如下圖。并精確測定了各參考點在TBM坐標系中的三維坐標。我們在進行盾構(gòu)姿態(tài)的人工檢測時，可以直接利用VMT公司提供的相關(guān)數(shù)據(jù)來進行計算。其中盾體前參考點及后參考點是虛擬的兩個點，實際盾體上不能給定的。盾構(gòu)姿態(tài)人工檢測的測站位置選在盾構(gòu)機連接橋端頭管片上,測量時，根據(jù)現(xiàn)場條件盡量選參考點之間連線距離大一些，提高測量計算的精度。第四部分盾構(gòu)姿態(tài)人工復(fù)測第四部分盾構(gòu)姿態(tài)人工復(fù)測3、盾構(gòu)姿態(tài)的計算

盾構(gòu)姿態(tài)的計算原理，盾構(gòu)機是圓柱體，在開挖掘進過程中我們不能直接測量其前點和后點的中心三維坐標，只能用間接法來推算出前、后中心的三維坐標。第四部分盾構(gòu)姿態(tài)人工復(fù)測

盾構(gòu)機空間幾何關(guān)系（A、B、C、D、1…17）在盾構(gòu)機出廠時已測定。計算簡單的說就是三維坐標的轉(zhuǎn)換。在如圖O點是盾構(gòu)機前點中心，A是盾構(gòu)機中體后點中心，即OA連線為盾構(gòu)機的中心軸線，由0、1、2、3（123為盾構(gòu)機出廠時VMT公司測定整個盾構(gòu)機三維坐標關(guān)系點中21個點中任意三點）四點構(gòu)成一個四面體，測量出1、2、3三個角點的三維坐標（xi,yi,zi）,根據(jù)三個點的三維坐標（xi,yi,zi）分別計算出LA1,LA2,LA3,L12,L13,L23,四面體中的六條邊長，作為以后計算的初始值。在盾構(gòu)機掘進過程中，通過對1、2、3三點的三維坐標測量來計算出A、O點的三維坐標。同理可推算出B、C點的三維坐標。由A、O、B、C兩點的三維坐標就能計算出盾構(gòu)機前、后點的水平偏航，垂直偏航，仰俯角和滾動角，從而達到檢測盾構(gòu)機姿態(tài)的目的。第四部分盾構(gòu)姿態(tài)人工復(fù)測4、通過AutoCAD作圖求解盾構(gòu)姿態(tài)

通過幾何解算盾構(gòu)姿態(tài)方法的缺點是在內(nèi)業(yè)計算時，如果用人工手算，其工作量相當大，而且難免出錯，因此我們在進行解算時，是利用AutoCAD進行作圖求解，相對于用幾何方法解算，速度要快很多。其操作過程如下：

把隧道中心線（三維坐標DTA）輸入CAD圖形中建立一個文件，這個工作一個工地只要做一次。然后把盾構(gòu)機的空間三維坐標DTA輸入CAD圖形重新建一個文件，把盾構(gòu)機空間三維圖形復(fù)制到隧道中心三維圖形中。每次實測的盾構(gòu)機1～17號任意三點實測坐標，通過CAD擬合命令就可把盾構(gòu)機的姿態(tài)直接在圖上量出差值算出盾構(gòu)機姿態(tài)。于是通過前點到后點的距離是4.087米來判斷。通過前后點向隧道中線做垂線，通過測量垂線在水平和垂直方向上偏離值來求解盾構(gòu)機前后點的姿態(tài)。盾構(gòu)機的俯仰角=（H前點-H后點）/。滾動角=(A-C)/(盾構(gòu)機外徑)。前點、后點水平和垂直偏差直接在垂直量距就行。觀測時能測點全部測，分組擬合計算，取平均值這樣計算的精度就越高。VMT導(dǎo)向系統(tǒng)盾構(gòu)姿態(tài)值和人工檢測的盾構(gòu)姿態(tài)值，差值控制在±5mm之內(nèi)，如超過±5mm需進行盾構(gòu)機的參數(shù)調(diào)整。第四部分盾構(gòu)姿態(tài)人工復(fù)測第五部分在盾構(gòu)施工中應(yīng)注意事項第五部分在盾構(gòu)施工中應(yīng)注意事項1、在掘進始發(fā)前進行盾構(gòu)機人工姿態(tài)測量,注意觀測參考點的均勻分布、足數(shù)和有可能含粗差點的判定和剔除,以便精確解算盾構(gòu)機初始姿態(tài)參數(shù),保證激光導(dǎo)向系統(tǒng)正確初始化。2、向系統(tǒng)正確錄入隧道中心三維坐標。3、提高地下支導(dǎo)線的精度。4、隨隧道掘進、環(huán)片拼裝進度，及時對激光全站儀進行移站。5、每月進行一次盾構(gòu)機人工姿態(tài)測量，以檢核、修正激光導(dǎo)向系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)。第六部分VMT導(dǎo)向系統(tǒng)中遇到的幾個問題及解決方法第六部分VMT導(dǎo)向系統(tǒng)中遇到的幾個問題及解決方法1、儀器不照準激光靶(照準BT靶不照準激光靶)

解決方法：（1）、點管理里面的TCA、BT坐標全部刪除,特別是屬性要刪除,然后重新輸入。（2）、看一下系統(tǒng)編輯器里面的TBM的里程改變沒有。（3）、可以把儀器CF卡格式化2、SLS-S