|
20世紀(jì)70年代以來，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)有了新的飛躍。伴隨著激光、計(jì)算機(jī)以及自動(dòng)控制等技術(shù)的發(fā)展成熟，激光導(dǎo)向系統(tǒng)在盾構(gòu)機(jī)中逐漸得到成功運(yùn)用、發(fā)展和完善。激光導(dǎo)向系統(tǒng)，使得盾構(gòu)法施工極大地提高了準(zhǔn)確性、可靠性和自動(dòng)化程度，從而被廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、市政、油氣等專業(yè)領(lǐng)域。
5 I9 W7 M' a& ~$ b+ O 全面理解激光導(dǎo)向系統(tǒng)的原理，有助于工程技術(shù)人員在地鐵的盾構(gòu)施工中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，保證隧道的正確掘進(jìn)和最后貫通；有助于國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)研制工作的開展。
+ Q& v' t- b+ {3 `0 F1 盾構(gòu)機(jī)和激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成
# B" K' z8 q% @! M+ t8 f1.1 盾構(gòu)機(jī)的組成 2 ^9 i. \" j; ^ o1 q" E$ }% u
盾構(gòu)機(jī)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壓式；按形狀劃分，除典型的矩形、單圓筒形外，近年來又出現(xiàn)了雙圓、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(jī)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(jī)、排土機(jī)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。 $ r' C' _; c2 f
1.2 激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成
/ c# ]9 b, X& `& V, x 激光導(dǎo)向系統(tǒng)是綜合運(yùn)用測繪技術(shù)、激光傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及機(jī)械電子等技術(shù)指導(dǎo)盾構(gòu)隧道施工的有機(jī)體系。其組成(見圖1：激光全站儀（激光發(fā)射源和角度、距離及坐標(biāo)量測設(shè)備）和黃盒子（信號(hào)傳輸和供電裝置）；激光接收靶（ELS Target，內(nèi)置光柵和兩把豎向測角儀）、棱鏡（ELS Prism）和定向點(diǎn)（Reference Target）；盾構(gòu)機(jī)主控室（TBM Control Cabin）：由程控計(jì)算機(jī)（預(yù)裝隧道掘進(jìn)軟件，具有顯示和操作面板）、控制盒、網(wǎng)絡(luò)傳輸Modem和可編程邏輯控制器（PLC）四部分組成；油缸桿伸長量測量（Extension Measurement）裝置等。其中，隧道掘進(jìn)軟件是盾構(gòu)機(jī)激光導(dǎo)向系統(tǒng)的核心。
) n8 Z# k: ]: l( t
3 K8 i$ ^3 b& t$ B2 激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機(jī)控制測量在盾構(gòu)施工中的地位和作用
# k9 b+ f: J+ v% Z' L! S 地鐵盾構(gòu)法施工過程如圖3所示。在隧道掘進(jìn)模式下，激光導(dǎo)向系統(tǒng)是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測和調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)狀態(tài)，保持盾構(gòu)機(jī)沿設(shè)計(jì)隧道軸線前進(jìn)的工具之一。在整個(gè)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：
( T' N+ X/ N- {) v(1)在顯示面板上動(dòng)態(tài)顯示盾構(gòu)機(jī)軸線相對于隧道設(shè)計(jì)軸線的準(zhǔn)確位置，報(bào)告掘進(jìn)狀態(tài)（見圖2）；并在一定模式下，自動(dòng)調(diào)整或指導(dǎo)操作者人工調(diào)整盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的姿態(tài)，使盾構(gòu)機(jī)沿接近隧道設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)。
(2)獲取各環(huán)掘進(jìn)姿態(tài)及最前端已裝環(huán)片狀態(tài)，指導(dǎo)環(huán)片安裝。
/ H+ T4 q! w& c/ \7 `9 i) z(3)通過標(biāo)準(zhǔn)的隧道設(shè)計(jì)幾何元素自動(dòng)計(jì)算隧道的理論軸線坐標(biāo)。
9 r. I, w. D9 X& B2 K6 D x/ U(4)和地面電腦相連，對盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。
5 K/ B5 G+ g, ^) [0 }" I8 ~ u, e2 H9 C2 x! Y) y! J' H0 y
從盾構(gòu)施工基本過程（圖3）可以看出，激光導(dǎo)向系統(tǒng)不能夠獨(dú)立完成導(dǎo)向任務(wù)，在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)、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(diǎn)及其定向點(diǎn)坐標(biāo)，需用人工測定。其次必須使用人工測量的方法，對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)初值進(jìn)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(biāo)靶上棱鏡的坐標(biāo)，內(nèi)部的光柵初始位置及兩豎角測量儀初值等）進(jìn)行配置。
# B8 u7 q/ Y* J5 _5 X 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)是指盾構(gòu)機(jī)前端刀盤中心（以下簡稱“刀頭”）三維坐標(biāo)和盾構(gòu)機(jī)筒體中心軸線在三個(gè)相互垂直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角等參數(shù)。盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)除了可以通過人工測量、單獨(dú)解算方式獲得外，還可以由導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)時(shí)、自動(dòng)地獲取。用人工測量方式獲得盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的過程，被稱作“盾構(gòu)機(jī)控制測量”。盾構(gòu)機(jī)控制測量的另一個(gè)作用是：在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程的間隙，對激光導(dǎo)向系統(tǒng)采集的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢核，對激光導(dǎo)向系統(tǒng)中有關(guān)配置參數(shù)進(jìn)行校正。
2 E; b F" h* i( M6 Q9 k( N+ [( _# Z3 盾構(gòu)機(jī)激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理： , [0 z- C0 o* ~" a' a
3.1盾構(gòu)機(jī)激光導(dǎo)向系統(tǒng)涉及的坐標(biāo)系
8 l \- |' d3 ]" J 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(jī)及隧道有關(guān)的坐標(biāo)系（見圖4）：
6 S. ~: y% O8 n2 r (1) 地面直角坐標(biāo)系（O-XYZ）：簡稱地面坐標(biāo)系，根據(jù)隧道中線設(shè)計(jì)而定，一般為地方坐標(biāo)系。洞內(nèi)(外)控制點(diǎn)、測站點(diǎn)、后視點(diǎn)以及隧道中線坐標(biāo)，均用該系坐標(biāo)表示。 " O& {5 c$ j6 `! H
(2) 盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)系（F-xyz）：在盾構(gòu)機(jī)水平放置且未發(fā)生旋轉(zhuǎn)的情況下，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。盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)系是連同盾構(gòu)機(jī)一起運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立直角坐標(biāo)系。盾構(gòu)機(jī)尾部中心參考點(diǎn)、盾構(gòu)機(jī)棱鏡等相對盾構(gòu)機(jī)的位置都以此系坐標(biāo)表示，這些坐標(biāo)由盾構(gòu)機(jī)制造商測定并給出 。
0 j* l& f& o/ g5 n( d; V (3) 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。 6 y1 M2 p* Z q: R& m: D- y
除此之外，為了解算還引入了其他一些空間輔助坐標(biāo)系，從略。 + c4 ?0 w) m& X
, g% \, H8 s1 _# W& [4 [( k3.2描述盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的要素
& U) `8 Y2 K9 I2 C 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。如圖4所示。
& h0 q& a7 ^( B; e& y 由盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)及設(shè)計(jì)隧道中線，可推算如下數(shù)據(jù)：刀頭里程：刀頭、盾尾三維偏差；平面偏角（Yaw）：盾構(gòu)機(jī)中心軸線和設(shè)計(jì)隧道中線在水平投影面的夾角；傾角（Pitch）：盾構(gòu)機(jī)中心軸線和設(shè)計(jì)隧道中線在縱向（線路前進(jìn)方向）豎直投影面的夾角；旋角（Roll）：盾構(gòu)機(jī)繞自身中心軸線相對于水平位置旋轉(zhuǎn)的角度。 & @1 ~/ J* R5 D) |& x, V' |
3.3激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理和工作過程
5 B5 r; h# i0 L* P 激光導(dǎo)向系統(tǒng)的英文本義是“盾構(gòu)指導(dǎo)系統(tǒng)”，在盾構(gòu)施工中有指導(dǎo)隧道掘進(jìn)、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(jìn)是核心功能。本文僅研究激光導(dǎo)向系統(tǒng)指導(dǎo)掘進(jìn)的原理。
2 Q! `0 }3 [8 p1 j% [ 在掘進(jìn)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(shí)時(shí)測定盾構(gòu)機(jī)棱鏡的三維地面坐標(biāo)；同時(shí)發(fā)射激光自動(dòng)照準(zhǔn)激光標(biāo)靶，并自動(dòng)記錄激光水平方位角；標(biāo)靶內(nèi)部光柵捕獲激光的入射角，間接得到盾構(gòu)機(jī)縱軸水平方位角；利用安裝在標(biāo)靶中相互垂直兩立面內(nèi)的兩把測角儀測得盾構(gòu)機(jī)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(biāo)變換解算刀頭、盾尾中心坐標(biāo)，結(jié)合設(shè)計(jì)隧道中線參數(shù)計(jì)算盾構(gòu)機(jī)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(jī)械裝置，調(diào)整各油缸桿在不同時(shí)刻的伸長量。如此反復(fù)，指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。 # |' X" g6 }4 B8 I
該導(dǎo)向過程包括如下6個(gè)步驟。
. T. |. j; Z. u, \ _3.3.1棱鏡P點(diǎn)坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)的獲取：
: A1 b: _4 `* f# A3 g0 y$ q: e P點(diǎn)坐標(biāo)(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(dòng)測量。盾構(gòu)機(jī)水平方位角：設(shè)自激光全站儀發(fā)射到激光標(biāo)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θ。則系統(tǒng)獲取盾構(gòu)機(jī)方位角為A=A0-θ(見圖5)。 豎向傾角α和旋角κ：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(shí)針旋為正，α、κ逆時(shí)針旋為正。
0 ^6 C f) c; N# h) v5 C7 Y# {5 c8 [' K$ z/ J8 }/ C+ ^
# ^. t! \. n6 }, @* C. E, z
3.3.2刀頭、盾尾中心的地面坐標(biāo)系三維坐標(biāo)解算： 2 H$ W# u# m$ y$ T- r
1）將盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為棱鏡中心坐標(biāo)：
: M$ ?" [8 f/ a 設(shè)刀頭中心F、盾尾中心B及棱鏡中心在盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)系 中的坐標(biāo)分別為（0,0,0）（xB,yB，zB）和（xP,yP,zP）則三點(diǎn)在棱鏡坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（-xP, -yP, -zP）、（xB -xP, yB -yP, zB -zP）和（0,0,0）。
; F' @( A) ]4 A8 J0 s$ s% c7 R2）刀頭、盾尾中心地面坐標(biāo)解算：
5 v8 r6 N: A7 S. ?$ d" C刀頭中心在地面坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)為
( S' }3 K9 f! g, ^: B
) e I3 D! G! k+ A& l
( N' K, e/ p8 C. h1 n- |3.3.3刀頭、盾尾里程及盾構(gòu)機(jī)與隧道中線相對偏差的解算：
. k8 T8 {+ K5 Y: d 根據(jù)解出的刀頭、盾尾地面坐標(biāo)和隧道中心軸線設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算刀頭、盾尾里程（難點(diǎn)是刀頭和盾尾位于隧道中線緩和曲線段的情形，解法可參考文獻(xiàn)[5]、[6]），以及刀頭、盾尾里程處設(shè)計(jì)隧道軸線平面坐標(biāo)和高程。進(jìn)而根據(jù)盾構(gòu)機(jī)刀頭、盾尾中心坐標(biāo)、高程和對應(yīng)的隧道中線理論坐標(biāo)、高程，容易計(jì)算得到刀頭、盾尾橫向偏移和豎向偏移（方法略）。 9 k5 J/ }. P" i% g
前面已經(jīng)提到，激光導(dǎo)向系統(tǒng)的顯示面板在掘進(jìn)模式下動(dòng)態(tài)顯示盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)及偏差。內(nèi)容包括：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)（見圖2）。
' p8 s( C$ h. X( j# y- H$ V3.3.4擬合修正曲線：
& l1 e% ^1 V: G( ] 以盾構(gòu)機(jī)橫向、豎向偏移量和設(shè)計(jì)隧道中線為參數(shù)，擬合修正曲線（擬合方式和算法有待進(jìn)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(jī)回到設(shè)計(jì)軸線的速度。 ! ]7 |1 F+ m1 q
3.3.5推進(jìn)： 6 R* R$ F# M u, H5 t5 }$ _, d
根據(jù)修正曲線由可編程邏輯控制器（PLC）控制機(jī)械設(shè)備，調(diào)整各油缸桿的伸長量。。
5 R% w6 f K4 q8 E7 _+ K3.3.6重復(fù)1至5步。
4 P/ a: v8 R+ Z9 _2 A 從以上分析可以發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的測繪學(xué)原理實(shí)質(zhì)是：已知兩坐標(biāo)系之間的3個(gè)平移參數(shù)和3個(gè)轉(zhuǎn)角參數(shù)，求解一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)的參考點(diǎn)在另一個(gè)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。進(jìn)一步比較該系內(nèi)盾構(gòu)機(jī)參考點(diǎn)和對應(yīng)理論隧道軸線坐標(biāo)偏差，擬合修正曲線。 ! A- q; ?' Y3 T* @0 ~
4 盾構(gòu)機(jī)控制測量
' L* I2 ^2 ^4 s* l# C" t E 盾構(gòu)機(jī)控制測量的原理是：通過人工測量盾構(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個(gè)可見)參考點(diǎn)的地面坐標(biāo)系坐標(biāo)，以著名的“Bursa-wolf模型”為基礎(chǔ)，建立盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)解算改進(jìn)模型，按最小二乘原理平差解算兩坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，即得盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)參數(shù)。 ; G* \6 z$ X" c9 y
建模方法和解算步驟限于篇幅，不再討論。
2 Y: C1 W! Q3 }; ?5 影響激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機(jī)控制測量精度的因素
% V( k# I) m9 Y$ I3 E 從以上分析可知，激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機(jī)控制測量中，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)解算的方法有本質(zhì)區(qū)別：激光導(dǎo)向系統(tǒng)，通過直接采集一個(gè)參考點(diǎn)（P）地面坐標(biāo)和三個(gè)轉(zhuǎn)角參數(shù)，正解刀頭、盾尾地面坐標(biāo)；盾構(gòu)機(jī)控制測量是通過采集多個(gè)(至少3個(gè))參考點(diǎn)地面坐標(biāo)，反解刀頭、盾尾地面坐標(biāo)和三個(gè)轉(zhuǎn)角參數(shù)。正解不含平差，反解運(yùn)用了最小二乘原理平差。因此，從理論上講，后者在盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)解算方面比前者更能有效地減少或消除偶然誤差。這也是采用盾構(gòu)機(jī)控制測量對激光導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)配置和校核的原因。 " a8 O/ Q6 F8 M1 l
不論是激光導(dǎo)向系統(tǒng),還是盾構(gòu)機(jī)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(diǎn)（后視）坐標(biāo)。對于前者，三個(gè)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(diǎn)的盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)，由于在出廠前精確測定，誤差亦可忽略。因此，激光導(dǎo)向和盾構(gòu)機(jī)控制測量的誤差主要集中在測站點(diǎn)三維坐標(biāo)和后視方向上。另外，由于隧道內(nèi)空氣溫、濕度條件對視線和激光都會(huì)產(chǎn)生折光影響，使得激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機(jī)控制測量測角均產(chǎn)生誤差。 x, ^- i9 D9 u0 K4 t& P/ ]
6 結(jié)論 8 Z9 x0 a( h& E/ {3 }
在盾構(gòu)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：
) D* U) w3 [' ` v% i# }. m (1) 在掘進(jìn)始發(fā)前進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)控制測量時(shí),注意觀測參考點(diǎn)的均勻分布、足數(shù)和有可能含粗差點(diǎn)的判定和剔除,以便精確解算盾構(gòu)機(jī)初始姿態(tài)參數(shù),保證激光導(dǎo)向系統(tǒng)正確初始化。 ; z7 J. B, _+ ?3 X2 A. S3 }
(2) 向系統(tǒng)正確錄入隧道平曲線、豎曲線參數(shù)。
& Q; A4 ~* \1 F/ b' ` (3) 提高地下支導(dǎo)線的精度 ，并及時(shí)對激光全站儀設(shè)站點(diǎn)、定向點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行人工檢測。 : v; O2 k1 _4 x1 E4 ~% P# Y
(4) 隨隧道掘進(jìn)、環(huán)片拼裝進(jìn)度，及時(shí)對激光全站儀進(jìn)行移站，以減少外界溫、濕度等氣象條件的影響。一般激光全站儀到盾構(gòu)機(jī)上棱鏡最遠(yuǎn)距離，在直線段不應(yīng)超過200m,在曲線段不應(yīng)超過100m。
* q( U: \- V, C$ d6 W1 l1 T% K (5) 隧道掘進(jìn)過程的間隙，及時(shí)進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)控制測量，以檢核、修正激光導(dǎo)向系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)。 | 
發(fā)表于 2007-9-7 16:53:54
QQ好友和群
QQ空間
