雙護盾全斷面掘進機激光導向系統(tǒng)的應用

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　20世紀70年代以來，掘進機施工技術有了新的飛躍。伴隨著激光、計算機以及自動控制等技術的發(fā)展成熟，激光導向系統(tǒng)在掘進機中逐漸得到成功運用、發(fā)展和完善。激光導向系統(tǒng)使得掘進機施工極大地提高了準確性、可靠性和自動化程度，從而被廣泛應用于鐵路、公路、水利工程等專業(yè)領域。

　　全面理解激光導向系統(tǒng)的原理，有助于工程技術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，有助于國產掘進機研制工作的開展。

　　1　掘進機和激光導向系統(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、后配套設備、電氣設備、數據采集系統(tǒng)、SLS-T激光導向系統(tǒng)及其他輔助設備組成。

　　1.2激光導向系統(tǒng)的組成

　　激光導向系統(tǒng)是綜合運用測繪技術、激光傳感技術、計算機技術以及機械電子等技術指導掘進機隧道施工的有機體系。隧道掘進激光導向系統(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向系統(tǒng)電腦。

　　2　激光導向系統(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計軸線的準確位置，這樣在掘進機掘進時，操作者就可以依此來調整掘進機掘進的姿態(tài)，使掘進機的軸線接近隧道的設計軸線，這樣掘進機軸線和隧道設計軸線之間的偏差就可以始終保持在一個很小的數值范圍內。

　　2）推進一環(huán)結束后，隧道掘進激光導向系統(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。

　　3）可以提供完整的各環(huán)掘進姿態(tài)及其他相關資料的檔案資料。

　　4）可以通過標準的隧道設計幾何元素計算出隧道的理論軸線。

　　5）可以通過調制解調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），激光導向系統(tǒng)不能夠獨立完成導向任務，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，對掘進機姿態(tài)初值進行精確測定，以便于對激光導向系統(tǒng)中有關初始參數進行設置。

　　掘進機姿態(tài)是指掘進機前端刀盤中心（以下簡稱“刀頭”）三維坐標和掘進機筒體中心軸線在三個相互垂直平面內的轉角等參數。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，對激光導向系統(tǒng)采集的掘進機姿態(tài)參數進行檢核，對激光導向系統(tǒng)中有關配置參數進行校正。

　　3　激光導向坐標系統(tǒng)

　　1）地面直角坐標系：簡稱地面坐標系，根據隧道中線設計而定，一般為地方坐標系。洞內（外）控制點、測站點、后視點以及隧道中線坐標，DTA的數據、激光站支架坐標數據等均用該坐標系表示。

　　2）掘進機坐標系：在掘進機水平放置且未發(fā)生旋轉的情況下，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軸，z軸構成左手系。掘進機坐標系是連同掘進機一起運動的獨立直角坐標系。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系表示，這些坐標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前后基準點的偏離值與里程。

　　4　激光導向系統(tǒng)原理

　　激光導向系統(tǒng)在隧洞施工中有指導隧道掘進、指導環(huán)片安裝、數據采集等多種功能，其中指導掘進是核心功能。在地面坐標系統(tǒng)確定一個點（X，Y，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，同時激光光束被導向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內部的傾斜計來確定，大約每秒兩次，ELS將數據傳向主控計算機。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。匯總測量的數據以便對確定TBM在地面坐標系統(tǒng)中的精確位置，通過隧道軸線上的兩個基準點來顯示TBM的位置。利用以上參數及刀頭、盾尾、棱鏡中心三者的幾何關系，通過空間坐標變換解算刀頭、盾尾中心坐標，結合設計隧道中線參數計算掘進機與隧道中線的相對偏差。依據各偏差值擬合改正曲線，由PLC根據修正曲線控制機械裝置，調整各油缸桿在不同時刻的伸長量。如此反復，指導掘進機掘進。

　　5　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)，經過TBM切向返回設計軸線。在TBM沿糾偏曲線掘進的基礎上計算出來的油缸的理想行程被傳到TBM計算機，計算機把這些數據轉化為取得所需行程所需的壓力。通過這些數據可對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。為保證不出現(xiàn)任何錯誤，移動過程中會自動進行監(jiān)測。

　　6　影響激光導向系統(tǒng)和掘進機控制測量精度的因素

　　在激光導向系統(tǒng)和掘進機控制測量中，掘進機姿態(tài)解算的方法有本質區(qū)別：激光導向系統(tǒng)，通過直接采集1個參考點地面坐標和3個轉角參數，正解刀頭、盾尾地面坐標；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，反解刀頭、盾尾地面坐標和3個轉角參數。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向系統(tǒng)進行參數配置和校核的原因。不論是激光導向系統(tǒng)，還是掘進機控制測量，原始依據都是用支導線形式獲得的測站坐標和定向點（后視）坐標。對于前者，3個轉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由于在出廠前精確測定，誤差可忽略。因此，激光導向和掘進機控制測量的誤差主要集中在測站點三維坐標和后視方向上。

　　7　激光導向系統(tǒng)的應用在隧洞掘進中的優(yōu)點

　　1）體現(xiàn)了激光導向系統(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)。

　　2）極大地提高了隧洞掘進的準確性。通過激光導向系統(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。

　　3）體現(xiàn)了激光導向系統(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，標定出隧洞掌子面的輪廓線以及中線。而應用激光導向系統(tǒng)能夠自動測量，指導VMT沿理論軸線掘進，各種數據可以通過計算機系統(tǒng)進行存儲。

　　8　結語

　　在隧洞施工中，采取以下措施可提高激光導向系統(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，保證激光導向系統(tǒng)正確初始化。

　　2）向系統(tǒng)正確錄入隧道平曲線、豎曲線參數。

　　3）提高地下基本導線的精度，并及時對激光全站儀設站點、定向點坐標進行人工檢測，及時校正。

　　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，以減少外界溫、濕度等氣象條件的影響。一般激光全站儀到掘進機上棱鏡最遠距離，在直線段不應超過200m，在曲線段不應超過100m。