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)原理摘要：以德國(guó)VMT公司的單圓盾構(gòu)機(jī)為例，介紹盾構(gòu)機(jī)和激光導(dǎo)向 系統(tǒng)的組成，探討激光導(dǎo)向系統(tǒng)的工作原理。重點(diǎn)揭示激光導(dǎo)向系統(tǒng) 的測(cè)繪學(xué)原理。總結(jié)提高激光導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量精度應(yīng)采取的措施。關(guān)鍵詞：隧道施工；盾構(gòu)機(jī);地鐵;控制測(cè)量；導(dǎo)向系統(tǒng)；姿態(tài)解算; 修正曲線0引言：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。全面理解激光導(dǎo)向系統(tǒng)的原理，有助于工程

2、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(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)研制工作的開展。1盾構(gòu)機(jī)和激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成1.1盾構(gòu)機(jī)的組成盾構(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(guó)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。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(yùn)用測(cè)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

3、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(cè)設(shè)備)和黃盒子(信 號(hào)傳輸和供電裝置)；激光接收靶(ELSTarget,內(nèi)置光柵和兩把豎向測(cè) 角儀)、棱鏡(ELSPrism)和定向點(diǎn)(ReferenceTarget);盾構(gòu)機(jī)主控室 (TBMControlCabin):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(zhǎng)量測(cè)量(ExtensionMeasurement)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。2激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量在盾構(gòu)施工中的地

4、位和作用地鐵盾構(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(cè)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：在顯示面板上動(dòng)態(tài)顯示盾構(gòu)機(jī)軸線相對(duì)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)。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。（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)。（4 ）和地面電腦相連，對(duì)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。從盾構(gòu)施工基本過程（圖3）可以看出,激

5、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(cè)定。其 次必須使用人工測(cè)量的方法，對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)初值進(jìn)行精確測(cè)定，以便 于對(duì)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(cè)量?jī)x初值等）進(jìn)行配置。盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)是指盾構(gòu)機(jī)前端刀盤中心（以下簡(jiǎn)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(cè)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(cè)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(cè)量”。盾構(gòu)機(jī)控制

6、測(cè)量的另一個(gè)作用是：在盾構(gòu) 機(jī)掘進(jìn)過程的間隙,對(duì)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(duì)激光導(dǎo)向系統(tǒng)中有關(guān)配置參數(shù)進(jìn)行校正。3盾構(gòu)機(jī)激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理：3.1盾構(gòu)機(jī)激光導(dǎo)向系統(tǒng)涉及的坐標(biāo)系為了闡明激光導(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）:（1）地面直角坐標(biāo)系（O-XYZ）:簡(jiǎn)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(cè)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。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

7、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(duì)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(cè)定并給出。棱鏡中心坐標(biāo)系(P-xyz):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。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。3.2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#39;,yF,zF):水平角A; 傾角;旋轉(zhuǎn)角。如圖4所示。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

8、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(duì)于水平位置旋轉(zhuǎn)的角度。3.3激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理和工作過程激光導(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。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(cè)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

9、安裝在標(biāo)靶中相互垂直兩 立面內(nèi)的兩把測(cè)角儀測(cè)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(duì) 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(zhǎng)量。如此反復(fù)，指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。該導(dǎo)向過程包括如下6個(gè)步驟。3.3.1棱鏡P點(diǎn)坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)的獲取：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(cè)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 。則

10、系統(tǒng)獲取盾構(gòu)機(jī)方位角為A=A0-(見圖5)。豎向 傾角和旋角:依靠ELS中的兩只相互垂直的測(cè)角儀測(cè) 得。本文規(guī)定A順時(shí)針旋為正,、逆時(shí)針旋為正。3.3.2刀頭、盾尾中心的地面坐標(biāo)系三維坐標(biāo)解算：1)將盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為棱鏡中心坐標(biāo)：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)。2)刀頭、盾尾中心地面坐標(biāo)解算:刀頭中心在地面坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)為3.3.3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：根據(jù)解出的刀

11、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(duì)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）。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）。3.3.4擬合修正曲線：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

12、 （擬合方式和算法有待進(jìn)一步研究）。可人工輸入修正曲線的曲率半徑 等參數(shù)，以控制盾構(gòu)機(jī)回到設(shè)計(jì)軸線的速度。3.3.5推進(jìn)：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(zhǎng)量。3.3.6重復(fù)1至5步。從以上分析可以發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)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(duì) 應(yīng)理論隧道軸線坐標(biāo)偏差，擬合修正曲線。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個(gè)

13、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)。建模方法和解算步驟限于篇幅，不再討論。5影響激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量精度的因素從以上分析可知,激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)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(cè)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

14、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(cè)量對(duì)激光導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行 參數(shù)配置和校核的原因。不論是激光導(dǎo)向系統(tǒng)，還是盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量，原始依據(jù)都是用支導(dǎo) 線形式獲得的測(cè)站坐標(biāo)和定向點(diǎn)（后視）坐標(biāo)。對(duì)于前者，三個(gè)轉(zhuǎn)角的 精度取決于光柵和測(cè)角儀的靈敏程度，其誤差相對(duì)于測(cè)站誤差和定向 誤差微乎其微。對(duì)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(cè)定，誤差亦可忽略。因此，激光導(dǎo)向和盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量的誤差主要 集中在測(cè)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(duì)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(cè)量測(cè)角均產(chǎn)生誤差。6結(jié)論在盾構(gòu)施工中，采取以下措施,可提高激光導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)量精度：在掘進(jìn)始發(fā)前進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量時(shí)，注意觀測(cè)參考點(diǎn)的均勻 分布、足數(shù)和有可能含粗差點(diǎn)的判