盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)向系的應(yīng)用及調(diào)試論討

盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的應(yīng)用及調(diào)試作者：李懂懂1概述

隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展,我國(guó)在各大城市都開(kāi)展了地鐵建設(shè),為了滿足盾構(gòu)掘進(jìn)按設(shè)計(jì)要求貫通(貫通誤差必須小于±50mm),必須研究每一步測(cè)量工作所帶來(lái)的誤差,包括地面控制測(cè)量,豎井聯(lián)系測(cè)量,地下導(dǎo)線測(cè)量,盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)定位測(cè)量四個(gè)階段。2、適用范圍適用于盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)地鐵隧道施工。3、自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的主要作用現(xiàn)在的盾構(gòu)機(jī)都裝備有先進(jìn)的自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)中由于地層阻力、刀盤(pán)掘削反力及推進(jìn)千斤頂作用力不均等原因，使盾構(gòu)機(jī)偏離設(shè)計(jì)軸線。自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)主要有以下作用：（1）可以通過(guò)隧道設(shè)計(jì)的幾何元素計(jì)算出隧道的理論軸線。（2）通過(guò)側(cè)傾儀器測(cè)量盾構(gòu)機(jī)的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角并予以顯示。（3）在顯示器上實(shí)時(shí)以圖形直觀顯示盾構(gòu)機(jī)軸線相對(duì)于隧道設(shè)計(jì)軸線的偏差，便于盾構(gòu)操作人員根據(jù)偏差隨時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)的姿態(tài)，使盾構(gòu)軸線逼近隧道設(shè)計(jì)軸線。（4）通過(guò)調(diào)制解調(diào)器和電話線與地面監(jiān)控室建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，將盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控室，便與工程管理人員實(shí)時(shí)監(jiān)控盾構(gòu)的掘進(jìn)情況，查閱各環(huán)的掘進(jìn)資料、測(cè)量資料及其他資料。4、自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的基本原理地鐵隧道貫通測(cè)量中的地下控制導(dǎo)線是一條支導(dǎo)線,它指示著盾構(gòu)的推進(jìn)方向,導(dǎo)線點(diǎn)隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)延伸,導(dǎo)線點(diǎn)通常建立在管片的側(cè)面儀器臺(tái)上和右上側(cè)內(nèi)外架式的吊籃上,儀器采用強(qiáng)制歸心,為了提高地下導(dǎo)線點(diǎn)的精度,應(yīng)盡量減少支導(dǎo)線點(diǎn),拉長(zhǎng)兩導(dǎo)線點(diǎn)的距離(但又不能無(wú)限制的拉長(zhǎng)),并盡可能布設(shè)近乎直伸的導(dǎo)線。一般兩導(dǎo)線點(diǎn)的間距宜控制在150m左右。自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的姿態(tài)定位主要是依據(jù)地下控制導(dǎo)線點(diǎn)來(lái)精確確定盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的方向和位置。在掘進(jìn)中盾構(gòu)機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)是如何定位的呢?它主要是根據(jù)地下控制導(dǎo)線上一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)(即X、Y、Z)來(lái)確定的,這個(gè)點(diǎn)就是帶有激光器的全站儀的位置,然后全站儀將依照作為后視方向的另一個(gè)地下導(dǎo)線的控制點(diǎn)來(lái)定向,這樣就確定了北方向,即方位角。再利用全站儀自動(dòng)測(cè)出的測(cè)站與三個(gè)TGT棱鏡之間的距離和方位角（一般設(shè)置三個(gè)，其中一個(gè)備用）,根據(jù)預(yù)先測(cè)定棱鏡與盾構(gòu)機(jī)切口和盾尾的相對(duì)位置關(guān)系以及盾構(gòu)機(jī)的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角推算出切口和盾尾的絕對(duì)坐標(biāo)。然后將切口和盾尾的絕對(duì)坐標(biāo)與設(shè)計(jì)軸線相比較得出盾構(gòu)的偏離情況，即水平偏差和垂直偏差。就可以知道TGT棱鏡的平面坐標(biāo)(即X、Y),利用三角高程測(cè)出TGT棱鏡的高程值(即Z)。激光束射向TGT,TGT就可以測(cè)定激光相對(duì)于TGT平面的偏角。在TGT入射點(diǎn)之間測(cè)得的折射角及入射角用于測(cè)定盾構(gòu)機(jī)相對(duì)于隧道設(shè)計(jì)軸線(DTA)的偏角。坡度和旋轉(zhuǎn)直接用安裝在盾構(gòu)機(jī)前頭內(nèi)的傾斜儀測(cè)量。這個(gè)數(shù)據(jù)大約每三秒鐘更新一次傳輸至控制用的計(jì)算機(jī)。通過(guò)全站儀測(cè)出的與TGT之間的距離可以提供沿著DTA掘進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)的里程長(zhǎng)度。所有測(cè)得的數(shù)據(jù)由無(wú)線發(fā)射盒發(fā)送至無(wú)線接收盒在由無(wú)線接收盒通過(guò)通信電纜傳輸至計(jì)算機(jī),通過(guò)軟件組合起來(lái)用于計(jì)算盾構(gòu)機(jī)軸線上前、后、及鉸接三個(gè)參考點(diǎn)的精確的空間位置,并與隧道設(shè)計(jì)軸線(DTA)比較,得出的偏差值顯示在屏幕上,這就是盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài),在推進(jìn)時(shí)只要控制好姿態(tài),盾構(gòu)機(jī)就能精確地沿著隧道設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn),保證隧道能順利準(zhǔn)確的貫通。圖3.1自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)基本操作頁(yè)面示意圖5、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)位置的檢測(cè)和計(jì)算

在隧道推進(jìn)的過(guò)程中,必須獨(dú)立于ENZAN系統(tǒng)定期對(duì)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)和位置進(jìn)行檢查。間隔時(shí)間取決于隧道的具體情況,在有嚴(yán)重的光折射效應(yīng)的隧道中,每次檢查之間的間隔時(shí)間應(yīng)該比較短。這主要是由于空氣溫度差別很大的效應(yīng)。論述折射及其效應(yīng)的題目有大量的文獻(xiàn)資料,此處不再詳述。在隧道測(cè)量時(shí)必須始終考慮這一效應(yīng)。低估這個(gè)問(wèn)題可能會(huì)引起嚴(yán)重的困難,尤其在長(zhǎng)隧道中。

我們采用貼設(shè)反光片法來(lái)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行檢查,在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)TGT1、TGT2和TGT3棱鏡旁貼設(shè)反光片并應(yīng)貼設(shè)牢固,在盾構(gòu)始發(fā)前應(yīng)多次測(cè)設(shè)反光片與盾構(gòu)機(jī)軸線三維坐標(biāo),它們相對(duì)于盾構(gòu)機(jī)的軸線有一定的參數(shù)關(guān)系,即它們與盾構(gòu)機(jī)的軸線構(gòu)成局部坐標(biāo)系。測(cè)量時(shí)只需要測(cè)出三個(gè)反光片位置現(xiàn)在這些參考點(diǎn)的測(cè)量可以達(dá)到毫米的精度。已知的坐標(biāo)和測(cè)得的坐標(biāo)經(jīng)過(guò)三維轉(zhuǎn)換,與設(shè)計(jì)坐標(biāo)比較,就可以計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)和位置參數(shù)等。6、自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的組成及功能自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)主要由以下4個(gè)部分組成：圖表SEQ圖表\*ARABIC1圖4.1自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)總體組成示意圖（1）具有自動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo)功能的全自動(dòng)馬達(dá)全站儀，主要用于測(cè)量角度（水平角、垂直角）、距離和發(fā)射激光。圖4.2萊卡全自動(dòng)馬達(dá)全站儀（2）高精度圓棱鏡，主要用于接收、反射激光信號(hào)。圖4.3前視目標(biāo)棱鏡圖4.4后視棱鏡（3）計(jì)算機(jī)和隧道掘進(jìn)軟件，軟件是自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的核心，它從全站儀等通信設(shè)備接收數(shù)據(jù)，并通過(guò)軟件計(jì)算，把數(shù)據(jù)以數(shù)字和圖形的形式顯示在計(jì)算機(jī)上。圖4.5計(jì)算機(jī)軟件測(cè)量數(shù)據(jù)顯示（4）通信電源箱，供給全站儀電源，保證全站儀和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信。7、自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)調(diào)試方法在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前要對(duì)導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。始發(fā)前根據(jù)控制網(wǎng)人工測(cè)量出切口中心、盾尾中心、鉸接中心、全站儀站點(diǎn)、后視點(diǎn)絕對(duì)坐標(biāo)以及盾構(gòu)機(jī)俯仰角、回轉(zhuǎn)角。將全站儀站點(diǎn)、后視點(diǎn)的三維坐標(biāo)輸入到計(jì)算機(jī)，機(jī)械校正盾構(gòu)機(jī)俯仰角（頭高為正）、回轉(zhuǎn)角（順時(shí)為正）。通過(guò)全站儀自動(dòng)測(cè)量盾構(gòu)機(jī)三個(gè)目標(biāo)棱鏡的絕對(duì)坐標(biāo)。進(jìn)入TargetCalc.exe程序，登錄全站儀自動(dòng)測(cè)量的三個(gè)目標(biāo)棱鏡、人工測(cè)量的切口中心、盾尾中心、鉸接中心絕對(duì)坐標(biāo)以及俯仰角、滾轉(zhuǎn)角。程序會(huì)生成三個(gè)棱鏡以切口中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立的相對(duì)坐標(biāo)系的坐標(biāo)。圖4.6TargetCalc數(shù)據(jù)輸入其中平移長(zhǎng)度請(qǐng)輸入0即可，都輸入完成后單擊計(jì)算（俯仰角和滾轉(zhuǎn)角須確認(rèn)和盾構(gòu)機(jī)上的已經(jīng)調(diào)試到一樣）。則棱鏡幾何坐標(biāo)會(huì)出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果，接著將結(jié)果輸?shù)綔y(cè)量系統(tǒng)的棱鏡設(shè)定畫(huà)面中，進(jìn)行目標(biāo)間確認(rèn)，保證三個(gè)目標(biāo)棱鏡的相對(duì)誤差小于10mm。圖4.7目標(biāo)棱鏡幾何坐標(biāo)設(shè)定將設(shè)計(jì)軸線坐標(biāo)文件拷貝到測(cè)量文件目錄下，系統(tǒng)將會(huì)在線形圖表里顯示設(shè)計(jì)軸線圖形（平、縱斷面圖）。圖4.8線形計(jì)劃設(shè)定（設(shè)計(jì)三維坐標(biāo)）調(diào)試完成后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行ROBOTEC測(cè)量操作，即可顯示盾構(gòu)機(jī)軸線相對(duì)隧道理論軸線的位置關(guān)系。8、自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)換站步驟地鐵隧道自動(dòng)測(cè)量是一條支導(dǎo)線，它指示著盾構(gòu)的推進(jìn)方向，隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)延伸，全站儀也要向前換站，保證全站儀和目標(biāo)棱鏡的通視。首先要記錄換站前盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)坐標(biāo)，在一號(hào)臺(tái)車附近選定一環(huán)管片安裝放置新站點(diǎn)的吊籃，在吊籃上放置換站棱鏡，新站點(diǎn)必須保持與全站儀通視。通過(guò)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的換站系統(tǒng)測(cè)定換站棱鏡的坐標(biāo)，首先打開(kāi)基本操作進(jìn)行后視點(diǎn)復(fù)位后視點(diǎn)確認(rèn)在右下角顯示后視點(diǎn)偏差10mm以內(nèi)則可用否則不可用，然后打開(kāi)基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)定，點(diǎn)擊測(cè)量頁(yè)面在右側(cè)輸入站點(diǎn)新命名點(diǎn)號(hào)在點(diǎn)擊下方‘測(cè)量’則自動(dòng)全站儀會(huì)自動(dòng)測(cè)量出新站點(diǎn)三維坐標(biāo)已于顯示下方在下方點(diǎn)擊‘追加’則新點(diǎn)則自動(dòng)保存于基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)定里，然后將全站儀搬至新吊籃上，后視點(diǎn)搬至原站點(diǎn)吊籃上?；謴?fù)全站儀通信電源然后在基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)定把新站點(diǎn)坐標(biāo)登錄為測(cè)站原來(lái)的站點(diǎn)登錄為后視點(diǎn)點(diǎn)擊保存，然后關(guān)閉基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)定打開(kāi)基本操作點(diǎn)擊電源打開(kāi)當(dāng)出現(xiàn)On變成綠色則電源打開(kāi)，然后點(diǎn)擊后視點(diǎn)復(fù)位，后視點(diǎn)確認(rèn)當(dāng)復(fù)位后右下角顯示偏差10mm之內(nèi)則新站點(diǎn)可用繼續(xù)掘進(jìn)當(dāng)顯示很大則不可用需重新測(cè)量，反復(fù)換站操作直至整條隧道貫通。9、自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)由于地鐵隧道施工的復(fù)雜環(huán)境，為保證測(cè)量系統(tǒng)的安全和高精度性能，技術(shù)人員應(yīng)在施工過(guò)程中做好自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的日常維護(hù)保養(yǎng)工作：（1）自動(dòng)全站儀在使用前須經(jīng)正規(guī)部門(mén)檢定合格，棱鏡自檢合格。（2）隧道內(nèi)管片上設(shè)置的吊籃須安裝牢固穩(wěn)定。（3）掘進(jìn)過(guò)程中,定期檢查系統(tǒng)連接線并理順?lè)胖煤?。?）系統(tǒng)換站過(guò)程中，儀器須裝箱搬站。（5）定期對(duì)全站儀和棱鏡進(jìn)行自檢和保養(yǎng)。（6）禁止非測(cè)量技術(shù)人員觸動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。10、檢查故障原因1.電纜中斷，受到擠壓或損壞。2.插頭或插座落入水中，油或泥中，一致發(fā)生短路。3.PC的插頭處松動(dòng)。4.插頭連接裝置處松動(dòng)。5.數(shù)據(jù)線非法連接。6.電子噪音或有故障的接口電源打不開(kāi)或出現(xiàn)按鍵不動(dòng)現(xiàn)象。7.必須的裝置未接入或未打開(kāi)。8.由于不小心將‘傳輸’和‘接收’線接通。9.必須保證激光站全站儀與后視棱鏡和前視三個(gè)激光棱鏡的光線不收任何阻擋。10.激光強(qiáng)度太弱。11.全站儀與棱鏡之間的距離太遠(yuǎn)。12.激光束未射到棱鏡上。13.不正確的水平參照方向(方位)激光器未被正確調(diào)整或未方平全站儀。14.站點(diǎn)和/或后視參照點(diǎn)的坐標(biāo)不正確。15.定位不正確。16.在隧道內(nèi)部由于反光作用導(dǎo)致距離測(cè)量結(jié)果不對(duì)。17.系統(tǒng)參數(shù)錯(cuò)誤。18．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)中輸入了不正確的DTA（隧道設(shè)計(jì)軸線）解決措施建議1檢查電源包皮是否有明顯的受損如被碰撞或擠壓。如有任何的損壞應(yīng)迅速切斷電源，通過(guò)焊接1：1的導(dǎo)線并經(jīng)過(guò)小心的隔離并進(jìn)行修復(fù)。這種修改需要有經(jīng)驗(yàn)的電工或電腦技術(shù)人員來(lái)完成。如有足夠備用導(dǎo)線，最好全部更換，更換下來(lái)的以作備用線。建議2.3.4首先檢查插頭及插座與儀器的連接是否得當(dāng)，插頭與插座中是否有水浸入，當(dāng)發(fā)現(xiàn)插頭松動(dòng)時(shí)，把插頭正確的插入相應(yīng)的插座里。如果有水進(jìn)入插頭或插座里，需打開(kāi)插頭或插座，曬干或進(jìn)行全面的修復(fù)。建議5是否串行通訊口應(yīng)當(dāng)檢查潛在的錯(cuò)誤連接。建議6關(guān)閉所有的應(yīng)用程序，關(guān)閉電腦，關(guān)下中央控制箱里的兩個(gè)空氣開(kāi)關(guān)，等待30秒后，重新推上開(kāi)光重新啟動(dòng)電腦，重新打開(kāi)需要的應(yīng)用程序。建議7需要的裝置未打開(kāi)。建議8通過(guò)一個(gè)短插頭對(duì)接口進(jìn)行最終檢查。如果至少有一個(gè)工作部正常，需用相同的類型多接口板代替原來(lái)的多接口板。建議9清楚障礙物（當(dāng)激光處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，不要通過(guò)全站儀的目鏡往里