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20世紀70年代以來，盾構(gòu)掘進機施工技術(shù)有了新的飛躍。伴隨著激光、計算機以及自動控制等技術(shù)的發(fā)展成熟，激光導(dǎo)向系統(tǒng)在盾構(gòu)機中逐漸得到成功運用、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確性、可靠性和自動化程度，從而被廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、市政、油氣等專業(yè)領(lǐng)域。, D: C# G# t K- a* X
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(chǎn)盾構(gòu)機研制工作的開展。 - V, r1 a. H8 l; H5 ?2 {
1 盾構(gòu)機和激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成 # q! r6 O0 R; k/ {$ F
1.1 盾構(gòu)機的組成 6 @) E% a! N$ w* N8 k, t
盾構(gòu)機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、排土機構(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。
4 T5 S$ D: S+ O# l+ ]! g. X1.2 激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成 / u' h; W9 m ^
激光導(dǎo)向系統(tǒng)是綜合運用測繪技術(shù)、激光傳感技術(shù)、計算機技術(shù)以及機械電子等技術(shù)指導(dǎo)盾構(gòu)隧道施工的有機體系。其組成(見圖1：激光全站儀（激光發(fā)射源和角度、距離及坐標量測設(shè)備）和黃盒子（信號傳輸和供電裝置）；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（Reference Target）；盾構(gòu)機主控室（TBM Control Cabin）：由程控計算機（預(yù)裝隧道掘進軟件，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，隧道掘進軟件是盾構(gòu)機激光導(dǎo)向系統(tǒng)的核心。
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2 激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機控制測量在盾構(gòu)施工中的地位和作用
# l& A4 h5 P# W0 F( x4 E i3 w 地鐵盾構(gòu)法施工過程如圖3所示。在隧道掘進模式下，激光導(dǎo)向系統(tǒng)是實時動態(tài)監(jiān)測和調(diào)整盾構(gòu)機的掘進狀態(tài)，保持盾構(gòu)機沿設(shè)計隧道軸線前進的工具之一。在整個盾構(gòu)施工過程中，激光導(dǎo)向系統(tǒng)起著極其重要的作用： " D) s% |) ~6 g" @$ V
(1)在顯示面板上動態(tài)顯示盾構(gòu)機軸線相對于隧道設(shè)計軸線的準確位置，報告掘進狀態(tài)（見圖2）；并在一定模式下，自動調(diào)整或指導(dǎo)操作者人工調(diào)整盾構(gòu)機掘進的姿態(tài)，使盾構(gòu)機沿接近隧道設(shè)計軸線掘進。
(2)獲取各環(huán)掘進姿態(tài)及最前端已裝環(huán)片狀態(tài)，指導(dǎo)環(huán)片安裝。 4 n9 i4 S+ y% X
(3)通過標準的隧道設(shè)計幾何元素自動計算隧道的理論軸線坐標。
+ o( S' O* y# q- L$ h9 v4 F(4)和地面電腦相連，對盾構(gòu)機的掘進姿態(tài)進行遠程實時監(jiān)控。 4 X1 R( e% E: b3 Q% M; Y {- a [5 A
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從盾構(gòu)施工基本過程（圖3）可以看出，激光導(dǎo)向系統(tǒng)不能夠獨立完成導(dǎo)向任務(wù)，在盾構(gòu)機始發(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，對盾構(gòu)機姿態(tài)初值進行精確測定，以便于對激光導(dǎo)向系統(tǒng)中有關(guān)初始參數(shù)（如激光標靶上棱鏡的坐標，內(nèi)部的光柵初始位置及兩豎角測量儀初值等）進行配置。
4 ?& Y: \4 s5 x% l( ^2 o. Z 盾構(gòu)機姿態(tài)是指盾構(gòu)機前端刀盤中心（以下簡稱“刀頭”）三維坐標和盾構(gòu)機筒體中心軸線在三個相互垂直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角等參數(shù)。盾構(gòu)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(dǎo)向系統(tǒng)實時、自動地獲取。用人工測量方式獲得盾構(gòu)機姿態(tài)的過程，被稱作“盾構(gòu)機控制測量”。盾構(gòu)機控制測量的另一個作用是：在盾構(gòu)機掘進過程的間隙，對激光導(dǎo)向系統(tǒng)采集的盾構(gòu)機姿態(tài)參數(shù)進行檢核，對激光導(dǎo)向系統(tǒng)中有關(guān)配置參數(shù)進行校正。
# g, W7 P2 Z, o' v; S$ }2 p2 N0 b3 盾構(gòu)機激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理：
9 q* a; ~) `% B3.1盾構(gòu)機激光導(dǎo)向系統(tǒng)涉及的坐標系
" w5 T# ^& A0 H4 P% u 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)機及隧道有關(guān)的坐標系（見圖4）： ! w8 x! K# f1 _. K g
(1) 地面直角坐標系（O-XYZ）：簡稱地面坐標系，根據(jù)隧道中線設(shè)計而定，一般為地方坐標系。洞內(nèi)(外)控制點、測站點、后視點以及隧道中線坐標，均用該系坐標表示。 & F% J4 d \* W" j1 r. Y" F& }
(2) 盾構(gòu)機坐標系（F-xyz）：在盾構(gòu)機水平放置且未發(fā)生旋轉(zhuǎn)的情況下，以盾構(gòu)機刀頭中心前端切點為原點，以盾構(gòu)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、z軸構(gòu)成左手系。盾構(gòu)機坐標系是連同盾構(gòu)機一起運動的獨立直角坐標系。盾構(gòu)機尾部中心參考點、盾構(gòu)機棱鏡等相對盾構(gòu)機的位置都以此系坐標表示，這些坐標由盾構(gòu)機制造商測定并給出 。 ) W9 x/ F: h {, l* a9 T( O- q9 ]
(3) 棱鏡中心坐標系（P-x’y’z’）： 原點為安裝在盾構(gòu)機尾部的棱鏡的中心，與盾構(gòu)機坐標系平行。 [+ S' N( H- v5 x+ X
除此之外，為了解算還引入了其他一些空間輔助坐標系，從略。 3 T* d7 V+ @( j
" p) M4 s0 y" C' y6 Z s. [9 Y3.2描述盾構(gòu)機姿態(tài)的要素 ' w( Z0 R* @$ Q3 m: ]
描述盾構(gòu)機姿態(tài)的參數(shù)有：刀頭坐標（xF'，yF，zF）：水平角A；傾角α；旋轉(zhuǎn)角κ。如圖4所示。
l. I' v& D6 O% d! [: Z" u. X 由盾構(gòu)機姿態(tài)及設(shè)計隧道中線，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)機中心軸線和設(shè)計隧道中線在水平投影面的夾角；傾角（Pitch）：盾構(gòu)機中心軸線和設(shè)計隧道中線在縱向（線路前進方向）豎直投影面的夾角；旋角（Roll）：盾構(gòu)機繞自身中心軸線相對于水平位置旋轉(zhuǎn)的角度。 - e& E' \4 p3 J* y- i p$ @3 ^
3.3激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理和工作過程 2 D0 B- V- w; K& O0 Y$ h
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、指導(dǎo)環(huán)片安裝、數(shù)據(jù)采集等多種功能；其中指導(dǎo)掘進是核心功能。本文僅研究激光導(dǎo)向系統(tǒng)指導(dǎo)掘進的原理。 & ^" t, ], S" A. u
在掘進過程中，激光導(dǎo)向系統(tǒng)按如下流程工作：由系統(tǒng)控制激光全站儀實時測定盾構(gòu)機棱鏡的三維地面坐標；同時發(fā)射激光自動照準激光標靶，并自動記錄激光水平方位角；標靶內(nèi)部光柵捕獲激光的入射角，間接得到盾構(gòu)機縱軸水平方位角；利用安裝在標靶中相互垂直兩立面內(nèi)的兩把測角儀測得盾構(gòu)機傾角和旋轉(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，通過空間坐標變換解算刀頭、盾尾中心坐標，結(jié)合設(shè)計隧道中線參數(shù)計算盾構(gòu)機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)修正曲線控制機械裝置，調(diào)整各油缸桿在不同時刻的伸長量。如此反復(fù)，指導(dǎo)盾構(gòu)機掘進。 ; t7 x2 j8 k8 H. l* _% t
該導(dǎo)向過程包括如下6個步驟。
& o1 {: h9 E! ~7 }% x8 G B& V3.3.1棱鏡P點坐標和旋轉(zhuǎn)參數(shù)的獲�。�
( K3 Z; l0 D. V' {% f) J P點坐標(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測量。盾構(gòu)機水平方位角：設(shè)自激光全站儀發(fā)射到激光標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順時針旋為正，α、κ逆時針旋為正。 - s3 I9 V5 x% {( C
2 |- f; B) a$ [. J6 V% A
/ @9 `% g" [, J" ^- E4 A3.3.2刀頭、盾尾中心的地面坐標系三維坐標解算：
2 P7 L+ O: C7 T1 p8 Y8 Z# [3 X9 p 1）將盾構(gòu)機坐標轉(zhuǎn)化為棱鏡中心坐標： 1 d" p) V/ h# V$ l! ^
設(shè)刀頭中心F、盾尾中心B及棱鏡中心在盾構(gòu)機坐標系 中的坐標分別為（0,0,0）（xB,yB，zB）和（xP,yP,zP）則三點在棱鏡坐標系中的坐標為（-xP, -yP, -zP）、（xB -xP, yB -yP, zB -zP）和（0,0,0）。
: a9 o. d* x- B& p- b2）刀頭、盾尾中心地面坐標解算：
9 [* v( [- f y3 F( A! w刀頭中心在地面坐標系中的三維坐標為
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6 Z; t9 b) I" s1 J$ |9 d( ?3.3.3刀頭、盾尾里程及盾構(gòu)機與隧道中線相對偏差的解算： 6 ^2 h# U# {. [; o; e% w. ]$ y# J
根據(jù)解出的刀頭、盾尾地面坐標和隧道中心軸線設(shè)計參數(shù)，計算刀頭、盾尾里程（難點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[5]、[6]），以及刀頭、盾尾里程處設(shè)計隧道軸線平面坐標和高程。進而根據(jù)盾構(gòu)機刀頭、盾尾中心坐標、高程和對應(yīng)的隧道中線理論坐標、高程，容易計算得到刀頭、盾尾橫向偏移和豎向偏移（方法略）。
0 }. T3 K' ]+ ~* U9 u7 e 前面已經(jīng)提到，激光導(dǎo)向系統(tǒng)的顯示面板在掘進模式下動態(tài)顯示盾構(gòu)機姿態(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）。
) C, Y5 t# x$ B: F% _* {2 h( S3.3.4擬合修正曲線：
; G7 |7 m. W/ }- H( L& l, g 以盾構(gòu)機橫向、豎向偏移量和設(shè)計隧道中線為參數(shù)，擬合修正曲線（擬合方式和算法有待進一步研究）�？扇斯ぽ斎胄拚�的曲率半徑等參數(shù)，以控制盾構(gòu)機回到設(shè)計軸線的速度。
, w1 S% r& ]& U# a4 s3.3.5推進：
4 U7 n$ x- i' r* |1 v1 K( E% s 根據(jù)修正曲線由可編程邏輯控制器（PLC）控制機械設(shè)備，調(diào)整各油缸桿的伸長量。。
, U2 m7 o3 W, K% X( e3.3.6重復(fù)1至5步。 * o. J! V8 O% U* ~5 D3 Q; J: _; O( R
從以上分析可以發(fā)現(xiàn)，自動導(dǎo)向系統(tǒng)的測繪學(xué)原理實質(zhì)是：已知兩坐標系之間的3個平移參數(shù)和3個轉(zhuǎn)角參數(shù)，求解一個坐標系內(nèi)的參考點在另一個坐標系中的坐標。進一步比較該系內(nèi)盾構(gòu)機參考點和對應(yīng)理論隧道軸線坐標偏差，擬合修正曲線。
2 A0 o9 L7 E1 Z- ?0 d4 P& Q4 盾構(gòu)機控制測量 ; i& N# o' U# w5 ^2 \3 G1 A
盾構(gòu)機控制測量的原理是：通過人工測量盾構(gòu)機體上具有精確盾構(gòu)機坐標的若干個(盾構(gòu)機始發(fā)前，機體全身多于16個；在隧道掘進中，僅尾部16個可見)參考點的地面坐標系坐標，以著名的“Bursa-wolf模型”為基礎(chǔ)，建立盾構(gòu)機姿態(tài)解算改進模型，按最小二乘原理平差解算兩坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，即得盾構(gòu)機姿態(tài)參數(shù)。 & \3 W- e* t- C
建模方法和解算步驟限于篇幅，不再討論。
! l, H& d$ N+ W4 p- s4 A/ U5 影響激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機控制測量精度的因素
" _$ W5 M. J# u p; l9 L7 } 從以上分析可知，激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機控制測量中，盾構(gòu)機姿態(tài)解算的方法有本質(zhì)區(qū)別：激光導(dǎo)向系統(tǒng)，通過直接采集一個參考點（P）地面坐標和三個轉(zhuǎn)角參數(shù)，正解刀頭、盾尾地面坐標；盾構(gòu)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、盾尾地面坐標和三個轉(zhuǎn)角參數(shù)。正解不含平差，反解運用了最小二乘原理平差。因此，從理論上講，后者在盾構(gòu)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。這也是采用盾構(gòu)機控制測量對激光導(dǎo)向系統(tǒng)進行參數(shù)配置和校核的原因。 . i5 N# C+ ?2 a+ m9 f1 K) [* X
不論是激光導(dǎo)向系統(tǒng),還是盾構(gòu)機控制測量,原始依據(jù)都是用支導(dǎo)線形式獲得的測站坐標和定向點（后視）坐標。對于前者，三個轉(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，盾尾參考點的盾構(gòu)機坐標，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。另外，由于隧道內(nèi)空氣溫、濕度條件對視線和激光都會產(chǎn)生折光影響，使得激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機控制測量測角均產(chǎn)生誤差。 & ?, M( @$ a& e, i# R9 u/ Y. a
6 結(jié)論 4 f2 ]6 v; E+ u0 p
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：
% v8 L/ q6 l) ~4 q$ i1 T. |; l (1) 在掘進始發(fā)前進行盾構(gòu)機控制測量時,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。 0 p5 S% e; Y% K. i4 I Y% k) q. X5 l
(2) 向系統(tǒng)正確錄入隧道平曲線、豎曲線參數(shù)。 ; _5 V1 L/ x0 Y: _& ?- i
(3) 提高地下支導(dǎo)線的精度 ，并及時對激光全站儀設(shè)站點、定向點坐標進行人工檢測。
1 J& k% Y- M5 ?7 _9 p" W (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。一般激光全站儀到盾構(gòu)機上棱鏡最遠距離，在直線段不應(yīng)超過200m,在曲線段不應(yīng)超過100m。
. m& Q& X; r9 R% |5 Z (5) 隧道掘進過程的間隙，及時進行盾構(gòu)機控制測量，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
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