盾構(gòu)機(jī)激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理

rexroth

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,。

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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

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      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。

1.2 激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成

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      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。

         

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2  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

      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：

(1)在顯示面板上動態(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。

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(3)通過標(biāo)準(zhǔn)的隧道設(shè)計(jì)幾何元素自動計(jì)算隧道的理論軸線坐標(biāo),。

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(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。 

      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。

      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,。

3  盾構(gòu)機(jī)激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理：

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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,。

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      (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 ,。

      (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,。

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      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,。

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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',，yF，zF）：水平角A,；傾角α,；旋轉(zhuǎn)角κ。如圖4所示,。

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      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,。

3.3激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理和工作過程

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      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,。

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      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)射激光自動照準(zhǔn)激光標(biāo)靶,，并自動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),。

該導(dǎo)向過程包括如下6個(gè)步驟,。

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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,。

       

 

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）（x_B,y_B,，z_B）和（x_P,y_P,zP）則三點(diǎn)在棱鏡坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（-x_P, -y_P, -z_P）、（x_B -x_P, y_B -y_P, z_B -z_P）和（0,0,0）,。

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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)與隧道中線相對偏差的解算：

      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）,。

      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（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,。

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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)整各油缸桿的伸長量,。,。

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3.3.6重復(fù)1至5步。

      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(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,。

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4 盾構(gòu)機(jī)控制測量

      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),。

      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,。

      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,。

6 結(jié)論

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      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：

      (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。

      (2) 向系統(tǒng)正確錄入隧道平曲線,、豎曲線參數(shù),。

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      (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,。

      (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,。

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      (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)。

卓信

這個(gè)好學(xué)術(shù)呀

宏泰99-001

好資料,！謝謝樓主,！

honghuzhonggong

高科技     學(xué)習(xí)了    謝謝樓主

heu98711

專業(yè)的學(xué)術(shù)論文啊。長見識了

cw60

有盾構(gòu)機(jī)施工方面的資料嗎,？

jiegongwei66

長知識了,，樓主好學(xué)問

jackcwh

謝謝樓主了，好東西�,�,！

求難

謝謝樓主了，不知道這一刀激光導(dǎo)向系統(tǒng)得多少錢啊,。在煤礦下能用嗎,？？

zgyzsl

不錯(cuò)不錯(cuò),，看看樓主的好資料了