论文部分内容阅读
摘要：以我公司在某工程使用的海瑞克S481盾構机为例，介绍该盾构机配套的激光导向测量系统的组成，探讨该激光导向系统的工作过程，从测绘学角度，研究该激光导向系统的工作原理。
关键字：盾构施工 盾构机 导向测量系统 姿态
中图分类号：V556文献标识码： A
引言
目前，盾构法已成为我国隧道施工的一种主要方法，包括地铁隧道，电缆隧道，大的输水隧洞，伴随着激光、计算机及自动控制等技术的发展成熟，激光导向测量系统得到成功运用和发展。我国盾构施工技术自20世纪50、60年代引进以来，在许多领域有了进步和发展，但在激光导向系统方面，尤其是测绘学原理方面研究不深，在一定程度上影响了盾构施工对隧洞中心轴线控制，而且对我国自行研发也不利。
全面理解激光导向系统的测量原理，有助于工程技术人员在盾构施工中解决问题，保证隧道中心轴线和准确贯通。
1、盾构机激光导向系统组成及其作用
激光导向系统是综合运用测绘技术、激光传感技术、计算机应用技术以及机械电子等技术指导盾构施工的独立运行体系，它主要由：（1）激光全站仪（激光发射和接收源、距离和角度量测设备）和黄盒子（信号传输和供电装置，共2个）；（2）激光接收靶（内置光栅和横、竖向测斜仪）和小棱镜；（3）主控室的中继箱、工业电脑（包括安装的软件）、PLC；（4）油缸伸长量测量装置等。海瑞克盾构机激光导向系统核心是VMT测量系统软件。
在整个盾构施工过程中，激光导线测量系统起着非常重要的作用，它比作盾构机的“眼睛”，如下图2-1盾构施工基本过程图所示，盾构机激光导向系统贯穿整个盾构施工过程：
在测量系统工业电脑上动态显示盾构机轴线相对于隧道设计轴线的偏差，指导盾构司机根据显示盾构姿态，调整推进参数，使盾构机沿着隧道设计轴线掘进；
获取各环掘进姿态，输入相应数据，自动科学计算管片封顶块拼装位置，指导管片拼装。
输入设计图纸给定的隧洞轴线设计元素，自动计算隧道的理论设计中心轴线；
导向系统自带远程数据传输功能，和地面监控室电脑相连，对盾构机的掘进姿态和相关推进参数实施远程实时监控，并能储存每个时间段的数据，以利于以后的研究。
2、盾构机激光导向系统原理
2.1盾构机激光导向系统涉及的坐标系
盾构机出厂前各参数在一个参考坐标系统中，而我们实际施工中采用的是地面直角测量坐标系，为了解算还引入其他一些空间辅助坐标系，主要坐标系统如下：
地面直角测量坐标系（o-xyz）：一般为地方坐标系，地面、地下控制网、测站点、后视点及理论隧道中心线坐标均用该系统表示。
盾构机坐标系（F-xyz）：在盾构机出厂设置的，由盾构机制作商给定，以盾构机刀头中心前端切点为远点，以盾构机中心纵轴为X轴，由盾尾指向刀头为正向；以竖向向上方向线为Z轴，Y周沿水平方向与X、Z轴构成左手系。该系统连同盾构机一起运动的独立直角坐标系，盾体中部、激光靶、前盾、盾构机棱镜等相对盾构机的位置都以此坐标表示。
各坐标系关系如下图2.1-1所示：
图2.1-1各坐标系统关系图
2.2盾构系统运行原理
激光导向测量系统的运行原理是：已知两坐标系之间的平移参数、旋转参数及变形量，求解盾构机自身参考系中的参考点在实际推进过程中的坐标系坐标，通过测得实际坐标与理论坐标比较偏差，拟合修正曲线，指导纠偏，是一个不断测量、计算、纠偏的过程。
盾构机自动导向系统的姿态定位主要是依据地下控制导线点来精确确定盾构机掘进的方向和位置。在掘进中盾构机的自动导向系统是主要是根据地下控制导线上一个点的坐标(即X、Y、Z)来确定的,这个点就是带有激光器的全站仪的位置,然后全站仪将依照作为后视方向的另一个地下导线的控制点来定向,这样就确定了北方向,即方位角。再利用全站仪自动测出的测站与ELS棱镜之间的距离和角度,就可以知道ELS棱镜的三维坐标(即X、Y、Z)。坡度和旋转直接用安装在ELS内的倾斜仪测量，这个数据大约每秒钟两次传输至工业电脑上。通过全站仪测出的与ELS之间的距离可以提供沿着DTA掘进的盾构机的里程长度。所有测得的数据由通信电缆传输至电脑,通过软件组合起来用于计算盾构机轴线上前后两个参考点的精确的空间位置,并与隧道设计轴线比较,得出的偏差值显示在屏幕上,这就是盾构机的姿态。
2.3 盾构机姿态位置的检测和计算
在隧道推进的过程中,必须独立于SLS-T系统定期对盾构机的姿态和位置进行检查。间隔时间取决于隧道的具体情况,在有严重的光折射效应的隧道中,检查频率要高些。
我们采用棱镜法来对盾构机的姿态进行检查。在盾构机内有15个参考点(M8螺母),这些点在盾构机构建完成之前就已经定好位了,它们相对于盾构机的轴线有一定的参数关系(见表2.3-1),即它们与盾构机的轴线构成局部坐标系。在进行测量时,需要将特制的螺栓旋到M8螺母内,再装上棱镜。利用已知的坐标和测得的坐标经过三维转换,与设计坐标比较,就可以计算出盾构机的姿态和位置参数等。
表2.3-1TBM参考系统各点坐标
点号 盾构轴线局部坐标系
X（m） Y（m） Z（m）
1 -2.2115 -3.4045 1.1037
2 -1.7756 -3.6767 1.8745
3 -1.2634 -3.6773 2.2465
4 0.2770 -3.6742 2.5997
5 1.3467 -3.6657 2.1168
6 2.0391 -3.6679 1.5439
7 2.3519 -3.4547 0.7580
8 2.6713 -3.6672 0.3026
9 1.4187 -3.4484 -1.7412
10 1.1234 -3.6697 -1.9407
11 0.3306 -3.4563 -2.4493
12 -0.5635 -3.4650 -2.2615
13 -0.6785 -3.3458 -1.8555
14 -1.4078 -3.6709 -2.0676
15 -1.7147 -3.4531 -1.7840
用棱镜法来计算盾构机的姿态和位置方法如下：
我们利用洞内地下导线控制点,只要测出15个参考点中的任意三个点(最好取左、中、右三个点)的实际三维坐标,就可以计算盾构机的姿态。对于以盾构机轴线为坐标系的局部坐标来说,无论盾构机如何旋转和倾斜,这些参考点与盾构机的盾首中心和盾尾中心的空间距离是不会变的,他们始终保持一定的值,这些值我们可以从它的局部坐标计算出来。
假设我们已经测出左,中,右(2,8,11号)三个参考点的实际三维坐标,分别为(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),并设未知量为盾首中心的实际三维坐标(X首,Y首,Z首)和盾尾中心的实际三维坐标(X尾,Y尾,Z尾),在以盾构机轴线构成局部坐标系中,盾首中心为坐标原点,坐标为(0,0,0),盾尾中心坐标为(0,-4.2483,0)。从表2.3-1中也可以看出各参考点在局部坐标系的坐标值。
根据以上数据就可以列出两组三元二次方程组，来解出盾首中心和盾尾中心的实际三维坐标。方程组如下：
第一组（计算盾首中心三维坐标）：
（x1-x首）2+（y1-y首）2+（z1-z首）2=（-1.7756）2+（-3.6767）2+（1.8745）2
（x2-x首）2+（y2-y首）2+（z2-z首）2=（2.6713）2+（-3.6672）2+（0.3026）2
（x3-x首）2+（y3-y首）2+（z3-z首）2=（0.3306）2+（-3.4563）2+（-2.4493）2
第二组（计算盾尾中心三维坐标）：
（x1-x首）2+（y1-y首）2+（z1-z首）2=（-1.7756）2+（-3.6767+4.2483）2+（1.8745）2
（x2-x首）2+（y2-y首）2+（z2-z首）2=（2.6713）2+（-3.6672+4.2483）2+（0.3026）2
（x3-x首）2+（y3-y首）2+（z3-z首）2=（0.3306）2+（-3.4563+4.2483）2+（-2.4493）2
三个方程三个未知量,采用专业软件解算方程组，算出的数值与设计比较，得出的偏差即显示在工业电脑上。
2.4推进纠偏及拟合修正曲线
人工输入修正曲线的参数，根据输入的参数自动计算并形成曲线，调整各个推进油缸区域分压，辅以相应的转弯管片，不断调整实际轴线至理论轴线上。
3、结束语
激光导向系统是从人工导向系统随着科技发展演变而来，基本理论是不变的，变的如何便捷和提高精度。盾构施工影响因素太多，对测量系统中的测量设备和通讯设备要求较高，一个系统的运行靠的各个环节运行正常，每个过程的提高都能使得导向系统精度提高或者稳定性能调高，此涉及的专业领域广，自动化程度和科技含量高，是个可研究性很高的课题。
参考文献
[1]VMT GmbH-Bruchsal SLS-T Manual[M].Germany
[2]刘基余，李征航等 全球定位系统原理及其应用[M] 北京 测绘出版社 1995
关键字：盾构施工 盾构机 导向测量系统 姿态
中图分类号：V556文献标识码： A
引言
目前，盾构法已成为我国隧道施工的一种主要方法，包括地铁隧道，电缆隧道，大的输水隧洞，伴随着激光、计算机及自动控制等技术的发展成熟，激光导向测量系统得到成功运用和发展。我国盾构施工技术自20世纪50、60年代引进以来，在许多领域有了进步和发展，但在激光导向系统方面，尤其是测绘学原理方面研究不深，在一定程度上影响了盾构施工对隧洞中心轴线控制，而且对我国自行研发也不利。
全面理解激光导向系统的测量原理，有助于工程技术人员在盾构施工中解决问题，保证隧道中心轴线和准确贯通。
1、盾构机激光导向系统组成及其作用
激光导向系统是综合运用测绘技术、激光传感技术、计算机应用技术以及机械电子等技术指导盾构施工的独立运行体系，它主要由：（1）激光全站仪（激光发射和接收源、距离和角度量测设备）和黄盒子（信号传输和供电装置，共2个）；（2）激光接收靶（内置光栅和横、竖向测斜仪）和小棱镜；（3）主控室的中继箱、工业电脑（包括安装的软件）、PLC；（4）油缸伸长量测量装置等。海瑞克盾构机激光导向系统核心是VMT测量系统软件。
在整个盾构施工过程中，激光导线测量系统起着非常重要的作用，它比作盾构机的“眼睛”，如下图2-1盾构施工基本过程图所示，盾构机激光导向系统贯穿整个盾构施工过程：
在测量系统工业电脑上动态显示盾构机轴线相对于隧道设计轴线的偏差，指导盾构司机根据显示盾构姿态，调整推进参数，使盾构机沿着隧道设计轴线掘进；
获取各环掘进姿态，输入相应数据，自动科学计算管片封顶块拼装位置，指导管片拼装。
输入设计图纸给定的隧洞轴线设计元素，自动计算隧道的理论设计中心轴线；
导向系统自带远程数据传输功能，和地面监控室电脑相连，对盾构机的掘进姿态和相关推进参数实施远程实时监控，并能储存每个时间段的数据，以利于以后的研究。
2、盾构机激光导向系统原理
2.1盾构机激光导向系统涉及的坐标系
盾构机出厂前各参数在一个参考坐标系统中，而我们实际施工中采用的是地面直角测量坐标系，为了解算还引入其他一些空间辅助坐标系，主要坐标系统如下：
地面直角测量坐标系（o-xyz）：一般为地方坐标系，地面、地下控制网、测站点、后视点及理论隧道中心线坐标均用该系统表示。
盾构机坐标系（F-xyz）：在盾构机出厂设置的，由盾构机制作商给定，以盾构机刀头中心前端切点为远点，以盾构机中心纵轴为X轴，由盾尾指向刀头为正向；以竖向向上方向线为Z轴，Y周沿水平方向与X、Z轴构成左手系。该系统连同盾构机一起运动的独立直角坐标系，盾体中部、激光靶、前盾、盾构机棱镜等相对盾构机的位置都以此坐标表示。
各坐标系关系如下图2.1-1所示：
图2.1-1各坐标系统关系图
2.2盾构系统运行原理
激光导向测量系统的运行原理是：已知两坐标系之间的平移参数、旋转参数及变形量，求解盾构机自身参考系中的参考点在实际推进过程中的坐标系坐标，通过测得实际坐标与理论坐标比较偏差，拟合修正曲线，指导纠偏，是一个不断测量、计算、纠偏的过程。
盾构机自动导向系统的姿态定位主要是依据地下控制导线点来精确确定盾构机掘进的方向和位置。在掘进中盾构机的自动导向系统是主要是根据地下控制导线上一个点的坐标(即X、Y、Z)来确定的,这个点就是带有激光器的全站仪的位置,然后全站仪将依照作为后视方向的另一个地下导线的控制点来定向,这样就确定了北方向,即方位角。再利用全站仪自动测出的测站与ELS棱镜之间的距离和角度,就可以知道ELS棱镜的三维坐标(即X、Y、Z)。坡度和旋转直接用安装在ELS内的倾斜仪测量，这个数据大约每秒钟两次传输至工业电脑上。通过全站仪测出的与ELS之间的距离可以提供沿着DTA掘进的盾构机的里程长度。所有测得的数据由通信电缆传输至电脑,通过软件组合起来用于计算盾构机轴线上前后两个参考点的精确的空间位置,并与隧道设计轴线比较,得出的偏差值显示在屏幕上,这就是盾构机的姿态。
2.3 盾构机姿态位置的检测和计算
在隧道推进的过程中,必须独立于SLS-T系统定期对盾构机的姿态和位置进行检查。间隔时间取决于隧道的具体情况,在有严重的光折射效应的隧道中,检查频率要高些。
我们采用棱镜法来对盾构机的姿态进行检查。在盾构机内有15个参考点(M8螺母),这些点在盾构机构建完成之前就已经定好位了,它们相对于盾构机的轴线有一定的参数关系(见表2.3-1),即它们与盾构机的轴线构成局部坐标系。在进行测量时,需要将特制的螺栓旋到M8螺母内,再装上棱镜。利用已知的坐标和测得的坐标经过三维转换,与设计坐标比较,就可以计算出盾构机的姿态和位置参数等。
表2.3-1TBM参考系统各点坐标
点号 盾构轴线局部坐标系
X（m） Y（m） Z（m）
1 -2.2115 -3.4045 1.1037
2 -1.7756 -3.6767 1.8745
3 -1.2634 -3.6773 2.2465
4 0.2770 -3.6742 2.5997
5 1.3467 -3.6657 2.1168
6 2.0391 -3.6679 1.5439
7 2.3519 -3.4547 0.7580
8 2.6713 -3.6672 0.3026
9 1.4187 -3.4484 -1.7412
10 1.1234 -3.6697 -1.9407
11 0.3306 -3.4563 -2.4493
12 -0.5635 -3.4650 -2.2615
13 -0.6785 -3.3458 -1.8555
14 -1.4078 -3.6709 -2.0676
15 -1.7147 -3.4531 -1.7840
用棱镜法来计算盾构机的姿态和位置方法如下：
我们利用洞内地下导线控制点,只要测出15个参考点中的任意三个点(最好取左、中、右三个点)的实际三维坐标,就可以计算盾构机的姿态。对于以盾构机轴线为坐标系的局部坐标来说,无论盾构机如何旋转和倾斜,这些参考点与盾构机的盾首中心和盾尾中心的空间距离是不会变的,他们始终保持一定的值,这些值我们可以从它的局部坐标计算出来。
假设我们已经测出左,中,右(2,8,11号)三个参考点的实际三维坐标,分别为(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),并设未知量为盾首中心的实际三维坐标(X首,Y首,Z首)和盾尾中心的实际三维坐标(X尾,Y尾,Z尾),在以盾构机轴线构成局部坐标系中,盾首中心为坐标原点,坐标为(0,0,0),盾尾中心坐标为(0,-4.2483,0)。从表2.3-1中也可以看出各参考点在局部坐标系的坐标值。
根据以上数据就可以列出两组三元二次方程组，来解出盾首中心和盾尾中心的实际三维坐标。方程组如下：
第一组（计算盾首中心三维坐标）：
（x1-x首）2+（y1-y首）2+（z1-z首）2=（-1.7756）2+（-3.6767）2+（1.8745）2
（x2-x首）2+（y2-y首）2+（z2-z首）2=（2.6713）2+（-3.6672）2+（0.3026）2
（x3-x首）2+（y3-y首）2+（z3-z首）2=（0.3306）2+（-3.4563）2+（-2.4493）2
第二组（计算盾尾中心三维坐标）：
（x1-x首）2+（y1-y首）2+（z1-z首）2=（-1.7756）2+（-3.6767+4.2483）2+（1.8745）2
（x2-x首）2+（y2-y首）2+（z2-z首）2=（2.6713）2+（-3.6672+4.2483）2+（0.3026）2
（x3-x首）2+（y3-y首）2+（z3-z首）2=（0.3306）2+（-3.4563+4.2483）2+（-2.4493）2
三个方程三个未知量,采用专业软件解算方程组，算出的数值与设计比较，得出的偏差即显示在工业电脑上。
2.4推进纠偏及拟合修正曲线
人工输入修正曲线的参数，根据输入的参数自动计算并形成曲线，调整各个推进油缸区域分压，辅以相应的转弯管片，不断调整实际轴线至理论轴线上。
3、结束语
激光导向系统是从人工导向系统随着科技发展演变而来，基本理论是不变的，变的如何便捷和提高精度。盾构施工影响因素太多，对测量系统中的测量设备和通讯设备要求较高，一个系统的运行靠的各个环节运行正常，每个过程的提高都能使得导向系统精度提高或者稳定性能调高，此涉及的专业领域广，自动化程度和科技含量高，是个可研究性很高的课题。
参考文献
[1]VMT GmbH-Bruchsal SLS-T Manual[M].Germany
[2]刘基余，李征航等 全球定位系统原理及其应用[M] 北京 测绘出版社 1995