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双护盾全断面掘进机激光导向系统的应用

20世纪70年代以来，掘进机施工技术有了新的飞跃。伴随着激光、计算机以及自动

控制等技术的发展成熟，激光导向系统在掘进机中逐渐得到成功运用、发展和完善。激光导

向系统使得掘进机施工极大地提高了准确性、可靠性和自动化程度，从而被广泛应用于铁路、

公路、水利工程等专业领域。

全面理解激光导向系统的原理，有助于工程技术人员在隧洞施工中及时发现问题，

解决问题，保证隧道的正确掘进和最后贯通，有助于国产掘进机研制工作的开展。

1掘进机和激光导向系统的组成

1.1掘进机的组成

掘进机按护盾形状划分为单护盾掘进机、双护盾掘进机以及开敞式掘进机。它们的

组成有一定差异。主要由盾体（含刀盘等）、管片拼装机、主机皮带机、后配套设备、电气

设备、数据采集系统、SLS-T激光导向系统及其他辅助设备组成。

1.2激光导向系统的组成

激光导向系统是综合运用测绘技术、激光传感技术、计算机技术以及机械电子等技

术指导掘进机隧道施工的有机体系。隧道掘进激光导向系统主要部件有激光全站仪、带有棱

镜的激光靶、黄盒子、中央控制箱和隧道掘进激光导向系统电脑。

2激光导向系统和掘进机控制测量在隧洞施工中的地位和作用

1）可以在电脑显示屏上随时以图形的形式显示掘进机轴线相对于隧道设计轴线的

准确位置，这样在掘进机掘进时，操作者就可以依此来调整掘进机掘进的姿态，使掘进机的

轴线接近隧道的设计轴线，这样掘进机轴线和隧道设计轴线之间的偏差就可以始终保持在一

个很小的数值范围内。

2）推进一环结束后，隧道掘进激光导向系统从掘进机PLC自动控制系统获得推进

油缸和铰接油缸的油缸杆伸长量的数值，并依此计算出上一环管片的管环平面，再综合考虑

被手工输入隧道掘进激光导向系统电脑的盾尾间隙等因素，计算并选择这一环适合拼装的管

片类型。

3）可以提供完整的各环掘进姿态及其他相关资料的档案资料。

4）可以通过标准的隧道设计几何元素计算出隧道的理论轴线。

5）可以通过调制解调器和电话线与地面的一台电脑相连，这样在地面就可以实时

监控掘进机的掘进姿态。

从隧洞施工基本过程可以看出（如图1所示），激光导向系统不能够独立完成导向

任务，在掘进机开始工作、该系统启用之前，还需要做一些辅助工作：首先，激光全站仪首

次设站点及其定向点坐标，需用人工测定。其次，必须使用人工测量的方法，对掘进机姿态

初值进行精确测定，以便于对激光导向系统中有关初始参数进行设置。

掘进机姿态是指掘进机前端刀盘中心（以下简称“刀头”）三维坐标和掘进机筒体中

心轴线在三个相互垂直平面内的转角等参数。掘进机姿态除了可以通过人工测量、单独解算

方式获得外，还可以由导向系统实时、自动地获取。用人工测量方式获得掘进机姿态的过程，

被称作“掘进机控制测量”。掘进机控制测量的另一个作用是：在掘进机掘进过程的间隙，对

激光导向系统采集的掘进机姿态参数进行检核，对激光导向系统中有关配置参数进行校正。

3激光导向坐标系统

1）地面直角坐标系：简称地面坐标系，根据隧道中线设计而定，一般为地方坐标

系。洞内（外）控制点、测站点、后视点以及隧道中线坐标，DTA的数据、激光站支架坐

标数据等均用该坐标系表示。

2）掘进机坐标系：在掘进机水平放置且未发生旋转的情况下，以掘进机刀头中心

前端切点为原点，以掘进机中心纵轴为x轴，由盾尾指向刀头为正向；以竖直向上的方向

线为z轴，y轴沿水平方向与x轴，z轴构成左手系。掘进机坐标系是连同掘进机一起运动

的独立直角坐标系。掘进机尾部中心参考点、ELS靶的安装尺寸等相对掘进机的位置都以

此坐标系表示，这些坐标由掘进机制造商测定并给出。

3）DTA系统：在本系统中显示TBM前后基准点的偏离值与里程。

4激光导向系统原理

激光导向系统在隧洞施工中有指导隧道掘进、指导环片安装、数据采集等多种功能，

其中指导掘进是核心功能。在地面坐标系统确定一个点（X，Y，Z）来放置激光全站仪，以

便确定TBM的位置。然后通过一个基准点使激光全站仪定向。由系统控制激光全站仪实时

测定光靶的三维地面坐标，同时激光光束被导向ELS并自动记录激光水平方位角。ELS就

能确定激光光束与ELS平面之间的偏航角，激光光束入射点和ELS之间的反射角用来