盾构机自动导向系的应用及调试论讨.docVIP

盾构机自动导向系统的应用及调试

作者：李懂懂

1概述

随着城市建设的飞速发展,我国在各大城市都开展了地铁建设,为了满足盾构掘进按设计要求贯通(贯通误差必须小于±50mm),必须研究每一步测量工作所带来的误差,包括地面控制测量,竖井联系测量,地下导线测量,盾构机姿态定位测量四个阶段。

2、适用范围

适用于盾构机自动导向系统地铁隧道施工。

3、自动导向系统的主要作用

现在的盾构机都装备有先进的自动导向系统，盾构机在掘进中由于地层阻力、刀盘掘削反力及推进千斤顶作用力不均等原因，使盾构机偏离设计轴线。自动导向系统主要有以下作用：

（1）可以通过隧道设计的几何元素计算出隧道的理论轴线。

（2）通过侧倾仪器测量盾构机的俯仰角和滚转角并予以显示。

（3）在显示器上实时以图形直观显示盾构机轴线相对于隧道设计轴线的偏差，便于盾构操作人员根据偏差随时调整盾构掘进的姿态，使盾构轴线逼近隧道设计轴线。

（4）通过调制解调器和电话线与地面监控室建立网络联系，将盾构掘进数据传输到监控室，便与工程管理人员实时监控盾构的掘进情况，查阅各环的掘进资料、测量资料及其他资料。

4、自动导向系统的基本原理

地铁隧道贯通测量中的地下控制导线是一条支导线,它指示着盾构的推进方向,导线点随着盾构机的推进延伸,导线点通常建立在管片的侧面仪器台上和右上侧内外架式的吊篮上,仪器采用强制归心,为了提高地下导线点的精度,应尽量减少支导线点,拉长两导线点的距离(但又不能无限制的拉长),并尽可能布设近乎直伸的导线。一般两导线点的间距宜控制在150m左右。

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如何定位的呢?它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三个TGT棱镜之间的距离和方位角（一般设置三个，其中一个备用）,根据预先测定棱镜与盾构机切口和盾尾的相对位置关系以及盾构机的俯仰角、滚转角推算出切口和盾尾的绝对坐标。然后将切口和盾尾的绝对坐标与设计轴线相比较得出盾构的偏离情况，即水平偏差和垂直偏差。就可以知道TGT棱镜的平面坐标(即X、Y),利用三角高程测出TGT棱镜的高程值(即Z)。激光束射向TGT,TGT就可以测定激光相对于TGT平面的偏角。在TGT入射点之间测得的折射角及入射角用于测定盾构机相对于隧道设计轴线(DTA)的偏角。坡度和旋转直接用安装在盾构机前头内的倾斜仪测量。这个数据大约每三秒钟更新一次传输至控制用的计算机。通过全站仪测出的与TGT之间的距离可以提供沿着DTA掘进的盾构机的里程长度。所有测得的数据由无线发射盒发送至无线接收盒在由无线接收盒通过通信电缆传输至计算机,通过软件组合起来用于计算盾构机轴线上前、后、及铰接三个参考点的精确的空间位置,并与隧道设计轴线(DTA)比较,得出的偏差值显示在屏幕上,这就是盾构机的姿态,在推进时只要控制好姿态,盾构机就能精确地沿着隧道设计轴线掘进,保证隧道能顺利准确的贯通。

图3.1自动导向系统基本操作页面示意图

5、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ENZAN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,每次检查之间的间隔时间应该比较短。这主要是由于空气温度差别很大的效应。论述折射及其效应的题目有大量的文献资料,此处不再详述。在隧道测量时必须始终考虑这一效应。低估这个问题可能会引起严重的困难,尤其在长隧道中。

我们采用贴设反光片法来对盾构机的姿态进行检查,在盾构机内TGT1、TGT2和TGT3棱镜旁贴设反光片并应贴设牢固,在盾构始发前应多次测设反光片与盾构机轴线三维坐标,它们相对于盾构机的轴线有一定的参数关系,即它们与盾构机的轴线构成局部坐标系。测量时只需要测出三个反光片位置现在这些参考点的测量可以达到毫米的精度。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。

6、自动导向系统的组成及功能

自动测量系统主要由以下4个部分组成：

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图4.1自动导向系统总体组成示意图

（1）具有自动照准目标功能的全自动马达全站仪，主要用于测量角度（水平角、垂直角）、距离和发射激光。

图4.2莱卡全自动马达全站仪

（2）高精度圆棱镜，主要用于接收、反射激光信号。

图4.3前视目标棱镜

图4.4后视棱镜

（3）计算机和隧道掘进软件，软件是自动测量系统的核心，它从全站仪等通信设备接收数据，并通过软件计算，把数据以数字和图形的形式显