摘要: 以德國VMT公司的單圓盾構機爲例,介紹盾構機和激光導向系統的組成,探討激光導向系統的工作原理。重點揭示激光導向系統的測繪學原理。總結提高激光導向系統測量精度應採取的措施。
關鍵詞:隧道施工;盾構機;地鐵;控制測量;導向系統;姿態解算;修正曲線
20世紀70年代以來,盾構掘進機施工技術有了新的飛躍。伴隨着激光、計算機以及自動控制等技術的發展成熟,激光導向系統在盾構機中逐漸得到成功運用、發展和完善。激光導向系統,使得盾構法施工極大地提高了準確性、可靠性和自動化程度,從而被廣泛應用於鐵路、公路、市政、油氣等專業領域。
全面理解激光導向系統的原理,有助於工程技術人員在地鐵的盾構施工中及時發現問題,解決問題,保證隧道的正確掘進和最後貫通;有助於國產盾構機研製工作的開展。
1、盾構機和激光導向系統的組成
1.1 盾構機的組成
盾構機按推力方式可分爲網格式、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,近年來又出現了雙圓、三圓及多圓等異構形。它們的組成有一定差異。其中,土壓式單圓盾構機在我國應用比較普遍。它主要由盾體(含刀盤等)、管片拼裝機、排土機構、後配套設備、電氣設備、數據採集系統、SLS-T激光導向系統及其他輔助設備組成。
1.2 激光導向系統的組成
激光導向系統是綜合運用測繪技術、激光傳感技術、計算機技術以及機械電子等技術指導盾構隧道施工的有機體系。其組成(見圖1:激光全站儀(激光發射源和角度、距離及座標量測設備)和黃盒子(信號傳輸和供電裝置);激光接收靶(ELS Target,內置光柵和兩把豎向測角儀)、棱鏡(ELS Prism)和定向點(Reference Target);盾構機主控室(TBM Control Cabin):由程控計算機(預裝隧道掘進軟件,具有顯示和操作面板)、控制盒、網絡傳輸Modem和可編程邏輯控制器(PLC)四部分組成;油缸杆伸長量測量(Extension Measurement)裝置等。其中,隧道掘進軟件是盾構機激光導向系統的核心。
2、激光導向系統和盾構機控制測量在盾構施工中的地位和作用
地鐵盾構法施工過程如圖3所示。在隧道掘進模式下,激光導向系統是實時動態監測和調整盾構機的掘進狀態,保持盾構機沿設計隧道軸線前進的工具之一。在整個盾構施工過程中,激光導向系統起着極其重要的作用:
(1)在顯示面板上動態顯示盾構機軸線相對於隧道設計軸線的準確位置,報告掘進狀態;並在一定模式下,自動調整或指導操作者人工調整盾構機掘進的姿態,使盾構機沿接近隧道設計軸線掘進。
(2)獲取各環掘進姿態及最前端已裝環片狀態,指導環片安裝。
(3)通過標準的隧道設計幾何元素自動計算隧道的理論軸線座標。
(4)和地面電腦相連,對盾構機的掘進姿態進行遠程實時監控。
從盾構施工基本過程(圖3)可以看出,激光導向系統不能夠獨立完成導向任務,在盾構機始發、該系統啓用之前,還需要做一些輔助工作:首先,激光全站儀首次設站點及其定向點座標,需用人工測定。其次必須使用人工測量的方法,對盾構機姿態初值進行精確測定,以便於對激光導向系統中有關初始參數(如激光標靶上棱鏡的座標,內部的光柵初始位置及兩豎角測量儀初值等)進行配置。
盾構機姿態是指盾構機前端刀盤中心(以下簡稱“刀頭”)三維座標和盾構機筒體中心軸線在三個相互垂直平面內的轉角等參數。盾構機姿態除了可以通過人工測量、單獨解算方式獲得外,還可以由導向系統實時、自動地獲取。用人工測量方式獲得盾構機姿態的過程,被稱作“盾構機控制測量”。盾構機控制測量的另一個作用是:在盾構機掘進過程的間隙,對激光導向系統採集的盾構機姿態參數進行檢核,對激光導向系統中有關配置參數進行校正。
3、盾構機激光導向系統原理:
3.1盾構機激光導向系統涉及的座標系
(1) 地面直角座標系(O-XYZ):簡稱地面座標系,根據隧道中線設計而定,一般爲地方座標系。洞內(外)控制點、測站點、後視點以及隧道中線座標,均用該系座標表示。
(2) 盾構機座標系(F-xyz):在盾構機水平放置且未發生旋轉的情況下,以盾構機刀頭中心前端切點爲原點,以盾構機中心縱軸爲x軸,由盾尾指向刀頭爲正向; 以豎直向上的方向線爲z軸, y軸沿水平方向與x、z軸構成左手系。盾構機座標系是連同盾構機一起運動的獨立直角座標系。盾構機尾部中心參考點、盾構機棱鏡等相對盾構機的位置都以此係座標表示,這些座標由盾構機制造商測定並給出 。
(3) 棱鏡中心座標系(P-x’y’z’): 原點爲安裝在盾構機尾部的棱鏡的中心,與盾構機座標系平行。
除此之外,爲了解算還引入了其他一些空間輔助座標系,從略。
3.2描述盾構機姿態的要素
描述盾構機姿態的參數有:刀頭座標(xF',yF,zF):水平角A;傾角α;旋轉角κ。
由盾構機姿態及設計隧道中線,可推算如下數據:刀頭裏程:刀頭、盾尾三維偏差;平面偏角(Yaw):盾構機中心軸線和設計隧道中線在水平投影面的夾角;傾角(Pitch):盾構機中心軸線和設計隧道中線在縱向(線路前進方向)豎直投影面的夾角;旋角(Roll):盾構機繞自身中心軸線相對於水平位置旋轉的角度。
3.3激光導向系統原理和工作過程
激光導向系統的英文本義是“盾構指導系統”,在盾構施工中有指導隧道掘進、指導環片安裝、數據採集等多種功能;其中指導掘進是核心功能。本文僅研究激光導向系統指導掘進的原理。
在掘進過程中,激光導向系統按如下流程工作:由系統控制激光全站儀實時測定盾構機棱鏡的三維地面座標;同時發射激光自動照準激光標靶,並自動記錄激光水平方位角;標靶內部光柵捕獲激光的入射角,間接得到盾構機縱軸水平方位角;利用安裝在標靶中相互垂直兩立面內的兩把測角儀測得盾構機傾角和旋轉角。利用以上參數及刀頭、盾尾、棱鏡中心三者的幾何關係,通過空間座標變換解算刀頭、盾尾中心座標,結合設計隧道中線參數計算盾構機與隧道中線的相對偏差。依據各偏差值擬合改正曲線,由PLC根據修正曲線控制機械裝置,調整各油缸杆在不同時刻的伸長量。如此反覆,指導盾構機掘進。