盾構(gòu)機自動導(dǎo)向系的應(yīng)用及調(diào)試論討

盾構(gòu)機自動導(dǎo)向系統(tǒng)的應(yīng)用及調(diào)試作者：李懂懂1概述

隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展,我國在各大城市都開展了地鐵建設(shè),為了滿足盾構(gòu)掘進按設(shè)計要求貫通(貫通誤差必須小于±50mm),必須研究每一步測量工作所帶來的誤差,包括地面控制測量,豎井聯(lián)系測量,地下導(dǎo)線測量,盾構(gòu)機姿態(tài)定位測量四個階段。2、適用范圍適用于盾構(gòu)機自動導(dǎo)向系統(tǒng)地鐵隧道施工。3、自動導(dǎo)向系統(tǒng)的主要作用現(xiàn)在的盾構(gòu)機都裝備有先進的自動導(dǎo)向系統(tǒng)，盾構(gòu)機在掘進中由于地層阻力、刀盤掘削反力及推進千斤頂作用力不均等原因，使盾構(gòu)機偏離設(shè)計軸線。自動導(dǎo)向系統(tǒng)主要有以下作用：（1）可以通過隧道設(shè)計的幾何元素計算出隧道的理論軸線。（2）通過側(cè)傾儀器測量盾構(gòu)機的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角并予以顯示。（3）在顯示器上實時以圖形直觀顯示盾構(gòu)機軸線相對于隧道設(shè)計軸線的偏差，便于盾構(gòu)操作人員根據(jù)偏差隨時調(diào)整盾構(gòu)掘進的姿態(tài)，使盾構(gòu)軸線逼近隧道設(shè)計軸線。（4）通過調(diào)制解調(diào)器和電話線與地面監(jiān)控室建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，將盾構(gòu)掘進數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控室，便與工程管理人員實時監(jiān)控盾構(gòu)的掘進情況，查閱各環(huán)的掘進資料、測量資料及其他資料。4、自動導(dǎo)向系統(tǒng)的基本原理地鐵隧道貫通測量中的地下控制導(dǎo)線是一條支導(dǎo)線,它指示著盾構(gòu)的推進方向,導(dǎo)線點隨著盾構(gòu)機的推進延伸,導(dǎo)線點通常建立在管片的側(cè)面儀器臺上和右上側(cè)內(nèi)外架式的吊籃上,儀器采用強制歸心,為了提高地下導(dǎo)線點的精度,應(yīng)盡量減少支導(dǎo)線點,拉長兩導(dǎo)線點的距離(但又不能無限制的拉長),并盡可能布設(shè)近乎直伸的導(dǎo)線。一般兩導(dǎo)線點的間距宜控制在150m左右。自動導(dǎo)向系統(tǒng)的姿態(tài)定位主要是依據(jù)地下控制導(dǎo)線點來精確確定盾構(gòu)機掘進的方向和位置。在掘進中盾構(gòu)機的自動導(dǎo)向系統(tǒng)是如何定位的呢?它主要是根據(jù)地下控制導(dǎo)線上一個點的坐標(biāo)(即X、Y、Z)來確定的,這個點就是帶有激光器的全站儀的位置,然后全站儀將依照作為后視方向的另一個地下導(dǎo)線的控制點來定向,這樣就確定了北方向,即方位角。再利用全站儀自動測出的測站與三個TGT棱鏡之間的距離和方位角（一般設(shè)置三個，其中一個備用）,根據(jù)預(yù)先測定棱鏡與盾構(gòu)機切口和盾尾的相對位置關(guān)系以及盾構(gòu)機的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角推算出切口和盾尾的絕對坐標(biāo)。然后將切口和盾尾的絕對坐標(biāo)與設(shè)計軸線相比較得出盾構(gòu)的偏離情況，即水平偏差和垂直偏差。就可以知道TGT棱鏡的平面坐標(biāo)(即X、Y),利用三角高程測出TGT棱鏡的高程值(即Z)。激光束射向TGT,TGT就可以測定激光相對于TGT平面的偏角。在TGT入射點之間測得的折射角及入射角用于測定盾構(gòu)機相對于隧道設(shè)計軸線(DTA)的偏角。坡度和旋轉(zhuǎn)直接用安裝在盾構(gòu)機前頭內(nèi)的傾斜儀測量。這個數(shù)據(jù)大約每三秒鐘更新一次傳輸至控制用的計算機。通過全站儀測出的與TGT之間的距離可以提供沿著DTA掘進的盾構(gòu)機的里程長度。所有測得的數(shù)據(jù)由無線發(fā)射盒發(fā)送至無線接收盒在由無線接收盒通過通信電纜傳輸至計算機,通過軟件組合起來用于計算盾構(gòu)機軸線上前、后、及鉸接三個參考點的精確的空間位置,并與隧道設(shè)計軸線(DTA)比較,得出的偏差值顯示在屏幕上,這就是盾構(gòu)機的姿態(tài),在推進時只要控制好姿態(tài),盾構(gòu)機就能精確地沿著隧道設(shè)計軸線掘進,保證隧道能順利準(zhǔn)確的貫通。圖3.1自動導(dǎo)向系統(tǒng)基本操作頁面示意圖5、盾構(gòu)機姿態(tài)位置的檢測和計算

在隧道推進的過程中,必須獨立于ENZAN系統(tǒng)定期對盾構(gòu)機的姿態(tài)和位置進行檢查。間隔時間取決于隧道的具體情況,在有嚴(yán)重的光折射效應(yīng)的隧道中,每次檢查之間的間隔時間應(yīng)該比較短。這主要是由于空氣溫度差別很大的效應(yīng)。論述折射及其效應(yīng)的題目有大量的文獻資料,此處不再詳述。在隧道測量時必須始終考慮這一效應(yīng)。低估這個問題可能會引起嚴(yán)重的困難,尤其在長隧道中。

我們采用貼設(shè)反光片法來對盾構(gòu)機的姿態(tài)進行檢查,在盾構(gòu)機內(nèi)TGT1、TGT2和TGT3棱鏡旁貼設(shè)反光片并應(yīng)貼設(shè)牢固,在盾構(gòu)始發(fā)前應(yīng)多次測設(shè)反光片與盾構(gòu)機軸線三維坐標(biāo),它們相對于盾構(gòu)機的軸線有一定的參數(shù)關(guān)系,即它們與盾構(gòu)機的軸線構(gòu)成局部坐標(biāo)系。測量時只需要測出三個反光片位置現(xiàn)在這些參考點的測量可以達到毫米的精度。已知的坐標(biāo)和測得的坐標(biāo)經(jīng)過三維轉(zhuǎn)換,與設(shè)計坐標(biāo)比較,就可以計算出盾構(gòu)機的姿態(tài)和位置參數(shù)等。6、自動導(dǎo)向系統(tǒng)的組成及功能自動測量系統(tǒng)主要由以下4個部分組成：圖表SEQ圖表\*ARABIC1圖4.1自動導(dǎo)向系統(tǒng)總體組成示意圖（1）具有自動照準(zhǔn)目標(biāo)功能的全自動馬達全站儀，主要用于測量角度（水平角、垂直角）、距離和發(fā)射激光。圖4.2萊卡全自動馬達全站儀（2）高精度圓棱鏡，主要用于接收、反射激光信號。圖4.3前視目標(biāo)棱鏡圖4.4后視棱鏡（3）計算機和隧道掘進軟件，軟件是自動測量系統(tǒng)的核心，它從全站儀等通信設(shè)備接收數(shù)據(jù)，并通過軟件計算，把數(shù)據(jù)以數(shù)字和圖形的形式顯示在計算機上。圖4.5計算機軟件測量數(shù)據(jù)顯示（4）通信電源箱，供給全站儀電源，保證全站儀和計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信。7、自動導(dǎo)向系統(tǒng)調(diào)試方法在盾構(gòu)機始發(fā)前要對導(dǎo)向系統(tǒng)進行調(diào)試。始發(fā)前根據(jù)控制網(wǎng)人工測量出切口中心、盾尾中心、鉸接中心、全站儀站點、后視點絕對坐標(biāo)以及盾構(gòu)機俯仰角、回轉(zhuǎn)角。將全站儀站點、后視點的三維坐標(biāo)輸入到計算機，機械校正盾構(gòu)機俯仰角（頭高為正）、回轉(zhuǎn)角（順時為正）。通過全站儀自動測量盾構(gòu)機三個目標(biāo)棱鏡的絕對坐標(biāo)。進入TargetCalc.exe程序，登錄全站儀自動測量的三個目標(biāo)棱鏡、人工測量的切口中心、盾尾中心、鉸接中心絕對坐標(biāo)以及俯仰角、滾轉(zhuǎn)角。程序會生成三個棱鏡以切口中心為坐標(biāo)原點建立的相對坐標(biāo)系的坐標(biāo)。圖4.6TargetCalc數(shù)據(jù)輸入其中平移長度請輸入0即可，都輸入完成后單擊計算（俯仰角和滾轉(zhuǎn)角須確認(rèn)和盾構(gòu)機上的已經(jīng)調(diào)試到一樣）。則棱鏡幾何坐標(biāo)會出現(xiàn)計算結(jié)果，接著將結(jié)果輸?shù)綔y量系統(tǒng)的棱鏡設(shè)定畫面中，進行目標(biāo)間確認(rèn)，保證三個目標(biāo)棱鏡的相對誤差小于10mm。圖4.7目標(biāo)棱鏡幾何坐標(biāo)設(shè)定將設(shè)計軸線坐標(biāo)文件拷貝到測量文件目錄下，系統(tǒng)將會在線形圖表里顯示設(shè)計軸線圖形（平、縱斷面圖）。圖4.8線形計劃設(shè)定（設(shè)計三維坐標(biāo)）調(diào)試完成后在計算機上進行ROBOTEC測量操作，即可顯示盾構(gòu)機軸線相對隧道理論軸線的位置關(guān)系。8、自動導(dǎo)向系統(tǒng)換站步驟地鐵隧道自動測量是一條支導(dǎo)線，它指示著盾構(gòu)的推進方向，隨著盾構(gòu)機的推進延伸，全站儀也要向前換站，保證全站儀和目標(biāo)棱鏡的通視。首先要記錄換站前盾構(gòu)機的姿態(tài)坐標(biāo)，在一號臺車附近選定一環(huán)管片安裝放置新站點的吊籃，在吊籃上放置換站棱鏡，新站點必須保持與全站儀通視。通過自動導(dǎo)向系統(tǒng)的換站系統(tǒng)測定換站棱鏡的坐標(biāo)，首先打開基本操作進行后視點復(fù)位后視點確認(rèn)在右下角顯示后視點偏差10mm以內(nèi)則可用否則不可用，然后打開基準(zhǔn)點設(shè)定，點擊測量頁面在右側(cè)輸入站點新命名點號在點擊下方‘測量’則自動全站儀會自動測量出新站點三維坐標(biāo)已于顯示下方在下方點擊‘追加’則新點則自動保存于基準(zhǔn)點設(shè)定里，然后將全站儀搬至新吊籃上，后視點搬至原站點吊籃上?；謴?fù)全站儀通信電源然后在基準(zhǔn)點設(shè)定把新站點坐標(biāo)登錄為測站原來的站點登錄為后視點點擊保存，然后關(guān)閉基準(zhǔn)點設(shè)定打開基本操作點擊電源打開當(dāng)出現(xiàn)On變成綠色則電源打開，然后點擊后視點復(fù)位，后視點確認(rèn)當(dāng)復(fù)位后右下角顯示偏差10mm之內(nèi)則新站點可用繼續(xù)掘進當(dāng)顯示很大則不可用需重新測量，反復(fù)換站操作直至整條隧道貫通。9、自動導(dǎo)向系統(tǒng)的維護保養(yǎng)由于地鐵隧道施工的復(fù)雜環(huán)境，為保證測量系統(tǒng)的安全和高精度性能，技術(shù)人員應(yīng)在施工過程中做好自動測量系統(tǒng)的日常維護保養(yǎng)工作：（1）自動全站儀在使用前須經(jīng)正規(guī)部門檢定合格，棱鏡自檢合格。（2）隧道內(nèi)管片上設(shè)置的吊籃須安裝牢固穩(wěn)定。（3）掘進過程中,定期檢查系統(tǒng)連接線并理順放置好。（4）系統(tǒng)換站過程中，儀器須裝箱搬站。（5）定期對全站儀和棱鏡進行自檢和保養(yǎng)。（6）禁止非測量技術(shù)人員觸動測量系統(tǒng)。10、檢查故障原因1.電纜中斷，受到擠壓或損壞。2.插頭或插座落入水中，油或泥中，一致發(fā)生短路。3.PC的插頭處松動。4.插頭連接裝置處松動。5.數(shù)據(jù)線非法連接。6.電子噪音或有故障的接口電源打不開或出現(xiàn)按鍵不動現(xiàn)象。7.必須的裝置未接入或未打開。8.由于不小心將‘傳輸’和‘接收’線接通。9.必須保證激光站全站儀與后視棱鏡和前視三個激光棱鏡的光線不收任何阻擋。10.激光強度太弱。11.全站儀與棱鏡之間的距離太遠。12.激光束未射到棱鏡上。13.不正確的水平參照方向(方位)激光器未被正確調(diào)整或未方平全站儀。14.站點和/或后視參照點的坐標(biāo)不正確。15.定位不正確。16.在隧道內(nèi)部由于反光作用導(dǎo)致距離測量結(jié)果不對。17.系統(tǒng)參數(shù)錯誤。18．?dāng)?shù)據(jù)庫中輸入了不正確的DTA（隧道設(shè)計軸線）解決措施建議1檢查電源包皮是否有明顯的受損如被碰撞或擠壓。如有任何的損壞應(yīng)迅速切斷電源，通過焊接1：1的導(dǎo)線并經(jīng)過小心的隔離并進行修復(fù)。這種修改需要有經(jīng)驗的電工或電腦技術(shù)人員來完成。如有足夠備用導(dǎo)線，最好全部更換，更換下來的以作備用線。建議2.3.4首先檢查插頭及插座與儀器的連接是否得當(dāng)，插頭與插座中是否有水浸入，當(dāng)發(fā)現(xiàn)插頭松動時，把插頭正確的插入相應(yīng)的插座里。如果有水進入插頭或插座里，需打開插頭或插座，曬干或進行全面的修復(fù)。建議5是否串行通訊口應(yīng)當(dāng)檢查潛在的錯誤連接。建議6關(guān)閉所有的應(yīng)用程序，關(guān)閉電腦，關(guān)下中央控制箱里的兩個空氣開關(guān)，等待30秒后，重新推上開光重新啟動電腦，重新打開需要的應(yīng)用程序。建議7需要的裝置未打開。建議8通過一個短插頭對接口進行最終檢查。如果至少有一個工作部正常，需用相同的類型多接口板代替原來的多接口板。建議9清楚障礙物（當(dāng)激光處于打開狀態(tài)時，不要通過全站儀的目鏡往里