隧道掘进机(TBM)VMT激光导向系统控制

精品文档-下载后可编辑隧道掘进机(TBM)VMT激光导向系统控制【摘要】云南省那邦水电站引水隧洞TBM工程使用VMT激光导向测量方法，取得了高精度贯通经验，文章对此进行了介绍，并提出了消除误差的应对措施。

【关键词】TBM；激光导向；测量；控制

1、工程概况

那邦水电站引水隧洞全长为9748.562m，引0+020.000m至引1+420.511m和引9+213.637m至引9+738.062m为钻爆法施工；引1+420.511m至引9+213.637m为TBM施工。过水断面为圆形，最小过水断面直径3.5m，开挖直径为4.5m，隧洞最小埋深约为60m，最大埋深约为600m。引水隧洞底坡为3.59‰。引水隧洞岩石中Ⅱ类围岩约占44%，Ⅲ类围岩约占34%，Ⅳ类围岩约占19%，Ⅴ类围岩估计在3%左右。

2、隧道掘进机（TBM）VMT激光导向系统工作原理

云南省那邦水电站引水隧洞工程隧道采用TBM法施工，单段掘进长为9.8km，为保证隧道掘进方位的准确性，在TBM掘进过程中，采用激光导向系统控制掘进方向。由于TBM掘进速度比较快，为保证隧洞掘进按设计洞轴线方向掘进，在掘进过程中，利用基本导线控制点及时对掘进机上的激光导向系统进行检查、纠正。控制激光导向系统测量采用TC1800型全站仪，仪器精度测角为±1"，测距为±（1mm+2ppm×D）mm。

在TBM上配备了VMT激光导向系统，用于测量和控制TBM的掘进方向；利用基本导线采用常规测量方法为TBM激光导向系统提供坐标；激光导向系统可快速、连续、准确地为TBM提供其轴线与隧洞设计轴线的相对偏差，并以刀盘位置偏差的型式数字化地显示于操作室，使TBM操作人员能及时了解TBM的位置；TBM操作人员根据显示的偏差，通过支撑系统油缸和刀盘护盾油缸的调整来进行TBM调向。

该技术方案采用的激光导向系统能连续给出数据，因此，TBM施工隧洞具有精度高、速度快和成本较低的优点，可确保TBM开挖洞线精确控制在设计洞轴线的偏差范围之内。

3、激光导向系统的测量控制方法

激光导向测量以安装在隧洞边墙上的激光站（激光器/经纬仪/测距仪）发出的激光为基准，接口单元使激光数据、距离、经纬仪的坐标（X；Y；H）与控制系统发生联系，并输出给控制单元。

当激光束照射到安装于TBM主机上的目标单元，目标单元测量出激光束与目标单元轴线的夹角在水平和铅垂面上的缺陷影角度、激光束照射到目标单元屏幕上的位置（X、Y）、目标单元的左右横向滚动角度、目标单元中的棱镜配合测距仪测出的经纬仪到目标单元靶屏幕距离。

所有这些数据通过连接电缆传送到控制单元的主计算机中，根据输入控制单元的隧洞设计轴线数据和激光经纬仪数据，并考虑到目标单元轴线与TBM主轴线之间的安装误差（此项误差用常规方法测验出并从控制单元输入），计算出TBM的当前位置（目标单元屏幕处TBM的各项数据），并计算出TBM刀盘中心与设计隧洞轴线的X、Y差值，操纵人员便可根据这些数据来控制TBM的位置。

随着TBM的不断前移，控制单元与激光器/经纬仪/测距仪之间的连接电缆不断放出，直到两者之间距离达到100～150m，此时激光/经纬仪/测距仪及接口单元应重新前移安装。

激光导向系统的洞内部分通过调制解调器、中继单元与放置于洞外的计算机和打印机联网，在计算机上可显示从控制单元传来的各项数据，对TBM的位置进行监视，并记录各项数据。

手提式终端可与PC机、控制单元和经纬仪附近接口单元相连接，向激光导向系统输入激光数据、隧洞设计轴线数据，并在激光导向系统出现故障时帮助进行各项测试以确定故障所在位置。

4、TBM掘进方向测量和调整措施

（1）为检验激光导向系统的正确性，可用常规方法测量主机的各项位置数据，算出目标单元里程处和刀盘中心（即预测位置处）与隧洞设计轴线的各项偏差，然后与控制单元上显示的各项数据相比较。允许误差如下：导向、仰视、滚向数据相差应在±1mm/m以内，当前位置相差应在±1mm以内，预测位置相差应在±25mm以内。

（2）目标单元检查和主机位置检测：每周对目标单元进行一次检查并对主机位置进行测量，测量前将控制单元显示数据抄下来与测量的TBM实际位置比较，相差小于1.7倍规定限差，然后将目标单元固定螺丝上紧，重新比较数据，如数据有变化，则更改控制单元次级屏页的原始数据；除了每周一次的例行检查以外，平时也应经常目视检查目标单元，看其固定螺栓有无松动，外表有无机械伤害，以及控制单元显示数据有无突变等，如出现此种情况，则应马上进行主机位置测量，以检核控制单元显示数据的正确性。

（3）经纬仪检查：每周对经纬仪状态进行一次检查，看其水准气泡是否移动，并重新后视拨角，如发现经纬仪支架移动或变形，则对经纬仪位置重新进行调整并输入。

（4）目标单元安装精度检查：目标单元的安装精度应符合以下要求：零滚向、零仰视、零导向均应小于0.5°，即小于8mm/m。如目标单元安好，主机位置测量好，在输入数据时发现上述参数超限，则应对目标单元进行调整，使上述数据尽量小。在调整困难时可将上述限差放宽到1°，即17mm/m。

（5）移动经纬仪时注意事项：向前移动经纬仪时，测距仪定位架可取下，但激光目镜不宜取下，避免重新安装时造成激光轴线与经纬仪视准轴不平行；取下和往支架上安装经纬仪时应特别注意拿稳仪器。

（6）刀盘偏差数据记录：每天对控制单元上显示的刀盘偏差数据和刀盘里程进行记录并保存。

（7）正确调向的特征：当调向正确时，洞壁表面比较规则，不会产生屋脊状表面，此时看不到因为偏向造成的痕迹；若表面出现台阶，则说明调向过度，应校正调向的作业方式。

（8）调向的限度要求：一个调向动作过程不能使边刀的移动量超过3mm；在约0.5m的行程上，边刀最大位移量为25mm；否则，刀盘上刮渣斗就会与岩壁发生接触，并造成损坏；随着边刀磨损增大，洞径减小，刀具和刮渣斗的空间也随之减小，上述极限也须相应减小。

（9）正常情况下，控制单元上数据显示的刀盘位置偏差数据不应大于25mm；如偏差较大，则应马上调整主机位置。