自动导向系统-201212月月北京讲课课件.ppt

1、盾构技术介绍,自动导向系统,主讲人：石家庄铁道学院 吕仲军 手 机 E-mail ：,主 讲 内 容,一、基础知识 1.1 盾构结构及盾构施工的基本概念 1.2 盾构法施工中的测量 1.3 盾构机掘进导向系统的国内外现状 1.4 盾构自动导向系统的发展趋势,二、盾构施工测量中的基本概念 2.1 隧道测量控制指标 2.2 隧道设计轴线 2.3 盾构施工需要测量的三个姿态角,三、盾构自动导向系统的组成 3.1 自动导向系统组成 3.2 自动导向系统的工作流程,四、盾构掘进偏差的测量 4.1 切口中心坐标的测量 4.2 盾尾中心坐标的计算 4.3 盾构机位置偏差量和角度偏差

2、量的计算 4.4 测量结果的表示方法,五 全站仪的使用与控制 5.1 全站仪的控制功能 5.2 系统对全站仪控制的实现,1 绪 论,1.1盾构结构及盾构施工的基本概念,盾构是一个既可以支承地层压力又可以在地层中推进的活动钢筒结构。盾构的前端设有支撑和开挖岩土的装置, 盾构的中段设有顶进所需的千斤顶, 盾构尾部拼装预制的管片或现浇挤压混凝土衬砌环。 隧道盾构法施工是以盾构在地下暗挖隧道的一种施工方法。与传统地铁施工方法(如明挖法、盖挖法、浅埋暗挖法等)相比较,盾构法的优点是安全、高速、不影响地面交通、不受气候条件影响和适用于各种不同软硬程度的含水和不含水的地层(盾构可按不同地质、水文地质条件进行

3、有针对性的专门设计),它是加速发展城市地下铁道的有效手段。,绪 论,绪 论,常用盾构有土压平衡式盾构（图 1.1）和泥水加压式盾构（图 1.2）两种。泥水加压式盾构与土压平衡式盾构在维持开挖面稳定性方面机理稍有不同，主要区别在于其控制开挖面的压力时分别采用了泥浆和流塑性土体。,绪 论,由图 1.1 和 1.2 可以看出，盾构钢壳组成基本可以分为切口环、支承环、盾尾三大部分，其它部件都附着安装在上面。在此对几个盾构专用部件加以说明：,刀盘是用来切削岩层或土层，为盾构前进打开通道的装置。刀盘上有许多通孔，其作用是使压力舱内的泥土压力或者泥水压力与作用在开挖面上的土压力和水压力保持平衡。土压平衡式盾

4、构开挖原理如图1.3，泥水加压式盾构开挖原理如图 1.4。,a)装在切口环前端的刀盘,绪 论,如图 1.5，铰接装置是一种有效的辅助手段，与楔形管片、仿形刀(或超挖刀)的超挖、曲线内外侧推进千斤顶的推力不同等配合在一起使用，使盾构在曲线段施工时转弯更加灵活方便，可以明显的改善小半径施工质量。有铰接油缸的盾构示意图如图 1.6 所示。,b)铰接装置,绪 论,图 1.5 铰接装置,如图 1.6 中所示，推进千斤顶是用来提供盾构前进的动力的装置。推进千斤顶安装在支承环内，大体等距离分布。推进千斤顶推力作用于管片，依靠管片反力推进盾构。推进千斤顶的推力不同，可以改变总推力的矢量方向，从而控制盾构的推进

5、方向。,c)推进千斤顶,绪 论,图 1.6 有铰接油缸的盾构示意,如图 1.1 中所示，螺旋排土器是用来把刀盘切削下来的泥土传送到传送带的装置。,d) 螺旋排土器,绪 论,城市地铁隧道的施工控制指标中，对盾构的贯通精度要求非常高，特别是在两台盾构对开挖掘的隧道工程中，如果贯通精度超过控制范围，就会导致隧道管线无法完成对接。同时，在地质条件变化较大的地层内施工，必须使盾构严格按照设计图纸规定的前进方向掘进，才能避开不利的地质环境。只有在盾构掘进的过程中，随时测量盾构的前进方向，才能确保工程施工的安全、质量、效率。所以盾构法施工中的测量工作,是一项重要的保障工作。 盾构机是通过控制推进千斤顶伸长量

6、来控制前进方向的。要准确的控制推进千斤顶，需要获得及时准确的施工测量信息，即盾构的掘进偏差量、偏差的方向等。这样才能对推进千斤顶作针对性的控制操作。,1.2 盾构法施工中的测量,绪 论,我国目前的盾构法地下铁道施工大多采用人工测量的方法，盾构停止推进开始拼装水泥管片的时候才能进行测量。这样的方法不能保证测量的实时性，不利于精确控制盾构机的前进线路。随着自动化技术的发展，各种新型的高精度自动化测量仪器以及高精度传感器的出现，使得盾构施工测量的自动化成为可能。自动导向系统，就是一种集测量、仪器仪表和计算机软硬件技术于一体，具有对盾构掘进姿态进行动态测量功能的系统。硬件负责获得数据，与之配套的软件则

7、负责处理数据，并反馈给控制人员，使之对即时信息做出相应反应，从而控制盾构的前进方向。现代化的盾构机自动导向系统则可以在盾构推进的过程中实时测量，并把信息及时反馈给工作人员。这不但减轻了工人劳动强度，并且由于检测的实时性，随时都可以检查挖掘点位置和姿态，很好的提高了控制的精确性。与普通盾构相比，配置自动导向系统的现代化盾构具有明显的优势。,目前国内盾构施工中有的还是采用人工测量来控制盾构的方向。施工人员在盾构内安装固定的前标和靠重力悬垂的后标，以及两个倾角仪，利用全站仪对前标和后标进行定位测量（如图 1.7），通过计算可以得到盾构的水平方位，同时通过倾角仪得到盾构的滚角和坡度角，然后再结合前标后

8、标在盾构内的安装尺寸，就能够计算出盾构此时的切口中心坐标和盾尾中心坐标，将坐标值带入隧道设计轴线的算法公式中，可以推算出盾构的推进里程、切平、切高、尾平、尾高。这种测量方法耗时耗力，测量时盾构必须停止掘进，严重影响工作效率，而且测量结果依赖测量人员的业务素质，难以得到保障。,绪 论,1.3 盾构自动导向系统的国内外发展现状,图 1.7 人工测量盾构位置,国外很早就开始研究盾构的自动测量导向系统，到目前为止共有几个不同的研究方向，如陀螺仪导向系统、全站仪与激光标靶导向系统、多棱镜测量法导向系统等。,日本的 GYRO 系统运用陀螺仪对盾构掘进机进行方位检测，能自动测量方位角和倾斜角。与掘进机的姿势

9、管理软件连接可较好地实现盾构掘进机的施工管理。由于影响陀螺仪精度的因素很多，加工工艺误差、信号检测误差引起的陀螺漂移会严重影响测量的精度。另外，环境温度的变化对陀螺的机械、电学性能影响较大,有的甚至是质的变化，这无疑也会导致陀螺精度的下降。所以这种导向系统应用比较少，在施工中陀螺仪仅作为辅助参考，主要还是依靠人工测量。,a)陀螺仪导向系统,日本 enzan 公司开发的 ROBOTEC 测量系统，利用全站仪自动搜索盾构内固定安装的三个反射棱镜，对棱镜的位置分别测量，然后根据三个棱镜与盾构中心的相对位置来计算盾构切口中心和盾尾中心的坐标，以此实现盾构掘进方向的检测。,b)棱镜法自动导向系统26,三

10、个棱镜与盾构切口中心和盾尾中心的相对位置是固定的，在安装时就经过了严格测量。三个棱镜点在三维空间上决定了一个三角形，该三角形与盾构的切口中心和盾尾中心相对位置是不变的。全站仪在一次测量过程中依次搜索到棱镜 1、棱镜 2、棱镜 3，分别对三个棱镜进行坐标测量。通过全站仪测量到三个棱镜的实际坐标，可以通过几何关系计算出盾构切口中心和盾尾中心在空间中的坐标。由于棱镜法是依靠三个棱镜的坐标来换算盾构的位置坐标，棱镜间的距离就与测量精度息息相关。因为全站仪测量棱镜坐标的精度有限，这样就要求三个棱镜之间的距离不能太短，否则无法达到隧道施工测量的精度要求。因此，盾构后部就必须留出足够宽的通视空间，使全站仪能

11、够分别搜索到三个棱镜。这给盾构后部的结构设计增添了许多限制，不利于盾构的设计与施工。另外，由于全站仪在一次测量中分别搜索三个棱镜，无法保持锁定棱镜的状态，棱镜随着盾构推进位置变化的时候，特别是在盾构在半径较小的圆弧形隧道内掘进时，棱镜位置变化较快，容易导致全站仪搜索棱镜失败，使得测量无法完成。,全站仪与激光标靶配合的自动导向系统采用的两个主要测量仪器部件是全站仪和激光标靶。该系统是通过激光标靶内置传感器测量盾构的滚角、水平方位和坡度角，通过全站仪对标靶上安装的棱镜进行定位测量，通过全站仪上的激光器提供激光源照射标靶感光面来测量水平夹角。与棱镜法相比，只需要盾构后方留出激光标靶的通视空间。新型的

12、全站仪具备有目标锁定功能，锁定目标棱镜后全站仪镜头会随着棱镜的运动而旋转，始终瞄准棱镜中心，由于只用瞄准激光标靶上的棱镜，全站仪可以一直锁定棱镜，测量的成功率要远大于棱镜法自动导向系统。目前国际上应用的全站仪激光标靶自动导向系统主要是德国 VMT 系统。,c)全站仪激光标靶导向系统,VMT 公司早期开发的导向系统中没有采用全站仪，激光源是固定在已知位置的激光器上，预设激光发射角度，光束打到激光标靶上，测量光斑的位置和光束与标靶的夹器，每次迁移都必须重新测量激光器位置，工作任务繁重。 该公司新型产品引入了带自动锁定棱镜功能的全站仪作为激光站，可以自动跟踪测量移动目标，极大的方便了曲线段施工测量。

13、VMT 公司的激光导向系统具备功能齐全、测量精度高等优点，代表了盾构导向技术的国际领先水平。根据实际施工得到的测量数据，VMT 公司的自动导向系统可以将盾构掘进偏差量的测量精度控制在10mm，可以有效的控制盾构的掘进，并最终使隧道成功贯通 。但是由于 VMT 激光导向系统造价高昂，而且是为德国海瑞克公司的盾构配套设计的，无法移植到其他盾构，再加上操作功能繁琐，对操作工人的技术要求高，使得 VMT 激光导向系统在国内的隧道施工中无法大规模采用。,随着国家基础建设的大规模展开，城市地铁工程将大量增加，盾构施工技术在未来还会有突飞猛进的发展。可以预见，今后盾构自动导向系统的发展将集中在以下几个方面：

14、 (1)高精度：随着电子技术和传感器技术的不断发展，新型的测量仪器不断出现，仪器测量的精度也越来越高，新的测量手段也层出不穷，盾构自动导向系统的测量精度将不断的提高。目前的自动测量系统可以将盾构掘进偏差量的测量误差控制在10mm，可将盾构掘进的偏差量控制在30mm 内。随着测量精度的提高，对盾构的操作控制将更加方便和有效。 (2)开放化：盾构自动导向系统要成为开放的系统，不仅能适用于各种型号的进口和国产盾构，还要使用于各种其他的地下隧道挖掘设备如顶管掘进机等，使得导向系统的应用范围更加广泛，安装使用更加方便。系统的开放性使施工管理更加方便，实现盾构施工的地面控制、多台盾构的同时控制也成为可能。

15、,1.4盾构自动导向系统的发展趋势,(3)智能化：近年来，随着自动控制的广泛应用,一些学者对盾构的自动控制进行了研究，提出了运用模糊控制来对盾构掘进进行控制的理论。模糊控制的特点类似人的思维,与经典控制理论的最大区别就是它没有严格的数学模型。模糊控制是在以往工作经验的基础上形成一系列的控制规则,依照这些规则对盾构进行控制。通过自动导向测量得到的盾构位置和姿态的参数，加上推进油缸的状态参数以及地下土层的特性等各种参量，来分析盾构应采用的操作手段以控制盾构的掘进趋势，为操作人员提供指导。,2 盾构施工测量中的基本概念,盾构施工阶段进行测量的主要任务是：确保盾构沿着设计好的路线挖掘前进，在规定的工程

16、期限内，以规定的精度正确贯通隧道。为此，自动导向系统的主要任务就是测量盾构推进过程中的偏差量，也就是盾构推进轴线的质量。,盾构推进轴线质量要求是根据工程总体轴线质量要求来定的。一般隧道标高控制在-20mm 80mm，平面控制为50mm；水工隧道标高平面控制均为150mm 。 隧道的标高控制，指的是隧道中心高度与设计高度的偏差量控制，平面控制指的是隧道中心与设计中心的水平偏差量控制。用于标高控制的量是切高、尾高，用于水平控制的量是切平、尾平，下面分别解释这几个量的含义。 (1)切平、切高指的是盾构切口中心点的位置相对隧道设计轴线在水平方向和垂直方向的偏差量，是控制盾构前进方向的必要条件。始终将切

17、平和切高控制在规定的范围内，就可以使盾构始终沿着设计轴线的方向前进，实现盾构推进方向的控制（如图 2.1）。,2.1 隧道测量控制指标,(2)尾平、尾高指的是盾构尾部中心点与隧道设计轴线在水平方向和垂直方向的偏差量，也是一组重要控制参数。在没有铰接油缸的盾构中，切口中心与盾尾中心的连线就是盾构的轴线，所以尾平、尾高和切平、切高结合起来可以明显的看出盾构目前和隧道设计轴线之间的角度偏移量（如图 2.2），从而推断盾构的推进趋势；另一方面它是隧道管片拼装的重要依据。,盾尾间隙。盾尾间隙是指盾尾内侧与管环外层间的空隙。在盾构转弯推进的过程中，为防止盾构尾部的盾体外壳与已经拼装好的水泥管片碰撞损坏管片

18、，就必须严格控制盾尾的偏移量。同时，测量得到的尾平、尾高可以为下一步要拼装的管片型号设计提供依据。,2.2.1 隧道设计轴线的组成 隧道设计轴线是进行隧道施工测量，进行隧道平面和标高控制的基准。为了确保隧道能够适应复杂的地质环境，以及地铁行驶的安全性以及工程造价、建造技术等其他因素，隧道设计轴线是以里程为量度的复杂曲线。设计轴线的长度称为设计里程。里程表示隧道曲线中线上点位到隧道起点的距离，是控制施工进度的重要指标。 设计轴线是由水平面上的设计曲线和纵剖面上的设计曲线合成的。平面上的和纵剖面上的设计曲线分别称为平面线形与纵面线形。 平面线形是指设计轴线在水平面上的投影形状，纵面线形是指设计轴线

19、在纵剖面上的起伏形状（如图 2.3）。,2.1 隧道测量控制指标,在测量过程中，求出盾构掘进偏差量需要两个条件，一是盾构当前的实测坐标，另一个是该坐标对应的隧道里程和该里程对应的设计轴线上的测点坐标。 因此，就必须对隧道设计轴线进行计算，得到里程与坐标点的关系式。 隧道设计轴线是水平线形和纵剖面线形合成的，所以要计算隧道设计轴线上点的三维坐标，就必须将水平线形和垂直线形合成。以里程为变量l，得到隧道设计轴线上点的三维坐标 如下式： （xl,yl ,zl） =f( l) 为此，需要分别对平面曲线和纵面曲线进行计算。需要说明的是，平面曲线和纵面曲线在设计时，给出的里程条件都是三维空间内的里程值。,

20、2.2.2 平面曲线 平面曲线由直线、圆弧和缓和曲线三种线形平滑的连接而成（如图2.4）。图中曲线的里程为平面里程 l/，并不是设计轴线在三维空间上的里程 I。,由于在设计之初，曲线的设计里程就是三维空间内的里程值 l，所以里程 l不能用作平面投影曲线的计算参数。但是工程上要求水平面曲线上的点坐标(x,y)要与里程 l 相关联，即(xl , yl)=f(l)。由于地铁隧道纵剖面曲线的俯仰程度很小，可将水平面内曲线里程 l与空间内的里程 l 之间的关系看作是以水平曲线总长度 L与三维空间内总长度 L 的等比关系,即 : 则可根据水平面上点与水平曲线长度的公式: 推出 下面分别就直线、圆弧、缓和曲

21、线的数学计算进行分析。,(1)在直线上，X 与 Y 存在简单的线性关系。设直线段方位角为 ，则 为定值。在坐标系中里程 l与 X ，Y 坐标值关系如下，其中 X0，Y0 为起始点坐标： (2)圆弧曲线是隧道从一个直线段转到另一个直线段所必须的基本曲线。计算圆弧曲线时，需要起始点的坐标（x0,y0），起始点方位角 ，圆弧半径R，其中圆弧半径为正的时候圆弧沿前进方向向右偏转，圆弧半径为负的时候圆弧沿前进方向向左偏转（如图 2.5）。,以起始方位角的方向为坐标轴 X，起始点为原点求圆弧上的坐标可以通过下式得到： 通过坐标投影变换，可以得到圆弧上点在测量坐标系中的坐标（x,y）具体计算式如下： 然后将

22、平面上的里程 l/代换成三维坐标系中的里程 l，就可以求出圆弧曲线坐标点与里程 l 的关系式(xl , yl)=f(l)。,(3)缓和曲线是圆弧与直线段之间的过渡曲线。 缓和曲线在地铁隧道设计中是必须的。若无缓和曲线轨道进行缓冲，当地铁直接从直线轨道驶入圆弧轨道，瞬间产生的巨大离心力容易损坏轨道侧面铁轨，严重的会导致地铁出轨。 缓和曲线轨道可以使离心力从零开始逐渐增大，便于铁轨逐渐增厚，逐渐增加抗力。从与直线段相连的点开始，缓和曲线的曲率从零逐渐增大，直到与圆弧相连的点时曲率与圆弧曲率相等。要确定一条缓和曲线，需要给出缓和曲线的起 点与终点坐标、缓和曲线长度以及连接的圆弧半径。圆弧与两条相临的

23、直线段的位置是对称的，所以两边的缓和曲线也是对称分布的。圆弧两边的缓和曲线的长度、转向都是相等的。缓和曲线的公式较复杂。如图 2.6，将直线方向视为 X/轴，缓和曲线总长为 L,缓和曲线连接的圆弧半径为 R， l /为从缓和曲线起点到所求点的平面曲线长，直缓点视为原点求取缓和曲线上点的坐标（x/,y/）。,图中视为缓和曲线上点的切线与直线的夹角，随着缓和曲线延伸，逐渐增大，当 l/=L 时，=L/(2R)。在所求点 M（x/,y/）之后取一段微分弧段 dl /处的 N 点，由于 dl /非常短，可视作直线段，则该直线段在 X/和 Y/上的分量分别为 dx/=cosd l/,dy/=sind l

24、/。 以如下的泰勒公式展开然后积分： 可以得到如下近似公式： 当缓和曲线的起始点方位角为 ,起始点坐标为（x0,y0）时，利用坐标投影公式求实际坐标系中的坐标： 通过上述公式计算出坐标与平面里程 l/的关系式，然后将平面上的里程 l/代换成三维坐标系中的里程 l，就可以求出圆弧曲线坐标点与里程 l的关系式,2.2.3 纵面曲线 纵面曲线是描述隧道设计轴线在高度方向俯仰变化的曲线。与平面曲线不同，因为纵向的离心力对铁轨和地铁机车没有什么损害，所以纵面曲线没有缓和曲线的线形，只有直线和圆弧两种线形。在纵剖面坐标系中，两个坐标轴分别是高度轴 Z，平面里程轴 L（如图 2.7）。由于纵剖面上的线形长度

25、就是三维空间上的里程值，所以可以直接以公式(zl)=g(l)计算设计轴线的 Z 坐标值 。,（1）在直线上，Z 与里程 l 存在简单的线性关系。设直线段坡度角为，则为定值。在坐标系中里程l与 Z 坐标值关系如下，其中 Z0 为起始点坐标： Z = Z 0 + l sin (2.6) （2）计算圆弧曲线时，需要起始点的坐标 Z0，起始点坡度角，圆弧半径 R，圆弧曲线上点的里程为 l。 如图 2.8，求圆弧上点 C 的高度值 Z。做辅助线，可以求出： BC=Rsin(l/R)、 EC=BCsin、 BF=R-Rcos(l/R)、 AB=DE=BFcos， 就可以得到 Z=Z0+CD。 则 C点高度

26、的值由下式求出：,2.2.4 隧道设计轴线数据库 在自动导向系统软件中，为了获得隧道设计轴线线上点的坐标值，需要建立隧道设计轴线数据库，数据库中包含了隧道里程以及里程对应的隧道三维坐标以及轴线在该里程点的水平和垂直方向前进角度等信息。每次测量出盾构切口中心坐标和盾尾中心坐标，就进入数据库进行搜索，查询该坐标点在数据库中对应区域的设计轴线参数，这样才能以此为依据判断盾构推进的位置偏差和角度偏差。 由于隧道设计轴线是在三维空间上进行变化的复杂曲线，不能用简单的数学公式表达整条隧道轴线的三维坐标值和轴线角度与隧道里程的关系。为了建立完备的隧道设计轴线数据库，我们在隧道设计轴线上以相等的里程增量选取一

27、系列坐标点，将这些相临点首尾相连，以首尾相连的等长直线段序列来拟合隧道轴线。数据库中存储了直线段端点的坐标以及该端点的里程值（如图 2.9）。只要直线段长度足够短，便可以将直线段的连线近似看作隧道设计轴线。这样通过相临两点的坐标可以求出该段设计轴线的水平方向角度和垂直方向角度，同时也易于计算测量点坐标到设计轴线的水平偏量和垂直偏量。,隧道设计轴线数据库以数据文件的形式存储于电脑中，可以修改数据也可以添加数据。自动导向系统每次测量得到盾构切口中心和盾尾中心坐标，就进入数据文件中寻找与坐标点最近的两个设计轴线坐标点，从而计算出盾构推进的里程、位置偏差和角度偏差。,2.3 施工需要测量的几个姿态角,

28、为了获得盾构的掘进偏差量，就必须得到切口中心和盾尾中心坐标。盾构内的某个固定点可以直接测量得到位置坐标，该点到切口中心和盾尾中心的相对距离是确定的，这样只要知道盾构的姿态角就可以计算出切口中心和盾尾中心的点坐标。 盾构是一个滚桶状的大型活动钢铁结构，它的姿态是通过三个方向上的角度来确定的，分别是滚角、水平角和坡度角（如图 2.10）。 滚角指的是盾构在推进的过程中，由于刀盘转动的反作用力，使得盾构沿自身轴线旋转的角度。滚角必须控制在较小范围内，否则盾构无法正常推进。当滚角超过一定范围后，就必须纠正。滚角的控制值常规情况下在+3-3之间在较松软的土层或泥浆层中由于土层与盾构的摩擦力变小，滚动速度

29、较快，滚角可能会达到+5-5。,坡度角指的是盾构轴线相对于水平面的俯仰角。城市地铁隧道曲线的起伏变化不大，盾构推进的坡度角因此也在一个较小的范围内变化，一般为3。水平方位角，指的是盾构轴线在水平面上的投影与测量基准坐标轴 X 的水平夹角。 水平方位角，指的是盾构轴线在水平面上的投影与测量基准坐标轴 X 的水平夹角。 滚角是沿着盾构轴线运动产生的，不会改变切口中心的坐标，但是由于全站仪是通过测量盾构内的固定点坐标来换算盾构切口中心的坐标的，滚角使得固定点相对于切口的位置发生改变，所以滚角必须参与坐标换算（如图 2.11）。 三个姿态角结合起来，对盾构内固定点的坐标进行换算，就可以得到盾构的切口中

30、心坐标和盾尾中心坐标。,3 自动导向系统的组成,要计算出盾构的切口中心和盾尾中心点的坐标，就必须在盾构内测量一个固定点的坐标，还必须测量得到盾构的角度姿态，下面就根据这些数据的测量来选择仪器设备，构造自动导向系统的硬件组成。,3.1 系统的组成,自动导向系统要实现对盾构机的位置和角度测量，需要在盾构机上建立测量目标点（激光标靶），需要用仪器测量目标点的坐标位置，从而换算出盾构切口中心和盾尾中心的坐标位置。在具有铰接装置的盾构机中，要通过目标点坐标换算盾尾中心的坐标，就需要知道盾首与盾尾的轴线角度变化，因此需要知道铰接油缸的长度从而换算盾首和盾尾轴线的夹角。所以测量系统主要有以下四部分组成：,(

31、1)激光标靶。激光标靶是一种精密仪器，严密封装在金属箱体内（如图3.1）。 图 3.1 激光标靶外观图 标靶下部安装有反射棱镜,以便仪器测量激光标靶的位置和自动锁定激光靶。标靶正面是感光面，接收全站仪发出的激光束,通过标靶内部传感器测量得到激光束对标靶表面的偏航角。标靶内部在横向和纵向分别安装一部倾角仪，用来测量标靶的滚角和坡度角。激光标靶固定在盾构机的机身内,在安装时其位置就确定了,安装后要通过精确测量标定标靶棱镜在盾构机内的相对位置。 激光标靶固定安装在盾构的内部，由于全站仪安装在隧道内已经铺好的管片上，与标靶距离较远，两者之间有各种设备仪器，所以必须在盾构后部预留足够的通视空间，使得全站

32、仪可以无遮挡的瞄准标靶棱镜。 激光标靶的数据通讯接口连接于控制室微机的 RS232 串口上，用于传输标靶测量到的数据，如滚角、坡度角以及激光束与标靶平面的夹角等。,(2)具有自动锁定目标棱镜功能的全站仪。 全站仪测量到标靶棱镜的距离，同时为标靶的水平方位角测量提供了光源。标靶棱镜随盾构机运动而运动，可能偏离出全站仪的镜头中心。为了使全站仪能够锁定不断运动中的标靶棱镜，实现实时跟踪测量，全站仪必须具备自动目标锁定功能。 为了给激光标靶平面提供激光源以测定水平方位，全站仪内镜头上方内置一个与全站仪镜头轴线平行的激光器，由全站仪提供电源并控制操纵（如图3.2）。由于激光器发射的激光用来测量与激光标靶

33、夹角，激光必须与全站仪镜头轴线平行度非常高，这就要求激光器的安装非常精确，激光的准直性必须非常好，否则无法满足角度测量的精度要求。 由于自动导向系统需要在隧道中做不间断的长时间测量，电池供电不能满足需要，需要外接电源供电。全站仪上有五针接口，其中两针用于 RS232 串口通讯，两针用于电源供应和接地（如图 3.3）。,另外，由于盾构要不断向前推进，全站仪与安装于盾构控制室内的计算机之间的距离较远，最远可达 100 米以上。RS232 串行传输协议不能满足长距离数据传输的需要，因此在全站仪附近要加装串行信号转换模块，将 RS232 信号转换为 RS485 信号，通过电缆传送到控制室计算机的 RS

34、485 接口上。为防止隧道内的恶劣环境造成设备意外的损伤，串行信号转换模块和电源供应模块都封装在密闭的箱体内，固定于全站仪附近。,(3)内置于盾构机中的 PLC 测量模块，用于采集盾构机铰接油缸的长度数据以及盾构推进和停止的信号。铰接油缸长度的测量是通过光电传感器进行的。在盾构的操纵室内有一整套独立于自动导向系统的盾构监控软件系统，该系统以组态软件编制而成，通过对 PLC 模块的控制来监视盾构的各种系统工作状态。铰接油缸上安装有光电传感器，光电传感器接收监控系统的命令测量铰接油缸的长度，储存于 PLC 的数据区中。 自动导向系统通过串行接口向 PLC 模块发送读数据命令，采集 PLC 数据区储

35、存的铰接油缸长度，通过对油缸长度和盾构半径的计算，得到盾构前后部分的轴线之间的夹角。,(4)带有自动导向系统软件的计算机。软件是自动导向系统的核心,它通过 计算机实现对全站仪的操作控制，并从全站仪、激光标靶和 PLC 等设备采集数据,完成测量算法。,3.2 系统的工作流程,系统的各部分通过计算机联系起来，构成一个完整的系统进行测量工作。整个导向测量系统的工作流程如图 3.5。 全站仪通过后视棱镜进行自身定位，并设置全站仪水平角度值全站仪旋转镜头到盾构方向搜索激光标靶上的棱镜瞄准激光标靶上的棱镜，测量斜距和全站仪镜头角度，同时发射激光到激光标靶感光面上，测量盾构轴线的方位角计算得到激光标靶上的棱

36、镜坐标，再和激光标靶测量得到的角度值相结合进行盾构切口中心坐标的计算根据从 PLC 系统中采集出来的盾构铰接油缸的长度以及盾构其它的机械参数计算出盾尾的坐标根据隧道设计轴线数据和计算模块计算出隧道设计轴线上等距离分布的点坐标根据设计的算法由测量得到的盾构机切口坐标推导出此时的推进里程，再由推进里程在盾构设计数据中求得此时盾构机切口和盾尾中心的理想坐标将理想坐标和前面测量出的实际坐标进行比较计算，就可以得出此时的盾构机的切口和盾尾中心的位置误差和盾构推进的角度偏差测量结果记录。,4 盾构掘进偏差的测量,盾构掘进偏差的测量过程是导向技术的核心所在。本章研究了利用仪器对接测量得到的数据进行运算，最后

37、得到盾构掘进偏差量的全过程,4.1 切口中心坐标的测量,4.1.1 隧道三维坐标系的确定 隧道三维坐标系的三轴方向定义为：Z 轴垂直向上；X 轴指向正北，就是方位角零度的方向；Y 轴指向正东，为水平方位角九十度的方向；原点由城市规划设计部门设定（如图 4.1）。,4.1.2 标靶棱镜的坐标与计算 全站仪安装在隧道管片上固定的观测台上，观测台后方远处隧道管片同样也固定着观测台，安装后视棱镜，两个观测台基座中心的三维坐标是事先严格测量得到的。全站仪以基座中心坐标位置为基准坐标值，以瞄准后视棱镜得到的水平角度为方位角基准，测量标靶棱镜的三维坐标（如图 4.2）。 设后视点的坐标为（a,b,c），观测

38、台的坐标为（a/,b/,c/），通过后视点和观测台的平面坐标可以计算出从后视点到观测台的线段水平方位角 A。 然后测量到标靶棱镜的距离 L，全站仪到标靶的仰角 T，可以由式 4.1 得到标靶棱镜的坐标(x0,y0,z0)。,4.1.3 盾构机轴线方位角的测量与计算 通过标靶与计算机的数据通讯接口可以得到标靶光栅转动的角度。由于标靶存在着俯仰角（倾角仪测量的坡度角）以及滚角（倾角仪测量的滚角），得到的角度还不是标靶轴线与激光在水平方向上的夹角 (如图 4.3) 。 要获得标靶轴线与激光束夹角水平方向的投影/,可如图 4.4 设置辅助线， 其中， tan = DE /AD、 tan = DF /F

39、E、 tan = DB /AB，令 AD=L，则通过下列计算式可以推算出式 4.2，求取/,全站仪可以采集到激光束在隧道三维坐标系中的水平方位角，则激光标靶轴线的水平方位角=+/ 。,将激光标靶反射棱镜设为相对坐标系的原点,相对坐标系三轴方向的定义如图 4.5 所示。则切口中心在相对坐标系中的坐标为(A,-C,-B)，它的齐次坐标可表示为(A,-C,-B,1)。标靶棱镜在隧道坐标系内的坐标(x0,y0,z0)可以由全站仪直接测量得到。,则切口中心在隧道坐标系内的坐标位置可以看成是它在相对坐标系中的坐标位置经过绕 Y 轴旋转角度，绕 X 轴旋转角度?，绕 Z 轴旋转角度，平移变换移动量(x0,y

40、0,z0)。则切口中心在隧道三维坐标系中的坐标(x,y,z)可以通过标的旋转变换和平移变换，用式 4.3 计算得到。,其中，水平方位角的零方向为正北，变化范围是（0，360），顺时针方向为角度增加方向；盾构滚角顺时针方向为正；当盾头仰起时坡度角为正。,4.2盾尾中心坐标的计算,盾构机没有安装铰接油缸时，盾尾中心与切口中心都位于盾构机轴线上，则盾尾中心的坐标计算也可以用式 4.3 求取，不同之处在于盾尾中心在相对坐标系中的坐标为(-D ,-C, -B)。,4.3 盾构机位置偏差量和角度偏差量的计算,隧道设计曲线的形式是一条以曲线长度(隧道里程)为自变量得到曲线上点的坐标的曲线函数，实际设计时是以

41、曲线上一组等距离的坐标点序列代替连续的函数。如式 4.6，i 为点系列的序号，Li 为该点的里程。 当相临两点之间的距离取的很小时，坐标点序列就可精确的拟合出整条隧道设计曲线，点越密越精确。但在实际操作中，每隔 1 米取一点就已足够达到施工要求的精度。,盾构机轴线 AB 与设计曲线的水平面投影如图 4.8。要计算盾首中心 A 点的平面偏差，首先要查找到 A 点位于轴线的什么位置。通过逐次比较设计曲线点序列中的每一个点，找到与 A 点,距离最近的点 C，然后找到点 C 的下一点D。则水平偏差 AE、垂直偏差 Va、盾首里程 La 可以由式 4.7 计算。 式 4.7 中 Lc 为轴线上 C 点处

42、的里程、Zc 和 Zd 分别为 C 点和 D 点的高程坐标值。 水平角度偏差H、垂直角度偏差V 的计算如式 4.8。式 4.8 中 Xc、Xd、Yc、Yd 分别为 C、D 两点的 X，Y 轴坐标。 同理，将盾尾中心 B 的坐标运用上述三个公式计算，可以求出盾尾中心的里程，垂直和水平位置偏差，坡度角和水平方位角的偏差。,4.4 测量结果的表示方法,系统经过一次完整的测量后会得到盾构目前的切口里程、切高、切平、尾高、尾平以及前进方向偏差等数据。在得到这些数据后会在软件主界面中显示出来供操作人员随时观察。为了提高观测的直观程度，系统以图形显示推进状态，图中黑色十字坐标线代表以设计轴线为原点的垂直于前

43、进方向的平面坐标系，小十字丝中心点坐标表示切口中心的掘进偏差，小十字丝的偏角方向表示盾构前进角度方向的偏差（如图 4.9）。坐标系的 X 轴数值表示切平、Y 轴数值表示切高。掘进误差的图形显示要求掘进偏差值在一定范围内，超出这个范围系统就会报警。,5 全站仪的控制,在自动导向系统中，对全站仪的控制操作是一个重点。只有通过对全站仪的控制，才能完成定位、测量等导向系统的主要功能。系统对全站仪的控制全部是通过串口发送命令实现的。本章讨论了系统需要控制全站仪完成的各种功能、以及系统如何对全站仪实现控制。,5.1 全站仪的控制功能,5.1.1 全站仪的定位操作 全站仪固定安装在观测台基座上后，全站仪自身

44、的坐标系还未与隧道测量坐标系统一，还不能用于测量棱镜的坐标。因此，在系统开始测量工作之前，首先要对全站仪自身位置进行标定。系统中先设置了全站仪基座中心和后视点中心的坐标，则系统自动计算出两点间线段的水平角度和斜距。安装全站仪时手动使全站仪瞄准后视，然后启动“全站仪定位”功能，全站仪自动精确瞄准后视棱镜，测量得到的斜距与计算得到的斜距偏差在允许范围内，则将全站仪的水平角度读数设置为计算得到的理论角度值。若计算出斜距误差过大，则需要重新对全站仪基座和后视棱镜坐标进行人工测量。然后在系统中设置全站仪基座中心和后视点中心的坐标。全站仪定位完成后，自动旋转回到标靶方向搜索标靶棱镜，开始测量工作（如图 5

45、.1）。,5.1.2 全站仪的复检 在盾构推进过程中，推进油缸作用力于水泥管片上，以获得盾构前进的推力。水泥管片在推力作用下，由于挤压作用，可能使固定在管片上的全站仪基座发生微小的位移，全站仪基座的坐标就发生了变化，直接影响到了测量计算的结果。为了避免这一误差，系统中设定了全站仪对自身位置的复检功能。 系统设定一个整数 N 作为复检的周期，当系统连续测量标靶达到 N 次后，全站仪就自动的旋转镜头搜索后视棱镜，自动精确定位后瞄准测量。测量得到的水平角度和斜距与设定的两点坐标换算得到的数据相差不超过限值，则全站仪旋转镜头，继续瞄准标靶自动测量，否则说明全站仪自身的基座所在管片已经位移超限，必须重新

46、标定全站仪基座坐标。 实际施工中，由于隧道掘进的速度不快，全站仪基座位置的变化是极为缓慢的，为了避免全站仪频繁的旋转，影响全站仪的使用寿命，复检的周期一般较长（如图 5.2）。,5.1.3 移站 当盾构推进了足够远的距离后，全站仪所发出的激光已经不足以在激光标靶感光面上获得偏角数据，这时候就需要将全站仪以及后视棱镜前移至新的基座。另外，在曲线隧道中掘进的时候，随着盾构的偏转，激光与激光标靶的夹角不断增大，可能超出偏航角测量的最大限值，甚至于标靶被隧道边壁所遮挡，全站仪无法照准，这个时候也需要移动全站仪来重新对准标靶。移动全站仪之前，需要在新基座上安装棱镜，通过全站仪测量新基座的坐标值，然后将全

47、站仪安装在新基座上，后视棱镜也相应前移，与此同时更新全站仪与后视点的坐标参数。这一过程称之为移站。 为了提高移站的工作效率，系统设置了“自动移站”的功能模块。相比人工移站需要繁杂的计算过程，自动移站除了搬运全站仪和后视棱镜需要人工操作外，其余计算功能全部自动完全站仪的正镜法和倒镜法经过多个测回（一个测回代表一次完整测量），取计算结果的平均值。这样得到的测量结果是十分精确的，基本可以忽略由移站测量引起的误差。自动移站功能全部实现了人工测量所采用的步骤，确保了移站计算的精度。由于全站仪要自动搜索新安装的基座棱镜，需要系统给出棱镜所在的大概角度方位。需要注意的是，一般来说前置的棱镜基座,与标靶棱镜相

48、对于全站仪来说处于大概相同的角度方位上，为了防止全站仪将标靶棱镜误判为前置棱镜，移站时需要将标靶棱镜遮住。移站完成后，重新将全站仪对准后视进行定位，就可以开始新的测量了。移站的具体实现步骤如下：,5.2 系统对全站仪控制的实现,全站仪的远程控制是通过串口进行的。控制全站仪的指令十分复杂，所有在全站仪面板上可以完成的操作都能通过指令来实现。生产全站仪的公司为用户提供了 GEOCOM 驱动程序，便于用户利用计算机对全站仪进行二次开发，利用 GEOCOM 系统，可以在计算机上控制全站仪完成全站仪自身具备的所有操作功能。下图是 GEOCOM 系统的主要结构：,GEOCOM 驱动系统是通过串口实现计算机

49、对全站仪的点对点通讯来实现指令发送以及状态反馈，主要包括以下主要功能模块： （1）COMF：用于处理基本的串口通讯参数，实现全站仪与计算机的物理通讯。 （2）BAP：提供基本的数学函数供全站仪处理测量的数据。 （3）MOT：用于控制设备电机的移动速度和移动方向。 （4）AUT：实现全站仪的自动目标搜索、换操作面、自动定位等操作。 （5）TMC：实现全站仪测量和计算的核心模块。 （6）EDM：实现电子测距功能。 （7）CSV：提供全站仪的基本信息资料。 （8）BMM：提供全站仪工作状态，返回报警信息。 （9）SUP：用于设定全站仪的内置参数。 （10）COM：用于打开或关闭全站仪。 （11）CT

50、L：该模块用于实现系统对目标棱镜的锁定控制。 这些功能模块内置在全站仪中，计算机通过串口发送指令来调用每个功能模块，驱动全站仪进行工作。,参考文献,1 朱伟，陈仁俊盾构隧道施工技术现状及展望第 1 讲盾构隧道基本原理 及在我国的使用情况岩土工程界，4(11) 2 何其平盾构选型施工技术，2003(1)：43-47 3 杨乃刚盾构机中的铰接装置建筑机械，2003(4)：23-25 4 李惠平，夏明耀盾构姿态自动控制技术的应用与发展地下空间， 2003(3)：75-78 5 VMT GmbH ，SLS-T Manual 6 王暖堂盾构隧道施工中的测量技术研究铁道建筑，2002(12)：2-5 7

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