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盾構(gòu)機激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理
摘要: 以德國VMT公司的單圓盾構(gòu)機為例,介紹盾構(gòu)機和激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成,探討激光導(dǎo)向系統(tǒng)的工作原理。重點揭示激光導(dǎo)向系統(tǒng)的測繪學(xué)原理�？偨Y(jié)提高激光導(dǎo)向系統(tǒng)測量精度應(yīng)采取的措施。
關(guān)鍵詞:隧道施工;盾構(gòu)機;地鐵;控制測量;導(dǎo)向系統(tǒng);姿態(tài)解算;修正曲線
20世紀(jì)70年代以來,盾構(gòu)掘進(jìn)機施工技術(shù)有了新的飛躍。伴隨著激光、計算機以及自動控制等技術(shù)的發(fā)展成熟,激光導(dǎo)向系統(tǒng)在盾構(gòu)機中逐漸得到成功運用、發(fā)展和完善。激光導(dǎo)向系統(tǒng),使得盾構(gòu)法施工極大地提高了準(zhǔn)確性、可靠性和自動化程度,從而被廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、市政、油氣等專業(yè)領(lǐng)域。
全面理解激光導(dǎo)向系統(tǒng)的原理,有助于工程技術(shù)人員在地鐵的盾構(gòu)施工中及時發(fā)現(xiàn)問題,解決問題,保證隧道的正確掘進(jìn)和最后貫通;有助于國產(chǎn)盾構(gòu)機研制工作的開展。
1、盾構(gòu)機和激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成
1.1 盾構(gòu)機的組成
盾構(gòu)機按推力方式可分為網(wǎng)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(xiàn)了雙圓、三圓及多圓等異構(gòu)形。它們的組成有一定差異。其中,土壓式單圓盾構(gòu)機在我國應(yīng)用比較普遍。它主要由盾體(含刀盤等)、管片拼裝機、排土機構(gòu)、后配套設(shè)備、電氣設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、SLS-T激光導(dǎo)向系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備組成。
1.2 激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成
激光導(dǎo)向系統(tǒng)是綜合運用測繪技術(shù)、激光傳感技術(shù)、計算機技術(shù)以及機械電子等技術(shù)指導(dǎo)盾構(gòu)隧道施工的有機體系。其組成(見圖1:激光全站儀(激光發(fā)射源和角度、距離及坐標(biāo)量測設(shè)備)和黃盒子(信號傳輸和供電裝置);激光接收靶(ELS Target,內(nèi)置光柵和兩把豎向測角儀)、棱鏡(ELS Prism)和定向點(Reference Target);盾構(gòu)機主控室(TBM Control Cabin):由程控計算機(預(yù)裝隧道掘進(jìn)軟件,具有顯示和操作面板)、控制盒、網(wǎng)絡(luò)傳輸Modem和可編程邏輯控制器(PLC)四部分組成;油缸桿伸長量測量(Extension Measurement)裝置等。其中,隧道掘進(jìn)軟件是盾構(gòu)機激光導(dǎo)向系統(tǒng)的核心。
2、激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機控制測量在盾構(gòu)施工中的地位和作用
地鐵盾構(gòu)法施工過程如圖3所示。在隧道掘進(jìn)模式下,激光導(dǎo)向系統(tǒng)是實時動態(tài)監(jiān)測和調(diào)整盾構(gòu)機的掘進(jìn)狀態(tài),保持盾構(gòu)機沿設(shè)計隧道軸線前進(jìn)的工具之一。在整個盾構(gòu)施工過程中,激光導(dǎo)向系統(tǒng)起著極其重要的作用:
(1)在顯示面板上動態(tài)顯示盾構(gòu)機軸線相對于隧道設(shè)計軸線的準(zhǔn)確位置,報告掘進(jìn)狀態(tài);并在一定模式下,自動調(diào)整或指導(dǎo)操作者人工調(diào)整盾構(gòu)機掘進(jìn)的姿態(tài),使盾構(gòu)機沿接近隧道設(shè)計軸線掘進(jìn)。
(2)獲取各環(huán)掘進(jìn)姿態(tài)及最前端已裝環(huán)片狀態(tài),指導(dǎo)環(huán)片安裝。
(3)通過標(biāo)準(zhǔn)的隧道設(shè)計幾何元素自動計算隧道的理論軸線坐標(biāo)。
(4)和地面電腦相連,對盾構(gòu)機的掘進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。
從盾構(gòu)施工基本過程(圖3)可以看出,激光導(dǎo)向系統(tǒng)不能夠獨立完成導(dǎo)向任務(wù),在盾構(gòu)機始發(fā)、該系統(tǒng)啟用之前,還需要做一些輔助工作:首先,激光全站儀首次設(shè)站點及其定向點坐標(biāo),需用人工測定。其次必須使用人工測量的方法,對盾構(gòu)機姿態(tài)初值進(jìn)行精確測定,以便于對激光導(dǎo)向系統(tǒng)中有關(guān)初始參數(shù)(如激光標(biāo)靶上棱鏡的坐標(biāo),內(nèi)部的光柵初始位置及兩豎角測量儀初值等)進(jìn)行配置。
盾構(gòu)機姿態(tài)是指盾構(gòu)機前端刀盤中心(以下簡稱“刀頭”)三維坐標(biāo)和盾構(gòu)機筒體中心軸線在三個相互垂直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角等參數(shù)。盾構(gòu)機姿態(tài)除了可以通過人工測量、單獨解算方式獲得外,還可以由導(dǎo)向系統(tǒng)實時、自動地獲取。用人工測量方式獲得盾構(gòu)機姿態(tài)的過程,被稱作“盾構(gòu)機控制測量”。盾構(gòu)機控制測量的另一個作用是:在盾構(gòu)機掘進(jìn)過程的間隙,對激光導(dǎo)向系統(tǒng)采集的盾構(gòu)機姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢核,對激光導(dǎo)向系統(tǒng)中有關(guān)配置參數(shù)進(jìn)行校正。
3、盾構(gòu)機激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理:
3.1盾構(gòu)機激光導(dǎo)向系統(tǒng)涉及的坐標(biāo)系
(1) 地面直角坐標(biāo)系(O-XYZ):簡稱地面坐標(biāo)系,根據(jù)隧道中線設(shè)計而定,一般為地方坐標(biāo)系。洞內(nèi)(外)控制點、測站點、后視點以及隧道中線坐標(biāo),均用該系坐標(biāo)表示。
(2) 盾構(gòu)機坐標(biāo)系(F-xyz):在盾構(gòu)機水平放置且未發(fā)生旋轉(zhuǎn)的情況下,以盾構(gòu)機刀頭中心前端切點為原點,以盾構(gòu)機中心縱軸為x軸,由盾尾指向刀頭為正向; 以豎直向上的方向線為z軸, y軸沿水平方向與x、z軸構(gòu)成左手系。盾構(gòu)機坐標(biāo)系是連同盾構(gòu)機一起運動的獨立直角坐標(biāo)系。盾構(gòu)機尾部中心參考點、盾構(gòu)機棱鏡等相對盾構(gòu)機的位置都以此系坐標(biāo)表示,這些坐標(biāo)由盾構(gòu)機制造商測定并給出 。
(3) 棱鏡中心坐標(biāo)系(P-x’y’z’): 原點為安裝在盾構(gòu)機尾部的棱鏡的中心,與盾構(gòu)機坐標(biāo)系平行。
除此之外,為了解算還引入了其他一些空間輔助坐標(biāo)系,從略。
3.2描述盾構(gòu)機姿態(tài)的要素
描述盾構(gòu)機姿態(tài)的參數(shù)有:刀頭坐標(biāo)(xF',yF,zF):水平角A;傾角α;旋轉(zhuǎn)角κ。
由盾構(gòu)機姿態(tài)及設(shè)計隧道中線,可推算如下數(shù)據(jù):刀頭里程:刀頭、盾尾三維偏差;平面偏角(Yaw):盾構(gòu)機中心軸線和設(shè)計隧道中線在水平投影面的夾角;傾角(Pitch):盾構(gòu)機中心軸線和設(shè)計隧道中線在縱向(線路前進(jìn)方向)豎直投影面的夾角;旋角(Roll):盾構(gòu)機繞自身中心軸線相對于水平位置旋轉(zhuǎn)的角度。
3.3激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理和工作過程
激光導(dǎo)向系統(tǒng)的英文本義是“盾構(gòu)指導(dǎo)系統(tǒng)”,在盾構(gòu)施工中有指導(dǎo)隧道掘進(jìn)、指導(dǎo)環(huán)片安裝、數(shù)據(jù)采集等多種功能;其中指導(dǎo)掘進(jìn)是核心功能。本文僅研究激光導(dǎo)向系統(tǒng)指導(dǎo)掘進(jìn)的原理。
在掘進(jìn)過程中,激光導(dǎo)向系統(tǒng)按如下流程工作:由系統(tǒng)控制激光全站儀實時測定盾構(gòu)機棱鏡的三維地面坐標(biāo);同時發(fā)射激光自動照準(zhǔn)激光標(biāo)靶,并自動記錄激光水平方位角;標(biāo)靶內(nèi)部光柵捕獲激光的入射角,間接得到盾構(gòu)機縱軸水平方位角;利用安裝在標(biāo)靶中相互垂直兩立面內(nèi)的兩把測角儀測得盾構(gòu)機傾角和旋轉(zhuǎn)角。利用以上參數(shù)及刀頭、盾尾、棱鏡中心三者的幾何關(guān)系,通過空間坐標(biāo)變換解算刀頭、盾尾中心坐標(biāo),結(jié)合設(shè)計隧道中線參數(shù)計算盾構(gòu)機與隧道中線的相對偏差。依據(jù)各偏差值擬合改正曲線,由PLC根據(jù)修正曲線控制機械裝置,調(diào)整各油缸桿在不同時刻的伸長量。如此反復(fù),指導(dǎo)盾構(gòu)機掘進(jìn)。
該導(dǎo)向過程包括如下6個步驟。
3.3.1棱鏡P點坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)的獲取:
P點坐標(biāo)(XP,YP,ZP):由系統(tǒng)控制架設(shè)在隧洞頂部吊籃上的激光全站儀自動測量。盾構(gòu)機水平方位角:設(shè)自激光全站儀發(fā)射到激光標(biāo)靶的激光束的水平方位角為A0,光柵根據(jù)折射率捕獲的激光入射角為θ。則系統(tǒng)獲取盾構(gòu)機方位角為A=A0-θ(見圖5)。 豎向傾角α和旋角κ:依靠ELS中的兩只相互垂直的測角儀測得。本文規(guī)定A順時針旋為正,α、κ逆時針旋為正。
3.3.2刀頭、盾尾中心的地面坐標(biāo)系三維坐標(biāo)解算:
1)將盾構(gòu)機坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為棱鏡中心坐標(biāo):
設(shè)刀頭中心F、盾尾中心B及棱鏡中心在盾構(gòu)機坐標(biāo)系 中的坐標(biāo)分別為(0,0,0)(xB,yB,zB)和(xP,yP,zP)則三點在棱鏡坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(-xP, -yP, -zP)、(xB -xP, yB -yP, zB -zP)和(0,0,0)。
2)刀頭、盾尾中心地面坐標(biāo)解算:
刀頭中心在地面坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)為
3.3.3刀頭、盾尾里程及盾構(gòu)機與隧道中線相對偏差的解算:
根據(jù)解出的刀頭、盾尾地面坐標(biāo)和隧道中心軸線設(shè)計參數(shù),計算刀頭、盾尾里程(難點是刀頭和盾尾位于隧道中線緩和曲線段的情形,解法可參考文獻(xiàn)[5]、[6]),以及刀頭、盾尾里程處設(shè)計隧道軸線平面坐標(biāo)和高程。進(jìn)而根據(jù)盾構(gòu)機刀頭、盾尾中心坐標(biāo)、高程和對應(yīng)的隧道中線理論坐標(biāo)、高程,容易計算得到刀頭、盾尾橫向偏移和豎向偏移。
前面已經(jīng)提到,激光導(dǎo)向系統(tǒng)的顯示面板在掘進(jìn)模式下動態(tài)顯示盾構(gòu)機姿態(tài)及偏差。內(nèi)容包括:以圖形和數(shù)字方式顯示刀頭、盾尾橫向偏差和豎向偏差,以數(shù)字方式顯示刀頭里程、水平偏角、縱向傾角和旋轉(zhuǎn)角等參數(shù)。
3.3.4擬合修正曲線:
以盾構(gòu)機橫向、豎向偏移量和設(shè)計隧道中線為參數(shù),擬合修正曲線(擬合方式和算法有待進(jìn)一步研究)�？扇斯ぽ斎胄拚�的曲率半徑等參數(shù),以控制盾構(gòu)機回到設(shè)計軸線的速度。
3.3.5推進(jìn):
根據(jù)修正曲線由可編程邏輯控制器(PLC)控制機械設(shè)備,調(diào)整各油缸桿的伸長量。
3.3.6重復(fù)1至5步。
從以上分析可以發(fā)現(xiàn),自動導(dǎo)向系統(tǒng)的測繪學(xué)原理實質(zhì)是:已知兩坐標(biāo)系之間的3個平移參數(shù)和3個轉(zhuǎn)角參數(shù),求解一個坐標(biāo)系內(nèi)的參考點在另一個坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。進(jìn)一步比較該系內(nèi)盾構(gòu)機參考點和對應(yīng)理論隧道軸線坐標(biāo)偏差,擬合修正曲線。
4 盾構(gòu)機控制測量
盾構(gòu)機控制測量的原理是:通過人工測量盾構(gòu)機體上具有精確盾構(gòu)機坐標(biāo)的若干個(盾構(gòu)機始發(fā)前,機體全身多于16個;在隧道掘進(jìn)中,僅尾部16個可見)參考點的地面坐標(biāo)系坐標(biāo),以著名的“Bursa-wolf模型”為基礎(chǔ),建立盾構(gòu)機姿態(tài)解算改進(jìn)模型,按最小二乘原理平差解算兩坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù),即得盾構(gòu)機姿態(tài)參數(shù)。
建模方法和解算步驟限于篇幅,不再討論。
5、影響激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機控制測量精度的因素
從以上分析可知,激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機控制測量中,盾構(gòu)機姿態(tài)解算的方法有本質(zhì)區(qū)別:激光導(dǎo)向系統(tǒng),通過直接采集一個參考點(P)地面坐標(biāo)和三個轉(zhuǎn)角參數(shù),正解刀頭、盾尾地面坐標(biāo);盾構(gòu)機控制測量是通過采集多個(至少3個)參考點地面坐標(biāo),反解刀頭、盾尾地面坐標(biāo)和三個轉(zhuǎn)角參數(shù)。正解不含平差,反解運用了最小二乘原理平差。因此,從理論上講,后者在盾構(gòu)機姿態(tài)解算方面比前者更能有效地減少或消除偶然誤差。這也是采用盾構(gòu)機控制測量對激光導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)配置和校核的原因。
不論是激光導(dǎo)向系統(tǒng),還是盾構(gòu)機控制測量,原始依據(jù)都是用支導(dǎo)線形式獲得的測站坐標(biāo)和定向點(后視)坐標(biāo)。對于前者,三個轉(zhuǎn)角的精度取決于光柵和測角儀的靈敏程度,其誤差相對于測站誤差和定向誤差微乎其微。對于后者,盾尾參考點的盾構(gòu)機坐標(biāo),由于在出廠前精確測定,誤差亦可忽略。因此,激光導(dǎo)向和盾構(gòu)機控制測量的誤差主要集中在測站點三維坐標(biāo)和后視方向上。另外,由于隧道內(nèi)空氣溫、濕度條件對視線和激光都會產(chǎn)生折光影響,使得激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機控制測量測角均產(chǎn)生誤差。
6、結(jié)論
在盾構(gòu)施工中,采取以下措施,可提高激光導(dǎo)向系統(tǒng)的測量精度:
(1) 在掘進(jìn)始發(fā)前進(jìn)行盾構(gòu)機控制測量時,注意觀測參考點的均勻分布、足數(shù)和有可能含粗差點的判定和剔除,以便精確解算盾構(gòu)機初始姿態(tài)參數(shù),保證激光導(dǎo)向系統(tǒng)正確初始化。
(2) 向系統(tǒng)正確錄入隧道平曲線、豎曲線參數(shù)。
(3) 提高地下支導(dǎo)線的精度 ,并及時對激光全站儀設(shè)站點、定向點坐標(biāo)進(jìn)行人工檢測。
(4) 隨隧道掘進(jìn)、環(huán)片拼裝進(jìn)度,及時對激光全站儀進(jìn)行移站,以減少外界溫、濕度等氣象條件的影響。一般激光全站儀到盾構(gòu)機上棱鏡最遠(yuǎn)距離,在直線段不應(yīng)超過200m,在曲線段不應(yīng)超過100m。
(5) 隧道掘進(jìn)過程的間隙,及時進(jìn)行盾構(gòu)機控制測量,以檢核、修正激光導(dǎo)向系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)。
參考文獻(xiàn)：
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