盾构机激光导向系统原理.doc

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1、盾构机激光导向系统原理

2、[<<][>>]摘要:以德国VMT公司的单圆盾构机为例,介绍盾构机和激光导向系统的组成,探讨激光导向系统的工作原理。重点揭示激光导向系统的测绘学原理。总结提高激光导向系统测量精度应采取的措施。 关键词:隧道施工;盾构机;地铁;控制测量;导向系统;姿态解算;修正曲线 0引言:      20世纪70年代以来,盾构掘进机施工技术有了新的飞跃。伴随着激光、计算机以及自动控制等技术的发展成熟,激光导向系统在盾构机中逐渐得到成功运用、发展和完善。激光导向系统,使得盾构法施工极大地提高了准确性、可靠性和自动化程度,从而被广泛应用于铁路、公路、市政、油气等专业领域。

3、      全面理解激光导向系统的原理,有助于工程技术人员在地铁的盾构施工中及时发现问题,解决问题,保证隧道的正确掘进和最后贯通;有助于国产盾构机研制工作的开展。 1盾构机和激光导向系统的组成 1.1盾构机的组成      盾构机按推力方式可分为网格式、压气式、插板式以及土压式和水压式;按形状划分,除典型的矩形、单圆筒形外,近年来又出现了双圆、三圆及多圆等异构形。它们的组成有一定差异。其中,土压式单圆盾构机在我国应用比较普遍。它主要由盾体(含刀盘等)、管片拼装机、排土机构、后配套设备、电气设备、数据采集系统、SLS-T激光导向系统及其他辅助设备组成。 1.2激光导向系统的组成

4、      激光导向系统是综合运用测绘技术、激光传感技术、计算机技术以及机械电子等技术指导盾构隧道施工的有机体系。其组成(见图1:激光全站仪(激光发射源和角度、距离及坐标量测设备)和黄盒子(信号传输和供电装置);激光接收靶(ELSTarget,内置光栅和两把竖向测角仪)、棱镜(ELSPrism)和定向点(ReferenceTarget);盾构机主控室(TBMControlCabin):由程控计算机(预装隧道掘进软件,具有显示和操作面板)、控制盒、网络传输Modem和可编程逻辑控制器(PLC)四部分组成;油缸杆伸长量测量(ExtensionMeasurement)装置等。其中,

5、隧道掘进软件是盾构机激光导向系统的核心。          2 激光导向系统和盾构机控制测量在盾构施工中的地位和作用      地铁盾构法施工过程如图3所示。在隧道掘进模式下,激光导向系统是实时动态监测和调整盾构机的掘进状态,保持盾构机沿设计隧道轴线前进的工具之一。在整个盾构施工过程中,激光导向系统起着极其重要的作用: (1)在显示面板上动态显示盾构机轴线相对于隧道设计轴线的准确位置,报告掘进状态(见图2);并在一定模式下,自动调整或指导操作者人工调整盾构机掘进的姿态,使盾构机沿接近隧道设计轴线掘进。(2)获取各环掘进姿态及最前端已装环片状态,指导环片安装。 (3)通过标准的

6、隧道设计几何元素自动计算隧道的理论轴线坐标。 (4)和地面电脑相连,对盾构机的掘进姿态进行远程实时监控。        从盾构施工基本过程(图3)可以看出,激光导向系统不能够独立完成导向任务,在盾构机始发、该系统启用之前,还需要做一些辅助工作:首先,激光全站仪首次设站点及其定向点坐标,需用人工测定。其次必须使用人工测量的方法,对盾构机姿态初值进行精确测定,以便于对激光导向系统中有关初始参数(如激光标靶上棱镜的坐标,内部的光栅初始位置及两竖角测量仪初值等)进行配置。      盾构机姿态是指盾构机前端刀盘中心(以下简称“刀头”)三维坐标和盾构机筒体中心轴线在三个相互垂直平面内的

7、转角等参数。盾构机姿态除了可以通过人工测量、单独解算方式获得外,还可以由导向系统实时、自动地获取。用人工测量方式获得盾构机姿态的过程,被称作“盾构机控制测量”。盾构机控制测量的另一个作用是:在盾构机掘进过程的间隙,对激光导向系统采集的盾构机姿态参数进行检核,对激光导向系统中有关配置参数进行校正。 3 盾构机激光导向系统原理: 3.1盾构机激光导向系统涉及的坐标系      为了阐明激光导向系统的原理,首先介绍一些与盾构机及隧道有关的坐标系(见图4):      (1)地面直角坐标系(O-XYZ):简称地面坐标系,根据隧道中线设计而定,一般为地方坐标系。洞内(外)控制点、测站点

8、、后视点以及隧道中线坐标,均用该系坐标表示。      (2)盾构机坐标系(F-xyz):在盾构机水平放置且未发生旋转的情况下,以盾构机刀头中心前端切点为原点,以盾构机中心纵轴为x轴,由盾尾指向刀头为正向;以竖直向上的方向线为z轴,y轴沿水平方向与x、z轴构成左手系。盾构机坐标系是连同盾构机一起运动的独立直角坐标系。盾构机尾部中心参考点、盾构机棱镜等相对盾构机的位置都以此系坐标表示,这些坐标由盾构机制造商测定并给出。      (3)棱镜中心坐标系(P-x’y’z’):原点为安装在盾构机尾部的棱镜的中心

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