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1、盾构机激光导向系统的原理ok3)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,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
2、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
3、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
4、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、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
5、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,与盾构机坐标系平行。 除此之外,为了解算还引入了其他一些空间辅助坐标系,从略。 3.2描述盾构机姿态的要素 描述盾构机姿态的参数有:刀头坐标(xF',yF,zF):水平角A;倾角α;旋转角κ。如图4所示。 由盾构机姿态及设计隧道中线,可推算如下数据:刀头里程:刀头、盾尾三维偏差;平面偏角(Yaw):盾构机中心轴线和设计隧道中线在水平投影面的夹角;倾角(Pitch):盾构机中心轴线和设计隧道中线在纵向(线路前进方向)竖直投影面的夹角;旋角(Roll):盾构机绕自身中心轴线相对
6、于水平位置旋转的角度。 3.3激光导向系统原理和工作过程 激光导向系统的英文本义是“盾构指导系统”,在盾构施工中有指导隧道掘进、指导环片安装、数据采集等多种功能;其中指导掘进是核心功能。本文仅研究激光导向系统指导掘进的原理。 在掘进过程中,激光导向系统按如下流程工作:由系统控制激光全站仪实时测定盾构机棱镜的三维地面坐标;同时发射激光自动照准激光标靶,并自动记录激光水平方位角;标靶内部光栅捕获激光的入射角,间接得到盾构机纵轴水平方位角;利用安装在标靶中相互垂直两立面内的两把测角仪测得盾构机倾角和旋转角。利用以上参数及刀头、盾尾、棱镜中心三者的几何关系,通过空间坐标变换解算刀头、盾尾中心坐
7、标,结合设计隧道中线参数计算盾构机与隧道中线的相对偏差。依据各偏差值拟合改正曲线,由PLC根据修正曲线控制机械装置,调整各油缸杆在不同时刻的伸长量。如此反复,指导盾构机掘进。
