【文章內(nèi)容簡介】 精度的影響很小。 (5) 傳感器安裝和初始化方法均方便。成本較低。 盾構(gòu)導向技術(shù)的改進及發(fā)展方向 光電互補技術(shù)提高導向系統(tǒng)的穩(wěn)定性 第 3 章 盾構(gòu)隧道自動導向系統(tǒng) 11 突破傳統(tǒng)隧道光學測量方法，把三棱鏡模式和二棱鏡加傾斜儀模式結(jié)合，根據(jù)自動檢測到的目標棱 鏡數(shù)量進行模式選擇，并觸發(fā)相應的功能 ( 如傾斜儀修正功能等 ) ，實現(xiàn)在隧道施工條件下的光電優(yōu)勢互補，確保了系統(tǒng)在高穩(wěn)定性和便利性統(tǒng)一的情況下完成盾構(gòu)姿態(tài)測量，其工作流程見圖 35 圖 35 二棱鏡加傾斜儀工作流程 觀測方式的自動選擇會根據(jù)檢測到目標棱鏡的個數(shù)自動選擇采用的核心算法和觸發(fā)相應的功能，一種是觀測 3 個或 3 個以上目標，此時采用多棱鏡計算方法并觸發(fā)傳感器修正功能 。 一種是觀測 2 個目標并采集傾斜儀數(shù)據(jù)參與計算。當全站儀可以觀測 3 個或 3 個以 上目標時，盾構(gòu)機又處于靜止狀態(tài)，可以解算出高精度的盾構(gòu)姿態(tài)和盾構(gòu)機的坡度和滾角，利用解算出的坡度和滾角對傾斜儀進行修正，確保傾斜儀的精確性。當盾構(gòu)機在掘進或只能觀測 2 個目標時，運用二棱鏡加傾斜儀模式進行解算，從而延長了觀測距離，又確保了系統(tǒng)換站 二棱鏡加傾斜儀模式 二棱鏡加傾斜儀模式 二棱鏡加傾斜儀模式 多棱鏡模式 較差很小 不調(diào)整 較差大于調(diào)整限值小于錯誤限值 二棱鏡加傾斜儀模式 運行錯誤檢查和排除 傾斜儀錯誤 棱鏡錯誤 其它錯誤 排除錯處 排除錯處 排除錯處 傾斜儀校正 少于兩個棱鏡 兩個棱鏡 推進狀態(tài) 多個棱鏡 兩個棱鏡 靜止狀態(tài) 狀態(tài) 推進狀態(tài) 多個棱鏡 靜止狀態(tài) 狀態(tài) 傾斜儀自動檢測棱鏡 盾構(gòu)機的 狀態(tài) 12 的精確性。 透鏡結(jié)合 CCD( 電荷耦合元件 ) 紅外成像技術(shù) 在盾構(gòu)導向中的應用由華中科技大學開發(fā)的透鏡結(jié)合 CCD 紅外成像技術(shù)，在激光法的基礎(chǔ)上針對其缺點進行改進， YAW 角 ( 偏航角 ) 的測定不再是采用ELS 中旋轉(zhuǎn)光柵對透過激光強度的測定方法，而是應用全站 儀的平行紅外光束經(jīng)過凸透鏡后聚焦，并且不同入射角度會有不同位置的焦點的原理，再根據(jù) CCD 紅外相機的成像技術(shù)，測量出精確焦點的坐標，與垂直入射焦點進行比對，根據(jù)換算公式計算出全站儀入射紅外光線相對于透鏡的入射角度 (YAW 角 ) ，其他的原理都與激光法類似。由于每臺全站儀都是采用紅外測距的，因而采用該方法就不用特殊加裝隧道準直激光，不但降低了成本，還避免了隧道激光強度衰減的問題。同時，由于 CCD 相機可以精確測定成像焦點的坐標，因而，其對于YAW 角 ( 盾構(gòu)姿態(tài)精度的主要決定參數(shù)之一 的測定可以達到很高的精度 ，遠高于 ELS 裝置，提高了盾構(gòu)姿態(tài)測量的精度。而相對于棱鏡法，由于只需測量 1 個目標棱鏡，其快速的優(yōu)勢是棱鏡法無法比擬的。但目前該技術(shù)還只是在試驗室進行應用。 幾種導向系統(tǒng)優(yōu)缺點的比較與分析 陀螺儀的測量基準點是對剛拼裝好的管片而言，但因管片位于盾構(gòu)機內(nèi)，在下一環(huán)推進時有可能隨施工機械而運動，難以成為不動點。此外，這種系統(tǒng)對盾構(gòu)機的水平滑動現(xiàn)象也難以監(jiān)測。因此，測量精度有些不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生較大的誤差積累，必須用人工定期進行補充測量。但此系統(tǒng)不需要更換儀器且不需要太大的測量空間，容易處理，可適合于小斷 面工程和彎段施工比較多的工程。此外，系統(tǒng)費用也較低。 激光導向系統(tǒng)一般較穩(wěn)定，精度較高。但是，量距和坐標換算不方便，自動化程度低。此外，為了確保照射距離不超過極限和在彎曲段施工時有一定的照射空間，必須轉(zhuǎn)點操作。尤其是對小斷面的和彎曲段多的工程，更需多次設(shè)站轉(zhuǎn)點。因此，小斷面的工程和彎曲段多的工程不宜選用激光導向系統(tǒng)。國外激光法導向系統(tǒng)價格昂貴，價格高達一二百萬，在一條線路施工完成后，要繼續(xù)使用其產(chǎn)品還需不菲的后續(xù)服務(wù)費，同時激光的精度與強弱有關(guān)，當測站與ELS 距離太長時，其精度不高，有時甚至無法工作。 三棱 鏡是國內(nèi)目前比較容易使用的技術(shù)，其安裝方法簡單、理論數(shù)學模型較嚴密，在通視條件較好、盾構(gòu)機內(nèi)棱鏡安裝可選擇位置較大時，其精度和連續(xù)觀測距離能滿足要求。但該模式目前還不具備大范圍推廣的條件，原因是計第 3 章 盾構(gòu)隧道自動導向系統(tǒng) 13 算模型和測量方式對隧道施工的通用性不強。如通過 3 個棱鏡構(gòu)成的一個空間平面，來計算和控制盾構(gòu)機的空間中軸線，這樣，棱鏡在空間平面上分布的距離越遠則精度越高。但隧道施工的現(xiàn)場條件有限，特別是在小直徑、小曲率隧道施工中，一個面狀的通視區(qū)域是不可能存在的。如果棱鏡布設(shè)范圍寬，會造成頻繁的換站，有時甚至到達 10 多環(huán)就換站 ，工作量大 。 如果布設(shè)的窄，精度必然降低，甚至造成棱鏡無法識別。這也是為什么國際上三棱鏡僅用于系統(tǒng)的安裝檢測，而不用于盾構(gòu)引導的原因。 二棱鏡和高精度雙軸傳感器的優(yōu)點 （ 1） 不受激光強度的影響，只要可見就可測。 （ 2） 沿著盾構(gòu)軸線方向布設(shè)目標，符合盾構(gòu)隧道施工的現(xiàn)場情況，可以在通視條件不利的小直徑和小曲率隧道中很好地應用。 （ 3） 在布設(shè)方式上，提高精度與單站連續(xù)測量的距離不再有矛盾。并且，全站儀測邊誤差對盾構(gòu)姿態(tài)的影響可忽略不計。 （ 4） 觀測棱鏡數(shù)量少、時間間隔短，盾構(gòu)掘進對系統(tǒng)精度的影響很小。 （ 5） 傳感器安裝和初始化方法均方便。成本較低。 棱鏡法在土壓平衡式盾構(gòu)機測量系統(tǒng)上的應用 關(guān)于 6． 24m 土壓平衡式盾構(gòu)機的改造背景 , 20 世紀 70 年代以來，盾構(gòu)掘進機施工技術(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，自動測量系統(tǒng)在盾構(gòu)機中逐漸得到成功運用、發(fā)展和完善。天津城建隧道股份有限公司給一臺中 6． 24m 土壓平衡式盾構(gòu)機加裝了一套自動測量系統(tǒng)，用于進行沈陽地鐵 l 號線滂江街一小什字街區(qū)間隧道施工。全面理解自動測量系統(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和最后貫通。 自動測量系統(tǒng)的組成 掘進管理計算機、全站儀計算機、不中斷電路裝置、坑內(nèi)監(jiān)視器、數(shù)據(jù)控制盤、控制器、個人電腦轉(zhuǎn)換器、集線器 (8端口 )、調(diào)制解調(diào)器、全站儀電源箱、標靶、水準臺、轉(zhuǎn)彎基本、遠隔監(jiān)視器、遠隔計算機、打印機等。 自動測量系統(tǒng)和盾構(gòu)機控制測量在盾構(gòu)施工中的地位和作用 配置土壓力和推進參數(shù)自動測量，數(shù)據(jù)采集處理和遠程傳輸系統(tǒng)，可以實現(xiàn)辦公室的掘進工況信息管理；配備自動測量導向系統(tǒng)，可以適時測控盾構(gòu)機姿態(tài)和管片拼裝精度。 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 (x， y， z)：水平角 A；傾角 ? ；旋轉(zhuǎn)角 K。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 14 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 (線路前進方向 )豎直投影面的夾角；旋角 (Rol1)：盾構(gòu)機繞自身中心軸線相對于水平位置旋轉(zhuǎn)的角度。在掘進過程中，自動測量系統(tǒng)按如下流程工作：首先，人工測量確定盾構(gòu)機自動測量系統(tǒng)后視標靶、全站儀和盾構(gòu)機的初始姿態(tài)數(shù)據(jù)。將上 述數(shù)據(jù)資料和隧道的理論軸線位置三維坐標輸入系統(tǒng)。盾構(gòu)機開始掘進后，系統(tǒng)全站儀自動測量可以確定盾構(gòu)機位置的標靶的坐標數(shù)據(jù)并根據(jù)后視點的坐標進行換算，得出盾構(gòu)機當時的位置狀況。根據(jù)位置狀況數(shù)據(jù)，操作人員進行糾偏、調(diào)整管片拼裝等操作。如此往復循環(huán)工作。當盾構(gòu)機進行曲線掘進。全站儀與主機不能實現(xiàn)通視時，需重新定位全站儀，即可進行上述測量步驟。 由系統(tǒng)控制全站儀實時測定盾構(gòu)機標靶的相對坐標并由系統(tǒng)對照后識點標靶的位置；同時自動照準標靶，并自動記錄激光水平方位角；標靶內(nèi)部光柵捕獲入射角，間接得到盾構(gòu)機縱軸水平方位角；利 用安裝在標靶中相互垂寅兩立面內(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)及前體、盾尾、棱鏡中心三者的幾何關(guān)系，通過空間坐標變換解算前體、盾尾中心坐標，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。如此反復，指導盾構(gòu)機掘進。 功能特點 使盾構(gòu)機按照設(shè)計線路正確推進，其前提是及時測量，得到準確的空間位置和姿態(tài)方向，并以此為依據(jù)來控制盾構(gòu)機的推進，及時指導操作人員進行糾偏，系統(tǒng)的功能特點主要表現(xiàn)在： (1)本系統(tǒng)采用同步跟進測量方式， 較好地克服了隨著掘進面的推進測點越來越遠而造成的觀測困難和不便。 (2)免除輔助傳感器設(shè)備，六要素一次給出 (六自由度 )。 (3)三維向量計算和利用全站儀直接測量點的三維，坐標 (x， y， z)采用新算方法“空間向量”進行嚴密的姿態(tài)要素求解． (4)運行穩(wěn)定精度高，能充分滿足隧道工程施工對精度控制和運行穩(wěn)定性的要求． (5)適用耐高低溫，濕度高，有震動的施工環(huán)境中的正常運行。系統(tǒng)連續(xù)跟蹤測定當前盾構(gòu)機的三維空間位置、姿態(tài)與設(shè)計軸線進行比較獲得偏差信息。 測量精度 本系統(tǒng)由兩臺儀器聯(lián)測時，每次測量都從隧道基準導線點開始測量運行過程中每點和每條邊在檢驗通過之后才進行下步。得到的姿態(tài) 結(jié)果均相互獨立，無累積計算，故系統(tǒng)求解計算中無累計性誤差存在。因此，每次結(jié)果之間可以第 3 章 盾構(gòu)隧道自動導向系統(tǒng) 15 相互起到檢核作用，從而避免產(chǎn)生人為的或系統(tǒng)數(shù)據(jù)的運行錯誤。 自動測量系統(tǒng)的工作過程 盾構(gòu)機體作為剛體 3 個不共線的點是確定其空間位置與姿態(tài)的點。由 3 測點的實時坐標值、按向量歸算方法，解算得出盾構(gòu)機特征點坐標與姿態(tài)角度精確值。 即通過三維向量歸算直接求得盾構(gòu)機切口和盾尾特征部位中心點當前的三維坐標和同時根據(jù)里程得到設(shè)計所對應的理論，兩者比較得出偏差量。自動測量系統(tǒng)在隧道內(nèi)，一共有 4 個靶標，而全站儀位于 4 個靶標中間 (如下圖 )，全站 儀首先定位 1， 2 靶標，通過這兩個標靶的位置，全站儀自動設(shè)置 3， 4 標靶，完成這一系列任務(wù)之后， 自動測量系統(tǒng)即可開始工作，檢測盾構(gòu)機在隧道內(nèi)的姿態(tài)。 通過使用該自動測量系統(tǒng)，可以達到以下使用效果： (1)、對程序的回歸測試更方便。這可能是自動化測試最主要的任務(wù)，特別是在程序修改比較頻繁時，效果是非常明顯的。由于回歸測試的動作和用例是完全設(shè)計好的，測試期望的結(jié)果也是完全可以預料的，將回歸測試自動運行，可以極大提高測試效率，縮短回歸測試時間。 (2)、可以運行更多更繁瑣的測試。自動化的一個明顯的好處是可以 在較少的時間內(nèi)運行更多的測試?？梢源蟠鬁p輕人工測量的工作量。 (3)、可以執(zhí)行一些手工測試困難或不可能進行的測試。比如，對于大量用戶的測試，不可能同時讓足夠多的測試人員同時進行測試，但是卻可以通過自動化測試模擬同時有許多用戶，從而達到測試的目的。 (4)、更好地利用資源。將繁瑣的任務(wù)自動化，可以提高準確性和測試人員的積極性，將測試技術(shù)人員解脫 來投入更多精力設(shè)計更好的測試用例。有些測試不適合于自動測試，僅適合于手工測試，將可自動測試的測試自動化后，可以讓測試人員專注于手工測試部分，提高手工測試的效率。 16 第 4 章 棱鏡與傾斜儀高精度自動導向系統(tǒng) 棱鏡與傾斜儀自動導向系統(tǒng)的原理 自動全站儀激光導向系統(tǒng)能定時、實時動態(tài)測定盾構(gòu)機的位置、姿態(tài)以及盾構(gòu)姿態(tài)相對于設(shè)計軸線的偏差。進而以此為基本依據(jù)調(diào)整千斤頂和推力，可使管片安裝在正確位置，確保隧道施工軸線的偏差在允許的范圍內(nèi)。導向系統(tǒng)自動化程度高、方案可行，理論證明其能滿足盾構(gòu)施工導向系統(tǒng)的精度要求。由于地下施工條件艱苦、環(huán)境復雜，洞內(nèi)濕度、大氣折光和地球曲率等將對導向系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響，可采取進一步措施提高精度，這里論述了采取自動跟蹤全站儀導向系統(tǒng)與傾 斜儀等傳感器相配合的措施以達到到檢核的效果。實際工程