【正文】 彎曲段施工時有一定的照射空間，必須轉(zhuǎn)點操作。因此，小斷面的工程和彎曲段多的工程不宜選用激光導(dǎo)向系統(tǒng)。 導(dǎo)向系統(tǒng)組成見圖 32 圖 32 全站儀導(dǎo)向系統(tǒng)構(gòu)成圖 第 3 章 盾構(gòu)隧道自動導(dǎo)向系統(tǒng) 7 （ 1）自動全站儀 Leica TCA2020(測角精度 0． 5 ，測距精度 1 mm+1 ppm)。通常將其安置在隧道穩(wěn)定的吊籃上。包括左右兩個激光靶，其之間連線距離為 2． 0 m，且與盾構(gòu)機中心軸線相垂直，與橫斷面水平線相平行，可固定在盾構(gòu)內(nèi)。 （ 3）工業(yè)用計算機。該信息可以圖表和數(shù)據(jù)表格的形式顯示在監(jiān)視器上，同時盾構(gòu)機當前的空間位置及趨勢軌跡等都可在屏幕上一目了然。計算機內(nèi)專用軟件，能完成控制全站儀自動測量的啟停、定時間隔的設(shè)定、數(shù)據(jù)處理、綜合分析、自動導(dǎo)向反饋、圖表和數(shù)據(jù)顯示及盾構(gòu)姿態(tài)顯示等。 （ 5）調(diào)制協(xié)調(diào)器。 系統(tǒng)的主要功能 系統(tǒng)的主要功能見圖 33 圖 33 系統(tǒng)功能流程圖 （ 1）通信功能模塊 采用標準的 RS232 通信協(xié)議，包括波特率、奇偶檢效的設(shè)定等。此外計算機上還可設(shè)置全站儀自動測量的定時間隔等參數(shù)。 （ 2）異常值檢驗?zāi)K 全站儀測量數(shù)據(jù) 反映了盾構(gòu)機的姿態(tài)，其精度和可靠性直接關(guān)系著盾構(gòu)機的糾偏參數(shù)的正確與否。如粗差顯著，自動進入重測狀態(tài)。隧道數(shù)據(jù)庫是隧道設(shè)計的有關(guān)參數(shù)，如隧道中心線、坡度、方位角、管片的厚度、長度、橢圓度等參數(shù)。生成數(shù)據(jù)庫存儲實時數(shù)據(jù)計算模塊所計算的數(shù)據(jù)等。 （ 4）實時數(shù)據(jù)計算模塊 對接收的數(shù)據(jù) (測量數(shù)據(jù)庫 )進行異常值的檢查后，可實時進行計算，包括盾構(gòu)機當前的位置和姿態(tài)，盾構(gòu)機的中心軸線相對于隧道設(shè)計的中心軸線的偏離值，以及盾構(gòu)機的糾偏值和趨勢行走軌跡等參數(shù)，并存儲到生成數(shù)據(jù)庫中。必須顧及到地層的情況和特征、施工方法、頂進工藝以及結(jié)合已完成的掘進段的工況、地層力學參數(shù)和一定的實際工程經(jīng)驗來綜合分析確定。由于隧道在運營階段地基土的重新固結(jié)和隧道的滲漏水等因素 的影響，襯砌好的隧道在運營階段還會有一定的沉降。所以糾偏量綜合分析是確保高質(zhì)量隧道和工程安全的關(guān)鍵?？筛鶕?jù)當前和上一次姿態(tài)情況再現(xiàn)盾構(gòu)機的行走軌跡，并且還可模擬趨勢行走路線。 第 3 章 盾構(gòu)隧道自動導(dǎo)向系統(tǒng) 9 二棱鏡和高精度雙軸傾斜傳感器 通過以上對國內(nèi)外應(yīng)用方法的對比，我們認為，采用 2 個棱鏡加高精度雙軸傾斜傳感器的方法，應(yīng)用最為廣泛 ( 見 圖 34)。因為棱鏡是縱向布設(shè)的，因此無論2 個棱鏡之間的距離有多長，應(yīng)始終滿足通視區(qū)域為一狹長區(qū)域的要求，并在提高精度的同時不降低同一測站的可連續(xù)觀 測的距離。棱鏡安裝好后對其三維坐標連同盾構(gòu)機切口和盾尾的三維坐標進行測量，并計算安裝棱鏡相對于盾構(gòu)機坐標系中的局部坐標參數(shù)，這里的盾構(gòu)機坐標系是以盾構(gòu)機切口或盾尾為原點，盾構(gòu)機中軸線方向為 X 軸建立的右手三維坐標系。 傳感器及安裝工具 采用精度 度的雙軸傾斜傳感器傳感器在安裝時，應(yīng)確保其一軸與 盾構(gòu)機的中軸線平行，另一軸與盾構(gòu)機的中軸線垂直。同時，因這 2 個角度是直接參與盾構(gòu)姿態(tài)計算的，所以保證其安裝精度是提高采集角度的準確性和系統(tǒng)精度的重要手段。并采用 3 點調(diào)節(jié)的方式，對于傳感器雙軸的角度，只有采用對稱分 別的 3 點進行調(diào)節(jié)才最方便，并確保可以最終鎖定 ( 見圖 35)。盾構(gòu)姿態(tài)的跟蹤測量通過 TCA 全站儀對棱鏡實時跟蹤測量及相關(guān)數(shù)據(jù)的處理，就可獲取盾構(gòu)姿態(tài)。整個系統(tǒng)的核心計算模型就是盾構(gòu)切口中心與盾尾中心三維坐標的計算功能。 (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(yīng)用。并且，全站儀測邊誤差對盾構(gòu)姿態(tài)的影響可忽略不計。 (5) 傳感器安裝和初始化方法均方便。 盾構(gòu)導(dǎo)向技術(shù)的改進及發(fā)展方向 光電互補技術(shù)提高導(dǎo)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性 第 3 章 盾構(gòu)隧道自動導(dǎo)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(yīng)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(yīng)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 。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。 透鏡結(jié)合 CCD( 電荷耦合元件 ) 紅外成像技術(shù) 在盾構(gòu)導(dǎo)向中的應(yīng)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(yīng)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。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。但目前該技術(shù)還只是在試驗室進行應(yīng)用。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。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。 激光導(dǎo)向系統(tǒng)一般較穩(wěn)定，精度較高。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。因此，小斷面的工程和彎曲段多的工程不宜選用激光導(dǎo)向系統(tǒng)。 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。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。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 。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(dǎo)的原因。 （ 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(yīng)用。并且，全站儀測邊誤差對盾構(gòu)姿態(tài)的影響可忽略不計。 （ 5） 傳感器安裝和初始化方法均方便。 棱鏡法在土壓平衡式盾構(gòu)機測量系統(tǒng)上的應(yīng)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。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。 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。 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。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)。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。如此往復(fù)循環(huán)工作。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。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。 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(dǎo)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。 (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。 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(dǎo)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。因此，每次結(jié)果之間可以第 3 章 盾構(gòu)隧道自動導(dǎo)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。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。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)。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。 (2)、可以運行更多更繁瑣的測試?？梢源蟠鬁p輕人工測量的工作量。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。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。 16 第 4 章 棱鏡與傾斜儀高精度自動導(dǎo)向系統(tǒng) 棱鏡與傾斜儀自動導(dǎo)向系統(tǒng)的原理 自動全站儀激光導(dǎo)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。導(dǎo)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(dǎo)向系統(tǒng)的精度要求。實際工程中由于受各種施工設(shè)備的影響，在盾構(gòu)機上布設(shè)控制點受到很大的限制，難以達到良好的網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，因此直接利用多個控制點進行坐標轉(zhuǎn)換的方法其精度難以保障，為此多數(shù)系統(tǒng)采用加測縱傾和橫傾數(shù)據(jù)的觀測方案。利用多個控制點和縱橫傾斜數(shù)據(jù)進行聯(lián)合數(shù)據(jù)處理的方法。由于盾構(gòu)機上控制點的位置以及傾斜儀精度的選擇對姿態(tài)測量的結(jié)果非常重要，本文根據(jù)誤差理論以及盾構(gòu)施工的實際情況對姿態(tài)測量的誤差進行了分析，其研究結(jié)果對控制點的位置以及傾斜儀精度的選擇提供了理論基礎(chǔ)。廣泛用于橋梁、鐵路和土木工程。它和 Watson 型角速度、角加速度 傳感器 一樣，可設(shè)計成能敏感單軸向、雙軸向和三軸向旋轉(zhuǎn)位置的傾斜儀，差別僅在于尺寸和功耗不同。 第 4 章 棱鏡與傾斜儀高精度自動導(dǎo)向系統(tǒng) 17 Shaevitz型傾斜儀：這種傾斜儀可測量水平線或鉛垂線與實際物體的夾角。廣泛用于是觀測土石壩、崖邊坡、建筑物基坑、堤防、地下建筑工程、港務(wù)工程等土體內(nèi)部的水平位移。 CX01 型數(shù)顯測斜儀：該測斜儀主要用于監(jiān)測土石壩、崖邊坡、建筑物地基和地下建筑等土體內(nèi)部水平位移。井或在 鉆井段的井斜、方位、井溫和井深等井身工程參數(shù)，用本系統(tǒng)可迅速準確測量，同時給出井斜角和方位角，以數(shù)字和模擬曲線兩種方式輸出。其用于觀測現(xiàn)場土體內(nèi)部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物的水平向位移。 YZCL 型應(yīng)變式傾角傳感器：這種傳感器可用于結(jié)構(gòu)力學試驗和工程觀測中測量傾角或傾斜。 QJ 型傾斜角度傳感