盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

王建林， 林海榮

(1. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450003； 2. 上海米度測(cè)量技術(shù)有限公司， 上海 200123)

盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

王建林1， 林海榮2

(1. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450003； 2. 上海米度測(cè)量技術(shù)有限公司， 上海 200123)

為滿足盾構(gòu)位姿測(cè)量要求，研制了一套盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)，測(cè)量精度可達(dá)到±10 mm，系統(tǒng)主要由全站儀、激光靶、工業(yè)電腦以及與之配套的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳輸和供電附件組成。為了使導(dǎo)向系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)洞內(nèi)惡劣的測(cè)量環(huán)境，采用了新的盾構(gòu)方位角測(cè)量原理；根據(jù)誤差分析以及在工地現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用效果，并用其他方法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行檢查比較，證明該系統(tǒng)具有較好的工作穩(wěn)定性和可靠性，能夠以較高的測(cè)量精度滿足盾構(gòu)的掘進(jìn)要求。截至目前，已有多套系統(tǒng)被成功地應(yīng)用在不同的盾構(gòu)隧道中。

導(dǎo)向系統(tǒng)； 盾構(gòu)位姿； 激光靶； 方位角； 測(cè)量精度

0 引言

導(dǎo)向系統(tǒng)是盾構(gòu)的重要組成部分，其主要作用是連續(xù)測(cè)量盾構(gòu)位姿，并顯示在主控室電腦上，主司機(jī)據(jù)此調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，使盾構(gòu)能夠按照設(shè)計(jì)的隧道軸線(Designed Tunnel Axis，以下簡(jiǎn)稱DTA)精確掘進(jìn)。

國(guó)外的盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，軟硬件質(zhì)量穩(wěn)定可靠，目前已占有國(guó)內(nèi)市場(chǎng)90%的份額[1]。國(guó)內(nèi)對(duì)導(dǎo)向系統(tǒng)方面的研究于近幾年開始起步[1-4]，使用數(shù)量逐年增多，部分推廣較好的系統(tǒng)已經(jīng)成為某些國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)配置[2]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況來看，國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)能夠滿足盾構(gòu)掘進(jìn)的精度要求[4-6]，但在工作穩(wěn)定性、故障率以及對(duì)洞內(nèi)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性等方面與國(guó)外相比尚有一定差距。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，在現(xiàn)有導(dǎo)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而研制出一種新的系統(tǒng)就具有較為重要的應(yīng)用價(jià)值。本研究的創(chuàng)新之處在于采用了新的盾構(gòu)方位角測(cè)量原理，能夠更好地適應(yīng)隧道內(nèi)煙塵大、激光跳動(dòng)、盾構(gòu)振動(dòng)等惡劣環(huán)境。另外，還采用了全站儀獨(dú)立供電和無線數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了全站儀與不斷前移的盾構(gòu)完全脫離的效果，大幅減少了施工測(cè)量工作量，也避免了兩者通過不斷收放的線纜相連接，從而造成常見的接口與線纜故障現(xiàn)象。

1 測(cè)量原理

1.1 現(xiàn)有導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量原理比較

現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外導(dǎo)向系統(tǒng)按照測(cè)量原理可劃分為以下幾種。

1)日本GYRO系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用陀螺儀進(jìn)行方位測(cè)量，由于影響陀螺儀精度的因素有很多，如環(huán)境溫度、加工誤差、信號(hào)檢測(cè)誤差等因素引起的陀螺漂移會(huì)嚴(yán)重影響到測(cè)量結(jié)果[7]，造成現(xiàn)場(chǎng)使用效果不好。因此，目前市場(chǎng)上已經(jīng)很難見到這種導(dǎo)向系統(tǒng)。

2)日本演算工房早期的ROBOTEC系統(tǒng)采用“三棱鏡”法，利用全站儀測(cè)量安裝在盾構(gòu)上的3個(gè)棱鏡坐標(biāo)，從而計(jì)算出盾構(gòu)位姿?！叭忡R”法的優(yōu)點(diǎn)是硬件簡(jiǎn)單，故障率低。缺點(diǎn)是需要較大的通視空間[8]； 3個(gè)棱鏡坐標(biāo)不是同一時(shí)間測(cè)得，盾構(gòu)掘進(jìn)速度較快時(shí)測(cè)量精度較低[2]。

3)德國(guó)PPS與演算工房新的ROBOTEC系統(tǒng)利用雙軸傾斜儀測(cè)量盾構(gòu)的坡度和滾動(dòng)角，用全站儀測(cè)量安裝在盾構(gòu)上的2個(gè)(或3個(gè)棱鏡中的2個(gè))棱鏡坐標(biāo)計(jì)算出盾構(gòu)方位角，從而得出盾構(gòu)位姿[1，9-10]。雙棱鏡法在一定程度上降低了對(duì)測(cè)量通視空間的要求，但2個(gè)棱鏡坐標(biāo)的測(cè)量仍有一個(gè)時(shí)間差，當(dāng)因盾構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸限制使2個(gè)棱鏡安裝位置不理想時(shí)，會(huì)造成測(cè)量誤差較大。

4)德國(guó)VMT、TACS和英國(guó)ZED的導(dǎo)向系統(tǒng)均為激光靶系統(tǒng)，其方位角測(cè)量是一個(gè)瞬間值，在測(cè)量精度方面優(yōu)點(diǎn)突出[1]，同時(shí)，傾斜儀內(nèi)置于激光靶中，也避免了其他系統(tǒng)可能出現(xiàn)的安裝錯(cuò)誤。

5)華中科技大學(xué)朱國(guó)力教授最早提出了一種基于PSD的角度測(cè)量系統(tǒng)[11]，用來測(cè)量盾構(gòu)方位角，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以滿足設(shè)計(jì)要求，但未在工地現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試。在此基礎(chǔ)上，又提出了帶切口的角錐棱鏡+凸透鏡+CCD相機(jī)測(cè)量方位角的原理[12],并經(jīng)工地測(cè)試，精度可以滿足要求，但抗震性能不夠理想[1]。經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)，目前采用帶切口的角錐棱鏡+圓孔光闌+CCD相機(jī)測(cè)量方位角的方法[1]。已在多個(gè)盾構(gòu)工地上得到了成功的應(yīng)用。

在進(jìn)行激光靶工作原理分析時(shí)，認(rèn)為： 在捕捉激光光點(diǎn)成像方面，工業(yè)相機(jī)比PSD更有利于通過軟件后處理來提高光斑中心定位精度和排除外界雜光干擾；采用凸透鏡與單純采用光闌相比，可以避免光斑中心出現(xiàn)暗區(qū)域，能有效提高定位精度和增大測(cè)程，在激光因各種原因而出現(xiàn)少量偏差時(shí)(在凸透鏡有效范圍內(nèi))仍能正常得出正確的測(cè)量結(jié)果。這些特點(diǎn)對(duì)于掘進(jìn)時(shí)煙塵大、視線跳動(dòng)和機(jī)器振動(dòng)劇烈的敞開式TBM來說尤為實(shí)用，雖然此時(shí)精度會(huì)有所降低，但可采取措施將其控制在允許范圍內(nèi)。

因此，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)手段，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研制的導(dǎo)向系統(tǒng)以激光靶技術(shù)作為其基本工作原理，方位角測(cè)量選擇凸透鏡+工業(yè)相機(jī)的方法。

1.2 系統(tǒng)測(cè)量原理

該系統(tǒng)的測(cè)量原理是利用安裝在洞壁上的全站儀，測(cè)量出安裝于盾構(gòu)上的激光靶棱鏡的三維坐標(biāo)；用激光靶內(nèi)部的雙軸傾斜儀和工業(yè)相機(jī)，分別測(cè)量出激光靶的坡度、滾動(dòng)角和方位角，這樣就確定了激光靶的空間位置；由于激光靶與盾構(gòu)軸線位置相對(duì)固定，根據(jù)兩者之間的相對(duì)位置關(guān)系(零位數(shù)據(jù))，結(jié)合激光靶的空間位置，可計(jì)算出盾構(gòu)刀盤和盾尾的坐標(biāo)；再將其與電腦內(nèi)存儲(chǔ)的DTA進(jìn)行計(jì)算比較，從而計(jì)算出盾構(gòu)位姿數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)與現(xiàn)有激光靶系統(tǒng)的主要區(qū)別在于采用了新的方位角測(cè)量方法。全站儀發(fā)射的激光照射到激光靶前屏的凸透鏡光心后，聚焦到焦平面上；激光靶內(nèi)部的工業(yè)相機(jī)對(duì)激光點(diǎn)拍照，電腦處理圖像，捕捉到光點(diǎn)坐標(biāo)，從而計(jì)算出激光靶的方位角。

以上方法，實(shí)際上是利用了凸透鏡成像的基本原理。測(cè)量聚焦在凸透鏡焦平面上的激光位置X，可計(jì)算出入射激光與透鏡主光軸之間的水平夾角α，因已知全站儀發(fā)射的激光方位角，從而得出激光靶軸線的方位角。方位角測(cè)量原理見圖1。

圖1 方位角測(cè)量原理

2 系統(tǒng)組成

導(dǎo)向系統(tǒng)硬件主要由激光靶、工業(yè)電腦、中央控制箱、全站儀、后視棱鏡、數(shù)傳電臺(tái)等設(shè)備組成(見圖2)。其中，激光靶和中央控制箱系自行研制和加工組裝，其余則根據(jù)所需規(guī)格合理選用市場(chǎng)現(xiàn)有硬件。

導(dǎo)向系統(tǒng)軟件主要包含以下功能模塊： 用戶管理模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊、硬件管理模塊、DTA計(jì)算模塊、姿態(tài)計(jì)算模塊、姿態(tài)顯示與數(shù)據(jù)查詢模塊、管片選型模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊等。軟件主界面見圖3。

圖3 導(dǎo)向系統(tǒng)軟件主界面

3 測(cè)量流程

導(dǎo)向系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，測(cè)量流程如圖4所示。

圖4 導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量流程

1)人工粗略瞄準(zhǔn)后視棱鏡，啟動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)軟件，軟件發(fā)出指令，通過主控制室電臺(tái)發(fā)送到全站儀電臺(tái)，驅(qū)使全站儀精確瞄準(zhǔn)后視棱鏡，定向。

2)全站儀瞄準(zhǔn)并測(cè)量激光靶棱鏡的斜距、水平角和天頂距，數(shù)據(jù)通過電臺(tái)發(fā)回電腦。

3)全站儀打開激光，瞄準(zhǔn)激光靶的光學(xué)窗口；聚焦后成像于激光靶內(nèi)部后面的焦平面上，相機(jī)拍照，將圖像與傾斜儀測(cè)量的坡度和滾動(dòng)角數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦I(yè)電腦；導(dǎo)向系統(tǒng)軟件據(jù)此計(jì)算出盾構(gòu)特征點(diǎn)的坐標(biāo)高程，再與存儲(chǔ)于電腦內(nèi)的DTA進(jìn)行計(jì)算比較[13]，得出盾構(gòu)的實(shí)時(shí)位姿數(shù)據(jù)并顯示和存儲(chǔ)。

4 數(shù)據(jù)采集與處理

4.1 數(shù)據(jù)采集

全站儀、工業(yè)相機(jī)和傾斜儀是導(dǎo)向系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采集到的原始數(shù)據(jù)如下： 1)全站儀采集全站儀至激光靶棱鏡的斜距S、方位角αA、天頂距ZA以及激光瞄準(zhǔn)激光靶窗口時(shí)的方位角αL； 2)工業(yè)相機(jī)采集激光聚焦在焦平面上的激光點(diǎn)相片； 3)傾斜儀采集傾斜儀自身的坡度β1和滾動(dòng)角γ1。

4.2 坐標(biāo)系統(tǒng)

在導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量和計(jì)算過程中，涉及到以下幾個(gè)相關(guān)的坐標(biāo)系統(tǒng)。

1)相片坐標(biāo)系。以相機(jī)采集到的光點(diǎn)相片左上方端點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，向右為u軸正方向，向下為v軸正方向，以像素為基本單位，構(gòu)成了平面直角坐標(biāo)系。導(dǎo)向系統(tǒng)軟件可從相片中提取到激光中心的坐標(biāo)(u、v)。

2)激光靶坐標(biāo)系。將激光靶放置于水平面上，以透鏡光心為坐標(biāo)原點(diǎn)，光心—激光靶后屏中心為x軸正方向，過光心垂直于x軸向右的水平方向?yàn)閥軸正方向，向上為z軸正方向，形成了左手三維直角坐標(biāo)系。

激光靶坐標(biāo)系以激光靶為基準(zhǔn)，其坐標(biāo)原點(diǎn)和坐標(biāo)軸方向需通過激光靶校正工作來確定。將激光靶安裝到盾構(gòu)上以后，還需通過零位測(cè)量以確定激光靶坐標(biāo)系與盾構(gòu)獨(dú)立坐標(biāo)系之間的關(guān)系——6個(gè)零位數(shù)據(jù)(激光靶在盾構(gòu)上的安裝坐標(biāo)a、b、c和兩者軸線之間的角度安裝偏差α0、β0、γ0)。

3)盾構(gòu)獨(dú)立坐標(biāo)系[14]。將盾構(gòu)安置于水平面上，滾動(dòng)角和坡度均為0，以激光靶棱鏡中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸平行于盾構(gòu)主軸線掘進(jìn)正方向，過棱鏡中心且垂直于x軸向盾構(gòu)右側(cè)的水平方向?yàn)閥軸正方向，向上為z軸正方向，形成了左手三維直角坐標(biāo)系。

盾構(gòu)獨(dú)立坐標(biāo)系以盾構(gòu)為基準(zhǔn)，在該坐標(biāo)系中，激光靶的位置固定，棱鏡坐標(biāo)和激光靶各軸線角度已知。在盾構(gòu)獨(dú)立坐標(biāo)系中，用以確定盾構(gòu)位置的2個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)如下。

(1)

4)施工坐標(biāo)系。即施工測(cè)量所使用的坐標(biāo)系。全站儀、后視棱鏡的坐標(biāo)以及DTA均以該坐標(biāo)系為基準(zhǔn)。

4.3 激光靶姿態(tài)計(jì)算

4.3.1 激光靶棱鏡坐標(biāo)計(jì)算

激光靶棱鏡的坐標(biāo)，由4.1中全站儀測(cè)量的原始數(shù)據(jù)計(jì)算得出，計(jì)算結(jié)果為施工坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

(2)

式中XA、YA、ZA為全站儀的三維坐標(biāo)。

4.3.2 光點(diǎn)中心坐標(biāo)提取

導(dǎo)向系統(tǒng)軟件提取到相片上激光點(diǎn)的中心坐標(biāo)u、v，然后將其轉(zhuǎn)換為激光靶坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

相片坐標(biāo)系中的坐標(biāo)u、v與激光靶坐標(biāo)系中的y、z為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過激光靶校正，確定其轉(zhuǎn)換關(guān)系后，經(jīng)轉(zhuǎn)換計(jì)算將u、v轉(zhuǎn)換為y、z。

4.3.3 激光靶軸線姿態(tài)計(jì)算

圖5中，激光聚焦在激光靶焦平面上A點(diǎn)，激光靶滾動(dòng)角為γ1。

圖5 根據(jù)激光點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算激光靶方位角

則： 激光靶方位角

式中光心至靶屏中心的距離設(shè)計(jì)為0.300 m。

激光靶坡度β2=傾斜儀坡度β1。

傾斜儀的測(cè)量結(jié)果γ1為傾斜儀自身滾動(dòng)角，其測(cè)量基準(zhǔn)為水平面，須考慮傾斜儀坡度β1影響，計(jì)算出以激光靶軸線為基準(zhǔn)的激光靶滾動(dòng)角

(3)

4.3.1和4.3.3計(jì)算出的XL、YL、ZL、α2、β2、γ2是激光靶在施工坐標(biāo)系中的實(shí)時(shí)姿態(tài)參數(shù)。

4.4 盾構(gòu)特征點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算

計(jì)算出激光靶的實(shí)時(shí)姿態(tài)后，結(jié)合零位數(shù)據(jù)，計(jì)算盾構(gòu)獨(dú)立坐標(biāo)系與施工坐標(biāo)系之間的6個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)XL、YL、ZL、α、β、γ。其中，XL、YL、ZL為平移參數(shù)，α=α2-α0、β=β2-β0、γ=γ2-γ0為旋轉(zhuǎn)參數(shù)。

經(jīng)空間三維直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，計(jì)算出刀盤和盾尾在施工坐標(biāo)系中的坐標(biāo)如下。

(4)

式中RZ、RY、RX為分別繞3個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)矩陣。

具體表示為：

(5)

4.5 盾構(gòu)姿態(tài)計(jì)算

計(jì)算盾構(gòu)特征點(diǎn)相對(duì)于DTA在里程、方向和高程上的坐標(biāo)分量，以及盾構(gòu)軸線與DTA形成的夾角在水平面、沿DTA的豎直面和橫斷面上的角度分量，這些分量就是盾構(gòu)刀盤和盾尾中心的里程、方向偏差和高程偏差，以及盾構(gòu)偏航角、俯仰角和滾動(dòng)角，即盾構(gòu)位姿數(shù)據(jù)。為了方便現(xiàn)場(chǎng)人員更清楚地了解盾構(gòu)位姿，還要計(jì)算出環(huán)號(hào)、坡度、累計(jì)掘進(jìn)距離等其他相關(guān)數(shù)據(jù)。

其中，DTA是按設(shè)計(jì)中線和高程計(jì)算出的空間一系列三維坐標(biāo)點(diǎn)，點(diǎn)間距一般為1 m。DTA的計(jì)算以及上述姿態(tài)投影計(jì)算過程涉及到曲線的正反算等常規(guī)計(jì)算，在此不再贅述。

5 測(cè)量誤差分析

儀器誤差、觀測(cè)誤差和外界因素影響不可避免地會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來誤差。以下對(duì)誤差的產(chǎn)生、傳遞和影響進(jìn)行分析，以采取合理措施對(duì)其進(jìn)行減弱。

掘進(jìn)時(shí)，不同的洞內(nèi)測(cè)量環(huán)境對(duì)導(dǎo)向系統(tǒng)的誤差影響非常大，不宜進(jìn)行統(tǒng)一評(píng)價(jià)，因此，只對(duì)導(dǎo)向系統(tǒng)自身測(cè)量精度做出估算。

先對(duì)激光靶棱鏡坐標(biāo)和激光靶測(cè)量出的角度等基本要素進(jìn)行精度估算，再以此為基礎(chǔ)，對(duì)計(jì)算出的刀盤和盾尾坐標(biāo)精度進(jìn)行估算。

5.1 激光靶棱鏡測(cè)量誤差

據(jù)文獻(xiàn)[5]中的全站儀直接測(cè)量誤差分析公式，激光靶棱鏡測(cè)量誤差見式(6)。

系統(tǒng)配備的徠卡TS15全站儀的水平角和豎直角標(biāo)稱測(cè)量精度為±2″，測(cè)距精度為2+2×10-6D。根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)在隧道內(nèi)工作時(shí)的性能參數(shù)，設(shè)定以下參數(shù)取值范圍： 全站儀到激光靶棱鏡距離S∈(0，200 m)，天頂距ZA∈(85°，95°)，方位角αA∈(0，360°)。計(jì)算時(shí)，各參數(shù)均取最大值。

根據(jù)式(6)，得出激光靶棱鏡坐標(biāo)的誤差最大值mxL=myL=±2.82 mm、mzL=±1.94 mm。

5.2 激光靶角度測(cè)量誤差

激光靶角度測(cè)量誤差包括方位角、坡度和滾動(dòng)角測(cè)量誤差。

5.2.1 方位角測(cè)量誤差

5.2.1.1 激光誤差

激光誤差包括全站儀角度誤差和激光束與全站儀視準(zhǔn)軸的平行性誤差。全站儀方向誤差=±2″=±0.01 mm/m，可忽略。激光校正誤差經(jīng)儀器校正后，最大殘留誤差可控制在±0.1 mm/m。

5.2.1.2 激光靶測(cè)量誤差

激光靶制造完成后，必須對(duì)激光靶進(jìn)行人工校正，生成相應(yīng)的校正文件，在姿態(tài)計(jì)算時(shí)對(duì)激光靶測(cè)量結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)改正，才能保證測(cè)量結(jié)果的正確性。

激光靶方位角的測(cè)量精度由激光靶的校正精度確定。

為確定激光靶的校正精度，在激光靶校正后，對(duì)其進(jìn)行檢查和精度評(píng)定。將激光靶的量程范圍均勻等分為若干個(gè)區(qū)域(見圖6)，分別將全站儀精密定位于每個(gè)交叉點(diǎn)，使其發(fā)出的激光照準(zhǔn)激光靶的透鏡光心，同時(shí)記錄激光靶的歷次測(cè)量結(jié)果，由于檢查期間激光靶位置固定,因此全站儀架設(shè)在不同位置時(shí)的測(cè)量結(jié)果理論上應(yīng)該相等，列出與正確結(jié)果的較差(見圖7)。

圖6 激光靶校正檢查

圖7 激光靶校正結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5.2.1.3 方位角零位測(cè)量誤差

方位角零位測(cè)量誤差來源于盾構(gòu)方位角測(cè)量誤差，主要依賴于盾殼外部各結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)間的相對(duì)中誤差[16]。測(cè)量時(shí)將點(diǎn)間誤差控制在±2 mm，特征點(diǎn)間距要求大于5 m，則方位角零位中誤差=±2 mm/5 m=±0.4 mm/m。

5.2.2 坡度和滾動(dòng)角

坡度和滾動(dòng)角由雙軸傾斜儀測(cè)量，主要誤差影響因素如下。

5.2.2.1 雙軸傾斜儀自身測(cè)量誤差

系統(tǒng)采用的傾斜儀標(biāo)稱測(cè)量精度為±0.06°=±0.17 mm/m。

5.2.2.2 坡度和滾動(dòng)角零位測(cè)量誤差

坡度和滾動(dòng)角零位測(cè)量誤差與方位角零位測(cè)量誤差類似，來源于盾構(gòu)坡度和滾動(dòng)角的測(cè)量精度，主要依賴于盾殼外部各結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)間的高程相對(duì)中誤差[16]。測(cè)量時(shí)采取合理措施，可將點(diǎn)間高程誤差控制在±2 mm，特征點(diǎn)間距要求大于5 m，則坡度和滾動(dòng)角零位測(cè)量中誤差=±0.4 mm/m。

5.3 刀盤與盾尾坐標(biāo)誤差

根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)的測(cè)量誤差，可計(jì)算刀盤和盾尾坐標(biāo)誤差。

將式(4)展開，得：

式中xi、yi、zi為刀盤、盾尾在盾構(gòu)獨(dú)立坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，i=1,2。激光靶安裝到盾構(gòu)上以后，以上數(shù)據(jù)均為常數(shù)，見式(1)。

刀盤和盾尾坐標(biāo)誤差的主要影響因素有激光靶棱鏡坐標(biāo)測(cè)量誤差和方位角、坡度與滾動(dòng)角測(cè)量誤差，還與激光靶在盾構(gòu)上的安裝位置、盾構(gòu)的實(shí)時(shí)方位、坡度和滾動(dòng)角有關(guān)。因此估算精度時(shí)，需設(shè)定下列參數(shù)范圍： 激光靶距離刀盤a=5 m，橫向和高程偏離盾構(gòu)軸線b=c=4.5 m；方位角α∈(0,360°)，坡度β∈(-5°,+5°)，滾動(dòng)角γ∈(-5°,+5°)。

將式(7)進(jìn)行微分，采用上述各常數(shù)取值范圍內(nèi)的影響最大值，并忽略小項(xiàng)，得出中誤差表達(dá)式：

導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量精度各項(xiàng)指標(biāo)均在±10 mm以內(nèi)，能夠滿足盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)精度的要求。

6 施工應(yīng)用

系統(tǒng)制造完成后，在某地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)上進(jìn)行了應(yīng)用，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間18個(gè)月，掘進(jìn)3.5個(gè)區(qū)間，掘進(jìn)長(zhǎng)度3 300 m。

6.1 掘進(jìn)歷史記錄

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，一般都存在著不同程度的盾構(gòu)和管片振動(dòng)、煙塵影響以及空氣溫度劇烈變化引起的視線跳動(dòng)現(xiàn)象，這些因素輕則會(huì)引起導(dǎo)向系統(tǒng)誤差增大、測(cè)程減小，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致導(dǎo)向系統(tǒng)不能正常連續(xù)工作，這些情況可從掘進(jìn)歷史記錄中清楚地發(fā)現(xiàn)。

實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，盡管也受到了上述外界環(huán)境的影響，但由于該系統(tǒng)的測(cè)量原理使得系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境有著較好的“寬容度”，再加上軟件對(duì)雙軸傾斜儀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了合理的平滑濾波；所以，從使用效果來看，起到了有效抵消激光跳動(dòng)和機(jī)器振動(dòng)影響的預(yù)期目的。

圖8顯示了共計(jì)172 m的掘進(jìn)記錄。從圖8可以看出： 盾構(gòu)平面和高程偏差數(shù)據(jù)穩(wěn)定性良好，連續(xù)測(cè)量的數(shù)據(jù)跳動(dòng)幅度只有毫米級(jí)，未出現(xiàn)某些系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的明顯的“鋸齒”現(xiàn)象；系統(tǒng)連續(xù)工作，沒有出現(xiàn)過測(cè)量中斷的情況，這些表現(xiàn)都能夠很好地滿足盾構(gòu)掘進(jìn)的要求。期間全站儀經(jīng)過多次搬站，儀器到激光靶的距離為20～110 m，搬站前后未出現(xiàn)明顯的姿態(tài)數(shù)據(jù)跳動(dòng)現(xiàn)象。同時(shí)，盾尾與刀盤之間的偏差同步關(guān)系(兩者相距4 m)以及盾構(gòu)的“蛇行”狀態(tài)表現(xiàn)的也非常明顯。

圖8 掘進(jìn)歷史查詢

6.2 測(cè)量精度檢查

為了驗(yàn)證新系統(tǒng)實(shí)際達(dá)到的測(cè)量精度，現(xiàn)場(chǎng)采用了以下幾種方法對(duì)導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行檢查。

利用盾構(gòu)停止掘進(jìn)的間隙，多次對(duì)盾構(gòu)位姿進(jìn)行了人工測(cè)量；利用每次搬站的時(shí)機(jī)，切換到盾構(gòu)原配的ZED導(dǎo)向系統(tǒng)，然后與新研制的導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。以上2種方法與導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的偏差較差均小于±10 mm，趨勢(shì)較差均小于±1 mm/m。導(dǎo)向系統(tǒng)與人工測(cè)量結(jié)果比較見表1。

除了直接測(cè)量盾構(gòu)位姿外，還用常規(guī)測(cè)量方法對(duì)脫出盾尾后的管片最終位姿進(jìn)行了測(cè)量。圖9對(duì)共計(jì)200環(huán)(300 m)的掘進(jìn)記錄與管片實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，兩者最大較差不超過±30 mm；此項(xiàng)較差稍大的原因是管片上浮、曲線上管片外移、不同步注漿引起的管片偏移等；將兩者進(jìn)行比較雖然并不能完全反映導(dǎo)向系統(tǒng)達(dá)到的真實(shí)精度，但因管片位姿系獨(dú)立測(cè)量，完全撇開了導(dǎo)向系統(tǒng)，因此這種檢查方法更為直觀可靠。

表1 自行研發(fā)的導(dǎo)向系統(tǒng)與人工測(cè)量結(jié)果比較

(a) 水平偏差

(b) 高程偏差

7 結(jié)論與討論

經(jīng)過一年半的工程應(yīng)用，對(duì)研制的導(dǎo)向系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了較為全面的測(cè)試。通過采用各種方法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較分析，確認(rèn)其測(cè)量精度能夠滿足盾構(gòu)掘進(jìn)需要；運(yùn)行期間，除了因洞內(nèi)多次斷電造成電腦故障外，其他軟硬件均沒有出現(xiàn)故障現(xiàn)象；測(cè)試期間軟件界面一直在改進(jìn)，使其更人性化，并逐漸增加了管片選型、洞外監(jiān)控等功能。在系統(tǒng)的適用性方面，實(shí)踐證明能夠很好地適應(yīng)隧道內(nèi)惡劣的測(cè)量環(huán)境。

系統(tǒng)運(yùn)用了新的方位角測(cè)量原理，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證并與其他系統(tǒng)對(duì)比，有效地解決了由于激光光斑形狀不規(guī)則、激光跳動(dòng)、激光軸線偏差、距離遠(yuǎn)、煙塵大、激光強(qiáng)度弱等原因引起的測(cè)量誤差大、測(cè)程短和激光靶不能連續(xù)捕捉激光，導(dǎo)致系統(tǒng)不能連續(xù)測(cè)量的弊端，達(dá)到了預(yù)期的效果。

總體來說，該系統(tǒng)在精度、測(cè)程、環(huán)境適應(yīng)能力和軟硬件穩(wěn)定性等方面相比進(jìn)口導(dǎo)向系統(tǒng)毫不遜色，整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)好于預(yù)期。

盾構(gòu)位姿信息管理系統(tǒng)將盾構(gòu)位姿參數(shù)連同盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)記錄和傳輸，方便施工單位和建設(shè)單位對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行管理；進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)硬件的防水、防塵和減震措施，使系統(tǒng)具有更高的環(huán)境適應(yīng)能力和低故障率。

研制的盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)需在使用過程中不斷地進(jìn)行完善和改進(jìn)，相信該系統(tǒng)會(huì)逐漸成熟，成為一個(gè)測(cè)量精度更高、環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)、工作性能更穩(wěn)定、硬件購(gòu)置成本與維護(hù)修理費(fèi)用更低、技術(shù)服務(wù)更及時(shí)的盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)。

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2016—2018年全國(guó)重大軌道交通工程重點(diǎn)推進(jìn)項(xiàng)目

日前，國(guó)家發(fā)展改革委和交通運(yùn)輸部聯(lián)合印發(fā)了《交通基礎(chǔ)設(shè)施重大工程建設(shè)三年行動(dòng)計(jì)劃》(以下簡(jiǎn)稱《行動(dòng)計(jì)劃》)。其中，城市軌道交通建設(shè)是最大亮點(diǎn)，正在迎來密集開工。

《行動(dòng)計(jì)劃》中指出，2016—2018年擬重點(diǎn)推進(jìn)鐵路、公路、水路、機(jī)場(chǎng)和城市軌道交通項(xiàng)目303項(xiàng)，涉及項(xiàng)目總投資約4.7萬億元，其中2016年、2017年、2018年分別為2.1萬億、1.3萬億、1.3萬億元?！缎袆?dòng)計(jì)劃》中要求： 加強(qiáng)規(guī)劃建設(shè)管理，有序推進(jìn)城市軌道交通建設(shè)，逐步優(yōu)化大城市交通結(jié)構(gòu)；重點(diǎn)推進(jìn)103個(gè)項(xiàng)目的前期工作，新建城市軌道交通2 000 km以上，涉及投資約1.6萬億元。

未來3年城市軌道交通新開工項(xiàng)目分別為51、33、19個(gè)(2015年新開工23個(gè))，新開工里程分別為1 274、695、416 km，涉及總投資分別為9 098億、4 804億、2 576億元(2016年新開工項(xiàng)目出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)的主要原因?yàn)椴糠衷ㄓ?015年開工的項(xiàng)目未能按時(shí)開工，而部分原定于2017年開工的項(xiàng)目提前至2016年)，合計(jì)16 478億元。2016—2018年全國(guó)重大軌道交通工程重點(diǎn)推進(jìn)項(xiàng)目見表1—3。

表1 2016年全國(guó)重大軌道交通工程重點(diǎn)推進(jìn)項(xiàng)目

表2 2017年全國(guó)重大軌道交通工程重點(diǎn)推進(jìn)項(xiàng)目

表3 2018年全國(guó)重大軌道交通工程重點(diǎn)推進(jìn)項(xiàng)目

(摘自 隧道網(wǎng) http://www.tunnelling.cn/PNews/NewsDetail.aspx?newsId=20334 2016-12-15)

Development and Application of Guidance System of Shield

WANG Jianlin1， LIN Hairong2

(1. China Railway Tunnel Stock Co., Ltd., Zhengzhou 450003, Henan, China;2.ShanghaiM&DTechnicalMeasurementCo.,Ltd.,Shanghai200123,China)

A series of guidance system of shield, whose monitoring accuracy can reach ±10 mm, is development so as to control shield attitude. The guidance system is composed of total station, laser target, computer and related data transform and transferring and power supply components. A new kind of shield attitude measuring principle is adopted and the results are testified by other measuring methods. The results show that the above-mentioned system is stable and reliable and can guarantee the monitoring accuracy. The system has been successfully applied to many tunnels.

guidance system; shield attitude; laser target; azimuth; monitoring accuracy

2016-02-29;

2016-08-03

中國(guó)中鐵股份有限公司科研項(xiàng)目(2012-重點(diǎn)-35); 中鐵隧道集團(tuán)有限公司科研項(xiàng)目(隧研合-2012-03)

王建林(1967—)，男，河南新鄉(xiāng)人，1988年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，鐵道航空勘測(cè)專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事工程測(cè)量技術(shù)及管理工作。 E-mail： 644410513@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.12.019

U 455

A

1672-741X(2016)12-1531-08