淺談VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)在TBM隧洞施工中的應(yīng)用

摘 要：隧洞掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工過程中的導(dǎo)航系統(tǒng)（VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)）相比較一些傳統(tǒng)隧洞測量，采用無線數(shù)據(jù)傳輸工程，方便、快捷的將TBM掘進(jìn)動態(tài)以圖形和文字的形式直接計(jì)算機(jī)顯示器上，指導(dǎo)TBM操作手進(jìn)行掘進(jìn)操作，本文主要對VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)的工作原理、硬件與軟件組成、導(dǎo)向系統(tǒng)的操作應(yīng)用及特點(diǎn)進(jìn)行了簡要闡述。

關(guān)鍵詞：TBM；VMT導(dǎo)向系統(tǒng)；測量；掘進(jìn)控制

盾構(gòu)法施工以其高效、安全、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)目前廣泛的應(yīng)用在鐵路、公路、地鐵、水電等地下隧道工程施工中，工程機(jī)械化施工技術(shù)水平的日益提高，隧洞掘進(jìn)機(jī)市場正在迅速擴(kuò)大，其中隧洞掘進(jìn)機(jī)（TBM）作為主力軍大量投入到隧洞施工中，作為與之配套的重要輔助系統(tǒng)自動化導(dǎo)向系統(tǒng)，以其更先進(jìn)的技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。通過在厄瓜多爾科卡科多辛克萊爾（CCS）水電站項(xiàng)目引水隧洞施工中的實(shí)踐，介紹從德國引進(jìn)的VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 工程概況

科卡科多辛克萊爾（CCS） 水電站位于厄瓜多爾東北部，從首都基多到工程首部約三個(gè)小時(shí)的行程。電站主要建筑物，首部樞紐由擋水壩、溢洪道、攔污柵、沉沙池、排沙閘和與引水隧洞相連的虹吸管組成；引水隧洞挖掘長度24.8公里，最大開挖直徑9.15米，全部由混凝土管片襯砌；調(diào)節(jié)水庫主要有一座面板堆石壩和溢洪道工程；壓力管道，有兩條從水庫到廠房的混凝土壓力管道長1400米，內(nèi)徑5.80米，在其末端400米用鋼管襯砌，內(nèi)徑5.20米；地下廠房寬26米、高50米、長192米；地下主變室寬16.5米、高33米、長192米；采購、安裝8臺，單機(jī)容量18.75萬千瓦的機(jī)組。

引水隧洞采用從德國引進(jìn)的雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工，隧洞施工中的導(dǎo)向系統(tǒng)采用的是VMT自動導(dǎo)航系統(tǒng)來控制掘進(jìn)方向。

2 隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）VMT激光導(dǎo)向系統(tǒng)工作原理

2.1 VMT導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)施目的

在隧洞掘進(jìn)過程中，VMT導(dǎo)向系統(tǒng)對TBM的位置及DTA（隧洞設(shè)計(jì)軸線）的相對位置關(guān)系進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)控測量，避免隧洞掘進(jìn)機(jī)（TBM）發(fā)生偏移設(shè)計(jì)軸線。

2.2 VMT導(dǎo)向系統(tǒng)的坐標(biāo)系

所有的測量都是基于坐標(biāo)系統(tǒng)的，在VMT導(dǎo)向系統(tǒng)中用到了三種不同的坐標(biāo)系統(tǒng)。分別是：大地坐標(biāo)系統(tǒng)、TBM坐標(biāo)系統(tǒng)，DTA坐標(biāo)系統(tǒng)。

1）大地坐標(biāo)系統(tǒng)。主要包括DTA數(shù)據(jù)、以及輸入到系統(tǒng)里的TCA，BT坐標(biāo)。

2）TBM坐標(biāo)系統(tǒng)。以TBM前點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)；中心軸線為X軸，掘進(jìn)方向?yàn)檎?；X軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度為Y軸；垂直X軸、Y軸平面為Z軸。

參考點(diǎn)的坐標(biāo)采用TBM坐標(biāo)系，在TBM進(jìn)行組裝的時(shí)候進(jìn)行測定。我們根據(jù)參考點(diǎn)在大地坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)及其TBM坐標(biāo)確定TBM的實(shí)際位置。

3）DTA坐標(biāo)系統(tǒng)。此坐標(biāo)系用于確定TBM與隧洞中心的實(shí)際相對位置的偏差值，坐標(biāo)是以水平、垂直偏差和TBM的里程來體現(xiàn)的。下圖為幾種坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系：

利用全站儀發(fā)射的導(dǎo)向激光和激光靶單元的角度關(guān)系，結(jié)合雙軸傾斜儀計(jì)算出隧洞掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)方向，根據(jù)以上三種坐標(biāo)系統(tǒng)的關(guān)系結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的坐標(biāo)換算出隧道掘進(jìn)機(jī)與設(shè)計(jì)軸線的偏差，然后以直觀的圖形姿態(tài)反應(yīng)到計(jì)算機(jī)顯示器上，指導(dǎo)TBM操作人員進(jìn)行操作。

2.3 VMT導(dǎo)向系統(tǒng)的組成

（1）導(dǎo)向系統(tǒng)硬件。導(dǎo)向系統(tǒng)是由激光全站儀（TCA）、中央控制箱、激光靶（ALTU）、通訊盒子（RADIO BOX）和中央電腦，其連接示意圖如下：

激光全站儀（TCA）具有自動馬達(dá)，能由中央電腦完全操控，可以自動照準(zhǔn)目標(biāo)和跟蹤，并可發(fā)射GUS74光束，用來激活激光靶，主要用于后視定位，測量距離、水平角和豎直角，和遠(yuǎn)程通訊盒子進(jìn)行直接連接，并將測量結(jié)果通過兩個(gè)通訊盒子傳輸?shù)街醒腚娔X。（萊卡TPS1200、TS15G均可使用）

（2）激光靶（ALTU）。激光靶用來確定偏航角、滾動角及俯仰角。入射激光點(diǎn)的X坐標(biāo)及Y坐標(biāo)也由激光來測定，通過電纜連接在中央控制箱，另外在VMT導(dǎo)向系統(tǒng)中還配有雙軸傾斜儀，最終可測出TBM的絕對滾動角和絕對俯仰角。

（3）通訊盒子（RADIO BOX）。通訊盒子成對使用，主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一個(gè)安裝在全站儀旁（遠(yuǎn)程盒子），通過一根四芯電纜將數(shù)據(jù)傳輸給全站儀，并對全站儀供電。另一個(gè)（局部盒子）安裝在TBM上通過一個(gè)十芯電纜跟中央控制箱連接傳輸數(shù)據(jù)，并發(fā)送、接收遠(yuǎn)程通訊盒子傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

（4）中央控制箱。中央控制箱主要起聯(lián)系作用，它向外給通訊盒子提供電源，也給激光靶提供電源。同時(shí)它還負(fù)責(zé)將從激光靶及激光全站儀傳來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電腦能夠處理的數(shù)據(jù)。同樣電腦給全站儀發(fā)出的控制數(shù)據(jù)也在中央控制箱被轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)形式。

（5）中央電腦。中央電腦通過網(wǎng)線與中央控制箱連接，接收、處理中央控制箱傳來的數(shù)據(jù)。我們通過對電腦的操作來完成對導(dǎo)向系統(tǒng)的控制，最終的結(jié)果會在導(dǎo)向系統(tǒng)的界面上顯示出來。

2.4 VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)的操作運(yùn)用及主要功能

導(dǎo)向系統(tǒng)的硬件部分連接完畢之后，作為導(dǎo)向系統(tǒng)的核心部分，導(dǎo)向系統(tǒng)的操作運(yùn)用主要體現(xiàn)在中央電腦預(yù)裝的TUNLS軟件。VMT導(dǎo)向系統(tǒng)提供了更簡潔，更實(shí)用的軟件，VMT既保留了姿態(tài)圖形顯示的簡約風(fēng)格，圖文并茂，也對頁面布局和功能歸類進(jìn)行了模板化設(shè)計(jì)，使用戶能更容易的掌握軟件的使用。

作為隧道掘進(jìn)的重要輔助軟件，VMT導(dǎo)向系統(tǒng)并不僅僅局限于顯示隧道掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)這一單一功能，而是在軟件中集成了諸多功能，如：DTA計(jì)算、糾偏曲線、歷史記錄查看、管環(huán)選型預(yù)測、報(bào)告輸出等。

2.5 VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)的特點(diǎn)

VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)的特點(diǎn)，也是其相對于其他導(dǎo)向系統(tǒng)的特點(diǎn)是：

適應(yīng)施工現(xiàn)場的極端環(huán)境：激光靶單元內(nèi)部無任何機(jī)械部件，且外殼設(shè)計(jì)防塵、防水；

所需測量通道小：可以盡可能為機(jī)械化施工節(jié)約空間，也可以說能最大限度地避免施工過程中人員或機(jī)械對測量造成影響；

測量周期短，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定地計(jì)算掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)：掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)速度有限，每10秒更新一次距離足以滿足精度要求。而掘進(jìn)機(jī)方向的變化則可以通過激光標(biāo)靶單元不間斷獲得；

精度高、穩(wěn)定：激光靶單元與掘進(jìn)機(jī)位置關(guān)系相對穩(wěn)定，為獲取穩(wěn)定準(zhǔn)確的掘進(jìn)機(jī)方向提供了保證。

3 結(jié)語

VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)作為隧洞掘進(jìn)機(jī)（TBM）的導(dǎo)向服務(wù)，猶如人類的眼睛一般，以便在隧洞掘進(jìn)工作中方便、直觀的發(fā)揮其導(dǎo)向作用，從而提高了隧洞測量的作業(yè)效率，以及準(zhǔn)確性。同時(shí)，VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)與傳統(tǒng)的隧洞測量又是密不可分的，基于傳統(tǒng)測量知識基礎(chǔ)之上，結(jié)合自動化以及信息化研制而成隧洞導(dǎo)向系統(tǒng)，因而從事VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)的操作人員必須具有一定測繪及系統(tǒng)操作技能。在實(shí)際的施工作業(yè)中，也發(fā)現(xiàn)VMT導(dǎo)向系統(tǒng)工作隨著隧洞工作環(huán)境的變化存在諸多不穩(wěn)定問題，這就需要我們操作人員繼續(xù)進(jìn)行學(xué)習(xí)研究，導(dǎo)向系統(tǒng)達(dá)到最理想的工作狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張正錄.工程測量學(xué).武漢：武漢大學(xué)出版社，2003：2227.

[2]楊國清.控制測量學(xué).黃河水利出版社，2005.

[3]周文波.盾構(gòu)隧洞施工技術(shù)與應(yīng)用.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004：3637.

[4]張國營，傅國利.盾構(gòu)法施工過程的有限元模擬巖土工程技術(shù)，2007：3843.

VMT導(dǎo)向系統(tǒng)TUNLS軟件使用用戶說明書 （2010）

作者簡介：任英豪（1986），河北大名人，助理工程師，主要從事水利水電工程施工。