盾構(gòu)機(jī)激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理董偉東，任 干（北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，北京 100101）摘要: 以德國VMT公司的單圓盾構(gòu)機(jī)為例，介紹盾構(gòu)機(jī)和激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成，探討激光導(dǎo)向系統(tǒng)的工作原理。重點(diǎn)揭示激光導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)繪學(xué)原理。總結(jié)提高激光導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量精度應(yīng)采取的措施。關(guān)鍵詞:隧道施工；盾構(gòu)機(jī)；地鐵；控制測(cè)量；導(dǎo)向系統(tǒng)；姿態(tài)解算；修正曲線

The Principle of Laser Navigation System of the Tunnel Boring MachineDong Wei-dong, Ren Gan (1.Beijing Urban Construction Exploration & Surveying Design Institute, Beijing 100101, China)Abstract：Based on the sample of single-circle TBM made in Germany VMT Co., the components of TBM and the Laser Navigation System are described, and the principles of the Automatic Laser Navigation System, especially in terms of Surveying Science, are discussed. Finally, the measures to improve the surveying precision of the Navigation System are summarized.Keywords: tunnel construction; TBM; Metro; control survey; navigation system; positioning; correction curve0 引言： 20世紀(jì)70年代以來，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)有了新的飛躍。伴隨著激光、計(jì)算機(jī)以及自動(dòng)控制等技術(shù)的發(fā)展成熟，激光導(dǎo)向系統(tǒng)在盾構(gòu)機(jī)中逐漸得到成功運(yùn)用、發(fā)展和完善。激光導(dǎo)向系統(tǒng)，使得盾構(gòu)法施工極大地提高了準(zhǔn)確性、可靠性和自動(dòng)化程度，從而被廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、市政、油氣等專業(yè)領(lǐng)域。 全面理解激光導(dǎo)向系統(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(shí)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，保證隧道的正確掘進(jìn)和最后貫通；有助于國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)研制工作的開展。1 盾構(gòu)機(jī)和激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成1.1 盾構(gòu)機(jī)的組成 盾構(gòu)機(jī)按推力方式可分為網(wǎng)格式、壓氣式、插板式以及土壓式和水壓式；按形狀劃分，除典型的矩形、單圓筒形外，近年來又出現(xiàn)了雙圓、三圓及多圓等異構(gòu)形。它們的組成有一定差異。其中，土壓式單圓盾構(gòu)機(jī)在我國應(yīng)用比較普遍。它主要由盾體（含刀盤等）、管片拼裝機(jī)、排土機(jī)構(gòu)、后配套設(shè)備、電氣設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、SLS-T激光導(dǎo)向系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備組成。1.2 激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成 激光導(dǎo)向系統(tǒng)是綜合運(yùn)用測(cè)繪技術(shù)、激光傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及機(jī)械電子等技術(shù)指導(dǎo)盾構(gòu)隧道施工的有機(jī)體系。其組成(見圖1：激光全站儀（激光發(fā)射源和角度、距離及坐標(biāo)量測(cè)設(shè)備）和黃盒子（信號(hào)傳輸和供電裝置）；激光接收靶（ELS Target，內(nèi)置光柵和兩把豎向測(cè)角儀）、棱鏡（ELS Prism）和定向點(diǎn)（Reference Target）；盾構(gòu)機(jī)主控室（TBM Control Cabin）：由程控計(jì)算機(jī)（預(yù)裝隧道掘進(jìn)軟件，具有顯示和操作面板）、控制盒、網(wǎng)絡(luò)傳輸Modem和可編程邏輯控制器（PLC）四部分組成；油缸桿伸長(zhǎng)量測(cè)量（Extension Measurement）裝置等。其中，隧道掘進(jìn)軟件是盾構(gòu)機(jī)激光導(dǎo)向系統(tǒng)的核心。 2 激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量在盾構(gòu)施工中的地位和作用 地鐵盾構(gòu)法施工過程如圖3所示。在隧道掘進(jìn)模式下，激光導(dǎo)向系統(tǒng)是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)狀態(tài)，保持盾構(gòu)機(jī)沿設(shè)計(jì)隧道軸線前進(jìn)的工具之一。在整個(gè)盾構(gòu)施工過程中，激光導(dǎo)向系統(tǒng)起著極其重要的作用：(1)在顯示面板上動(dòng)態(tài)顯示盾構(gòu)機(jī)軸線相對(duì)于隧道設(shè)計(jì)軸線的準(zhǔn)確位置，報(bào)告掘進(jìn)狀態(tài)（見圖2）；并在一定模式下，自動(dòng)調(diào)整或指導(dǎo)操作者人工調(diào)整盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的姿態(tài)，使盾構(gòu)機(jī)沿接近隧道設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)。
(2)獲取各環(huán)掘進(jìn)姿態(tài)及最前端已裝環(huán)片狀態(tài)，指導(dǎo)環(huán)片安裝。(3)通過標(biāo)準(zhǔn)的隧道設(shè)計(jì)幾何元素自動(dòng)計(jì)算隧道的理論軸線坐標(biāo)。(4)和地面電腦相連，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。 從盾構(gòu)施工基本過程（圖3）可以看出，激光導(dǎo)向系統(tǒng)不能夠獨(dú)立完成導(dǎo)向任務(wù)，在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)、該系統(tǒng)啟用之前，還需要做一些輔助工作：首先，激光全站儀首次設(shè)站點(diǎn)及其定向點(diǎn)坐標(biāo)，需用人工測(cè)定。其次必須使用人工測(cè)量的方法，對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)初值進(jìn)行精確測(cè)定，以便于對(duì)激光導(dǎo)向系統(tǒng)中有關(guān)初始參數(shù)（如激光標(biāo)靶上棱鏡的坐標(biāo)，內(nèi)部的光柵初始位置及兩豎角測(cè)量?jī)x初值等）進(jìn)行配置。 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)是指盾構(gòu)機(jī)前端刀盤中心（以下簡(jiǎn)稱“刀頭”）三維坐標(biāo)和盾構(gòu)機(jī)筒體中心軸線在三個(gè)相互垂直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角等參數(shù)。盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)除了可以通過人工測(cè)量、單獨(dú)解算方式獲得外，還可以由導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)時(shí)、自動(dòng)地獲取。用人工測(cè)量方式獲得盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的過程，被稱作“盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量”。盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量的另一個(gè)作用是：在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程的間隙，對(duì)激光導(dǎo)向系統(tǒng)采集的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢核，對(duì)激光導(dǎo)向系統(tǒng)中有關(guān)配置參數(shù)進(jìn)行校正。3 盾構(gòu)機(jī)激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理：3.1盾構(gòu)機(jī)激光導(dǎo)向系統(tǒng)涉及的坐標(biāo)系 為了闡明激光導(dǎo)向系統(tǒng)的原理，首先介紹一些與盾構(gòu)機(jī)及隧道有關(guān)的坐標(biāo)系（見圖4）： (1) 地面直角坐標(biāo)系（O-XYZ）：簡(jiǎn)稱地面坐標(biāo)系，根據(jù)隧道中線設(shè)計(jì)而定，一般為地方坐標(biāo)系。洞內(nèi)(外)控制點(diǎn)、測(cè)站點(diǎn)、后視點(diǎn)以及隧道中線坐標(biāo)，均用該系坐標(biāo)表示。 (2) 盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)系（F-xyz）：在盾構(gòu)機(jī)水平放置且未發(fā)生旋轉(zhuǎn)的情況下，以盾構(gòu)機(jī)刀頭中心前端切點(diǎn)為原點(diǎn)，以盾構(gòu)機(jī)中心縱軸為x軸，由盾尾指向刀頭為正向；以豎直向上的方向線為z軸， y軸沿水平方向與x、z軸構(gòu)成左手系。盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)系是連同盾構(gòu)機(jī)一起運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立直角坐標(biāo)系。盾構(gòu)機(jī)尾部中心參考點(diǎn)、盾構(gòu)機(jī)棱鏡等相對(duì)盾構(gòu)機(jī)的位置都以此系坐標(biāo)表示，這些坐標(biāo)由盾構(gòu)機(jī)制造商測(cè)定并給出 。 (3) 棱鏡中心坐標(biāo)系（P-x’y’z’）： 原點(diǎn)為安裝在盾構(gòu)機(jī)尾部的棱鏡的中心，與盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)系平行。 除此之外，為了解算還引入了其他一些空間輔助坐標(biāo)系，從略。3.2描述盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的要素 描述盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的參數(shù)有：刀頭坐標(biāo)（xF'，yF，zF）：水平角A；傾角α；旋轉(zhuǎn)角κ。如圖4所示。 由盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)及設(shè)計(jì)隧道中線，可推算如下數(shù)據(jù)：刀頭里程：刀頭、盾尾三維偏差；平面偏角（Yaw）：盾構(gòu)機(jī)中心軸線和設(shè)計(jì)隧道中線在水平投影面的夾角；傾角（Pitch）：盾構(gòu)機(jī)中心軸線和設(shè)計(jì)隧道中線在縱向（線路前進(jìn)方向）豎直投影面的夾角；旋角（Roll）：盾構(gòu)機(jī)繞自身中心軸線相對(duì)于水平位置旋轉(zhuǎn)的角度。3.3激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理和工作過程 激光導(dǎo)向系統(tǒng)的英文本義是“盾構(gòu)指導(dǎo)系統(tǒng)”，在盾構(gòu)施工中有指導(dǎo)隧道掘進(jìn)、指導(dǎo)環(huán)片安裝、數(shù)據(jù)采集等多種功能；其中指導(dǎo)掘進(jìn)是核心功能。本文僅研究激光導(dǎo)向系統(tǒng)指導(dǎo)掘進(jìn)的原理。 在掘進(jìn)過程中，激光導(dǎo)向系統(tǒng)按如下流程工作：由系統(tǒng)控制激光全站儀實(shí)時(shí)測(cè)定盾構(gòu)機(jī)棱鏡的三維地面坐標(biāo)；同時(shí)發(fā)射激光自動(dòng)照準(zhǔn)激光標(biāo)靶，并自動(dòng)記錄激光水平方位角；標(biāo)靶內(nèi)部光柵捕獲激光的入射角，間接得到盾構(gòu)機(jī)縱軸水平方位角；利用安裝在標(biāo)靶中相互垂直兩立面內(nèi)的兩把測(cè)角儀測(cè)得盾構(gòu)機(jī)傾角和旋轉(zhuǎn)角。利用以上參數(shù)及刀頭、盾尾、棱鏡中心三者的幾何關(guān)系，通過空間坐標(biāo)變換解算刀頭、盾尾中心坐標(biāo)，結(jié)合設(shè)計(jì)隧道中線參數(shù)計(jì)算盾構(gòu)機(jī)與隧道中線的相對(duì)偏差。依據(jù)各偏差值擬合改正曲線，由PLC根據(jù)修正曲線控制機(jī)械裝置，調(diào)整各油缸桿在不同時(shí)刻的伸長(zhǎng)量。如此反復(fù)，指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。該導(dǎo)向過程包括如下6個(gè)步驟。3.3.1棱鏡P點(diǎn)坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)的獲取： P點(diǎn)坐標(biāo)(XP,YP,ZP)：由系統(tǒng)控制架設(shè)在隧洞頂部吊籃上的激光全站儀自動(dòng)測(cè)量。盾構(gòu)機(jī)水平方位角：設(shè)自激光全站儀發(fā)射到激光標(biāo)靶的激光束的水平方位角為A0，光柵根據(jù)折射率捕獲的激光入射角為θ。則系統(tǒng)獲取盾構(gòu)機(jī)方位角為A=A0-θ(見圖5)。 豎向傾角α和旋角κ：依靠ELS中的兩只相互垂直的測(cè)角儀測(cè)得。本文規(guī)定A順時(shí)針旋為正，α、κ逆時(shí)針旋為正。 3.3.2刀頭、盾尾中心的地面坐標(biāo)系三維坐標(biāo)解算： 1）將盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為棱鏡中心坐標(biāo)： 設(shè)刀頭中心F、盾尾中心B及棱鏡中心在盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)系 中的坐標(biāo)分別為（0,0,0）（xB,yB，zB）和（xP,yP,zP）則三點(diǎn)在棱鏡坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（-xP, -yP, -zP）、（xB -xP, yB -yP, zB -zP）和（0,0,0）。 2）刀頭、盾尾中心地面坐標(biāo)解算：刀頭中心在地面坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)為3.3.3刀頭、盾尾里程及盾構(gòu)機(jī)與隧道中線相對(duì)偏差的解算： 根據(jù)解出的刀頭、盾尾地面坐標(biāo)和隧道中心軸線設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算刀頭、盾尾里程（難點(diǎn)是刀頭和盾尾位于隧道中線緩和曲線段的情形，解法可參考文獻(xiàn)[5]、[6]），以及刀頭、盾尾里程處設(shè)計(jì)隧道軸線平面坐標(biāo)和高程。進(jìn)而根據(jù)盾構(gòu)機(jī)刀頭、盾尾中心坐標(biāo)、高程和對(duì)應(yīng)的隧道中線理論坐標(biāo)、高程，容易計(jì)算得到刀頭、盾尾橫向偏移和豎向偏移（方法略）。 前面已經(jīng)提到，激光導(dǎo)向系統(tǒng)的顯示面板在掘進(jìn)模式下動(dòng)態(tài)顯示盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)及偏差。內(nèi)容包括：以圖形和數(shù)字方式顯示刀頭、盾尾橫向偏差和豎向偏差，以數(shù)字方式顯示刀頭里程、水平偏角、縱向傾角和旋轉(zhuǎn)角等參數(shù)（見圖2）。3.3.4擬合修正曲線： 以盾構(gòu)機(jī)橫向、豎向偏移量和設(shè)計(jì)隧道中線為參數(shù)，擬合修正曲線（擬合方式和算法有待進(jìn)一步研究）。可人工輸入修正曲線的曲率半徑等參數(shù)，以控制盾構(gòu)機(jī)回到設(shè)計(jì)軸線的速度。3.3.5推進(jìn)： 根據(jù)修正曲線由可編程邏輯控制器（PLC）控制機(jī)械設(shè)備，調(diào)整各油缸桿的伸長(zhǎng)量。。3.3.6重復(fù)1至5步。 從以上分析可以發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)繪學(xué)原理實(shí)質(zhì)是：已知兩坐標(biāo)系之間的3個(gè)平移參數(shù)和3個(gè)轉(zhuǎn)角參數(shù)，求解一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)的參考點(diǎn)在另一個(gè)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。進(jìn)一步比較該系內(nèi)盾構(gòu)機(jī)參考點(diǎn)和對(duì)應(yīng)理論隧道軸線坐標(biāo)偏差，擬合修正曲線。4 盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量 盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量的原理是：通過人工測(cè)量盾構(gòu)機(jī)體上具有精確盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)的若干個(gè)(盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前，機(jī)體全身多于16個(gè)；在隧道掘進(jìn)中，僅尾部16個(gè)可見)參考點(diǎn)的地面坐標(biāo)系坐標(biāo)，以著名的“Bursa-wolf模型”為基礎(chǔ)，建立盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)解算改進(jìn)模型，按最小二乘原理平差解算兩坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，即得盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)參數(shù)。 建模方法和解算步驟限于篇幅，不再討論。5 影響激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量精度的因素 從以上分析可知，激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量中，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)解算的方法有本質(zhì)區(qū)別：激光導(dǎo)向系統(tǒng)，通過直接采集一個(gè)參考點(diǎn)（P）地面坐標(biāo)和三個(gè)轉(zhuǎn)角參數(shù)，正解刀頭、盾尾地面坐標(biāo)；盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量是通過采集多個(gè)(至少3個(gè))參考點(diǎn)地面坐標(biāo)，反解刀頭、盾尾地面坐標(biāo)和三個(gè)轉(zhuǎn)角參數(shù)。正解不含平差，反解運(yùn)用了最小二乘原理平差。因此，從理論上講，后者在盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)解算方面比前者更能有效地減少或消除偶然誤差。這也是采用盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量對(duì)激光導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)配置和校核的原因。 不論是激光導(dǎo)向系統(tǒng),還是盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量,原始依據(jù)都是用支導(dǎo)線形式獲得的測(cè)站坐標(biāo)和定向點(diǎn)（后視）坐標(biāo)。對(duì)于前者，三個(gè)轉(zhuǎn)角的精度取決于光柵和測(cè)角儀的靈敏程度，其誤差相對(duì)于測(cè)站誤差和定向誤差微乎其微。對(duì)于后者，盾尾參考點(diǎn)的盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)，由于在出廠前精確測(cè)定，誤差亦可忽略。因此，激光導(dǎo)向和盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量的誤差主要集中在測(cè)站點(diǎn)三維坐標(biāo)和后視方向上。另外，由于隧道內(nèi)空氣溫、濕度條件對(duì)視線和激光都會(huì)產(chǎn)生折光影響，使得激光導(dǎo)向系統(tǒng)和盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量測(cè)角均產(chǎn)生誤差。6 結(jié)論 在盾構(gòu)施工中，采取以下措施，可提高激光導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)量精度： (1)在掘進(jìn)始發(fā)前進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量時(shí),注意觀測(cè)參考點(diǎn)的均勻分布、足數(shù)和有可能含粗差點(diǎn)的判定和剔除,以便精確解算盾構(gòu)機(jī)初始姿態(tài)參數(shù),保證激光導(dǎo)向系統(tǒng)正確初始化。 (2)向系統(tǒng)正確錄入隧道平曲線、豎曲線參數(shù)。 (3)提高地下支導(dǎo)線的精度 ，并及時(shí)對(duì)激光全站儀設(shè)站點(diǎn)、定向點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行人工檢測(cè)。 (4)隨隧道掘進(jìn)、環(huán)片拼裝進(jìn)度，及時(shí)對(duì)激光全站儀進(jìn)行移站，以減少外界溫、濕度等氣象條件的影響。一般激光全站儀到盾構(gòu)機(jī)上棱鏡最遠(yuǎn)距離，在直線段不應(yīng)超過200m,在曲線段不應(yīng)超過100m。 (5)隧道掘進(jìn)過程的間隙，及時(shí)進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)控制測(cè)量，以檢核、修正激光導(dǎo)向系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)。參考文獻(xiàn)[1]VMT GmbH-Bruchsal. 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