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第二十一章隧道掘进激光导向及掘进管理系统第一节激光导向系统随着科学技术的发展，激光导向技术已开始用于隧道掘进工程中。其原理就是利用有良好直线性光束的激光，投射到盾构里，使操纵者及时地了解盾构的偏离、偏转情况，并随时纠正顶进方向，保证施工质量，提高施工速度。目前采用的导向系统主要有VMT、PPS、日本演算工坊三种。一、激光导向系统的主要作用盾构在掘进中，由于地层阻力、刀盘切削反作用力及推进千斤顶作用力等的不均，使盾构偏离既定的中心，这在施工中是不允许的。盾构施工的激光导向系统的作用是随时指出盾构的顶进方向，使司机能控制机器按预定的设计线路顶进。(1)可以通过隧道设计的几何元素计算出隧道的理论轴线。(2)通过测倾仪测量盾构机的滚动和俯仰角度并予以显示。(3)在显示屏上随时以图形直观显示盾构机轴线相对于隧道设计轴线的准确位置，便于操作者根据偏差随时调整盾构机掘进的姿态和位置，使盾构机的掘进轴线逼近隧道设计轴线。(4)掘进一环后，从盾构机PLC自动控制系统获得推进油缸的伸长量数值，依此计算出上一环管片的管环平面位置，输入盾尾间隙数据后，计算出这一环适合拼装的管片类型。(5)从数据库中可以查阅各环的掘进姿态及其他相关资料。(6)通过调制解调器和电话线与地面办公室的电脑建立联系，将盾构机掘进数据传输到地面，便于工程管理人员实时监控盾构机的掘进情况。二、激光导向的工作原理将激光发生器固定在已成洞的洞壁上。利用激光导向技术发射出来的直线光束，投射到盾构里的靶板上，再用某种支持系统，以一种简单易见的形式指出盾构顶进的方向。激光测量线是一束容易看见的明亮的红光束，投射到盾构内的塑料靶板上是一个红光点。司机根据激光投射的光点与靶上预先设计好的隧道中心线位置是否相符来调整盾构上、下、左、右的位置。设备以固定参考点激光器发出的光束为基准计算掘进机的位置。知道掘进机的位置后就可以计算出与设计洞线的偏差。为了测量掘进机的位置，需要使用两个包含传感器的装置，即目标靶和倾斜计。这两个装置通过电缆及配电箱与控制单元相连，配图21-1-1激光导向装置电箱为传感器提供电源。目标靶测量激光束击中的位置及其入射角。倾斜计测量掘进机两个方向上的偏转角度。三、激光导向系统的组成激光导向系统由激光发射装置、检查和转换装置、控制装置组成。1、激光发射装置激光发射装置包括两个部分，即激光器和光学仪器。2、检查和转换装置检查和转换装置由在盾构支承环后端隔板上的接收靶、接收器、放大器和测量倾斜的摇摆倾斜计等组成。接收激光的靶板有两种：一种仅在靶板上绘有掘进设计中心图线，以观察激光点与该设计中心线的差距，供司机调整盾构方向；另一种则具有光电转换功能的靶板。第二种靶板又有以下两种，一种是带有X轴和Y轴伺服随动机构——光电板。当激光光点射到光电板时，通过光敏元件转换成电量，经过放大器输入变换器。如果再接入电子计算机，就能形成全自动控制的导向、调向系统。另一种是激光靶板的受光板分为A、B和C、D四个区域，A、B和C、D的受光面积和电量的输出率成比例。受光板靠伺服马达在水平、垂直两个方向移动，伺服马达用齿轮与同步马达啮合。伺服马达的移出量就是同步马达移动量，同步马达的输出作为电信号输出，来显示偏差，并控制调向装置。转换方式为差动转换式，它可调整盾构倾斜的位置。是依靠摇摆倾斜计的摆角信号，输入变换器中转换成角度来显示的。3、显示和控制装置在盾构后方台车上装有变换器、显示器、打印机，彼此以电路连接。从接收器传来的Y轴、X轴和倾斜计的信号（电量），经变换器转换成数字显示在显示仪上。X、Y是以毫米表示，倾斜角以度、分表示。目前海瑞克自动测量系统采用是VMT公司开发的SLS—TAPD自动测量系统。法马通自动测量系统采用PPS自动测量系统。其系统的基本原理相似。海瑞克盾构机采用的德国VMT公司的SLS—TAPD隧道掘进激光导向系统。该系统主要有激光经纬仪、电子激光靶、控制箱、计算机及其他配套硬件和软件组成。隧道掘进软件是SLS—TAPD激光导向系统的核心。通过其附带的通信装置接收数据，由隧道掘进软件计算出盾构机的位置和姿态，并以图表和数字在屏幕上显示，使盾构机的位置一目了然。海瑞克盾构机的掘进管理系统采用西门子公司的S—7型可编程控制器PLC。该系统对全机掘进过程中发生的模拟信号、数字信号和开关信号进行采集和处理，并根据程序对相应的部件进行驱动、保护和报警。按掘进、管片拼装和停止掘进三个不同的盾构机运行状态段来进行数据记录、处理、存储和显示，监控盾构机运行过程中的相关关键参数，同时将相关数据传送到地面计算机中。该系统还可以查找盾构机以前掘进的数据信息，并打印出各环掘进的情况，供施工管理人员进行分析。维尔特盾构机的屏幕显示画面更为直观，可以直接从屏幕上读出有关掘进数据。四、SLS-TAPD激光导向系统1、工作原理简介由激光经纬仪发射出一束可见红色激光束，激光束照射到ELS靶，光束相对于ELS靶的位置已精确测定，水平角是由激光经纬仪照射到ELS靶的入射角决定的，在ELS靶内部安装有一个监测ELS靶倾角和转角的双轴传感器,可以分别测ELS靶的上下倾角、左右倾角和入射点相对于ELS靶的中心线的旋转角。激光照射到ELS靶的间距由TCA全站仪的EMD测定。这样，当测站坐标和后视坐标确定后，ELS靶的方位和坐标就确定下来了。根据ELS靶的中心和盾构机的主机轴线平面几何关系，就可以确定盾构机的轴线。2、SLS—TAPD系统组成（1）激光全站仪激光全站仪（LeicaTCA1103/ART/GUS64）是同时测量角度（水平和垂直）和距离的测量仪器，并能发射出一束可见红色激光。激光经纬仪临时固定在安装好的管片上，随着盾构机的不断向前掘进，激光经纬仪也要不断地向前移动，这被称为移站。LeicaTCA1103激光全站仪参数：测角精度为3.3″，测距精度为2mm+2ppm。（2）黄色盒主要是为全站仪和激光器提供电源，也连接全站仪和主控室的PC机的通讯数据传输。（3）电缆鼓当盾构机向前推进时。激光全站仪和安装在盾构机上的其他设备间的距离会增大，因此需要用带有滚动装置的电缆鼓。图21-1-2激光导向系统总图（4）ELS靶激光靶则被固定在中盾之内，用来接收激光束。ELS靶参考平面上布满传感元件，可以传递入射角的上下倾角、左右倾角和入射点对于ELS靶的中心线的旋转角。激光经纬仪发射出激光束照射在激光靶上，激光靶可以判定激光的入射角及折射角，另通过激光靶内测倾仪，用来测量盾构机的滚动和倾斜角度。（5）工业计算机(IndustrialPC)由隧道掘进软件计算所有的数据,并用图表和数字表格两种形式显示在监视器（Monitor）上,使TBM的位置一目了然。（6）隧道掘进软件隧道掘进软件是SLS-TAPD的核心。通过其附带的通信装置接收数据。由隧道掘进软件计算盾构机的方位和坐标，并以图表和数字表格显示出来。（7）控制盒(ControlBox)控制盒用来组织隧道掘进激光导向系统电脑与激光经纬仪和激光靶之间的联络，并向黄盒子和激光靶供电。控制盒连接系统的各种传感器,并将这些输出合适的项目输入到工业计算机内。来自工业计算机的控制信号也可以转换到传感器上。（8）调制解调器通过现场安装的电话线经调制解调器可以把盾构机的位置动态的传递到主控室和地面办公室，形成一个小局域网，地面上可以随时知道盾构机的状态。（9）TBM-PLC程序逻辑控制器(SPS)盾构机的数据是从程序逻辑控制器（PLC）输入的。PLC独立于SLS-TAPD自动定位系统。（10）盾尾间隙自动测量控制器单元最新安装管片和盾构机的盾尾之间的间隙由安装在管片安装机区域的仪器测得。VMT提供的控制器单元连接由安装在安装机区域的仪器所测的测量结果和工业计算机内的管片选择软件组成。测量盾尾间隙的仪器是由Leica公司制造的手持式测距仪。当测距仪发射出的激光照射到管片和盾壳内侧时，就可以直接读出它的距离。五、PPS导向系统1、基本原理简介在测量TBM的位置和方向时，必须从三维空间量TBM上的两个固定点，由EDM棱镜表示。她们相对于TBM轴线以及刀盘的确切位置必须在TBM安装时确定。在掘进过程中，由于TBM的滚动和移动会发生变化，因此必须要进行精确测量。这个测量过程将由安装在TBM内部的两轴向倾斜仪电子化完成。一个马达经纬仪将自动测量TBM上每个棱镜的两极位置，经纬仪的站点和方位已被预先确定。尽管如此，由于经纬仪的水平角度测量系统没有完整的基准点，用户在安装过程中必须要对经纬仪进行定位。该工作可以通过普通的测量方法来测量经纬仪到基准点来完成，基准点的坐标已预先确定。其次,可以通过测量从固定的经纬仪到这些点的倾斜距,水平和垂直角度来确立TBM上两个主要点的全球坐标.由于棱镜在TBM坐标系统中的位置在TBM设置时已经被确定,TBM的滚动和移动的实际时间通过测量也知道,而隧道中线在全球坐标系统中也是已知的并已经被输入到电脑中，因此，TBM相对于中线的位置及方位就可以被很容易的计算出来。2、PPS系统组成：（1）激光全站仪激光全站仪（LeicaTCA1800/ART/GUS64）是同时测量角度（水平和垂直）和距离的测量仪器，并能发射出一束可见红色激光。（2）黄色盒主要是为全站仪和激光器提供电源，也连接全站仪和主控室的PC机的通讯。（3）无线电收发器。（4）棱镜系统允许最多连接4个马达棱镜，棱镜1和2连接到倾斜仪上，使用一个可选择的棱镜驱动也可以连接另外两个棱镜3和4。导向系统一次只使用4个可用棱镜中的两个，使用的棱镜被定义为逻辑棱镜1和2，每个棱镜都可能被选择成为逻辑棱镜1，剩余的棱镜中的一个可被选择为逻辑棱镜2，对于最高精确度，建议选择离刀盘最近的棱镜作为逻辑棱镜，同时，棱镜1和2应当接近垂直平面与TBM中线平行。TBM内部棱镜的局部坐标应在局部坐标系统中确立(水平、垂直和长度)。（5）工业计算机由隧道掘进软件计算所有的数据,并用图表和数字表格两种形式显示在监视器上,使TBM的位置一目了然。图21-1-3PPS系统软件主界面（6）隧道掘进软件隧道掘进软件是PPS的核心。通过其附带的通信装置接收数据。由隧道掘进软件计算盾构机的方位和坐标，并以图表和数字表格显示出来。（7）调制解调器通过现场安装的电话线经调制解调器可以把盾构机的位置动态的传递到主控室和地面办公室，形成一个小局域网，地面上可以随时知道盾构机的状态。（8）TBM-PLC盾构机的数据是从程序逻辑控制器（PLC）输入的。（9）盾尾间隙自动测量[SLUM]控制器单元最新安装管片和盾构机的盾尾之间的间隙由安装在管片安装机区域的仪器测得。第二节盾构机的姿态控制一、盾构姿态控制的原则盾构的姿态控制是盾构施工中的一个重要环节。盾构姿态控制的基本原则是以隧道设计轴线为目标，根据自动测量系统显示的轴线偏差和偏差趋势，把偏差控制在设计范围内，同时在掘进过程进行盾构姿态调整确保不破坏管片。通俗的说就是“保头护尾”。盾构姿态控制与管片拼装为相互影响，相互制约的两个过程。管片拼装的基本原则是适应盾构姿态调整，进行合理管片选型。盾构姿态控制与管片拼装应以隧道设计轴线控制为目标，同时两者相互协调，保证管片拼装质量，避免管片产生破损。总体是盾构跟着设计轴线走，管片拼装跟着盾构走。盾构机的方向控制是通过调节分组油缸的压力进行。盾构机环绕盾壳内侧周围布置推进油缸，其压力在液压与电气控制上将其分为多组，单组油缸压力由一个调节旋扭控制，由一个推进速度控制旋扭使所有油缸进油流量相同，由于调节旋扭控制的溢流压力不同产生了每组油缸不同的行程差，从而达到使盾构机向压力最低的一组油缸方向转向的目的，正常情况下方向的控制就这样产生了。通常盾构机的方向按以上所谈到的原理进行是没有问题的，但有时也有以下两种特殊情况。其一是方向控制并未按所希望的控制方向进行，如地质出现单侧岩石较硬，这时，如果盾构机掘进速度选择较快，即掘进速度已超过盾构机在该种硬岩所能达到的速度，即使在硬岩侧的推进油缸选择压力大于软岩侧的掘进压力，盾构机仍会向硬岩侧方向偏转。此时应降低掘进速度，按硬岩掘进速度掘进，如果盾构机希望向软