20世纪70年代以来,掘进机施工技术有了新的飞跃。伴随着激光、计算机以及自动控制等技术的发展成熟,激光导向系统在掘进机中逐渐得到成功运用、发展和完善。激光导向系统使得掘进机施工极大地提高了准确性、可靠性和自动化程度,从而被广泛应用于铁路、公路、水利工程等专业领域。全面理解激光导向系统的原理,有助于工程技术人员在隧洞施工中及时发现问题,解决问题,保证隧道的正确掘进和最后贯通,有助于国产掘进机研制工作的开展。1 掘进机和激光导向系统的组成1.1 掘进机的组成掘进机按护盾形状划分为单护盾掘进机、双护盾掘进机以及开敞式掘进机。它们的组成有一定差异。主要由盾体(含刀盘等)、管片拼装机、主机皮带机、后配套设备、电气设备、数据采集系统、SLS-T激光导向系统及其他辅助设备组成。1.2 激光导向系统的组成激光导向系统是综合运用测绘技术、激光传感技术、计算机技术以及机械电子等技术指导掘进机隧道施工的有机体系。隧道掘进激光导向系统主要部件有激光全站仪、带有棱镜的激光靶、黄盒子、中央控制箱和隧道掘进激光导向系统电脑。2 激光导向系统和掘进机控制测量在隧洞施工中的地位和作用1)可以在电脑显示屏上随时以图形的形式显示掘进机轴线相对于隧道设计轴线的准确位置,这样在掘进机掘进时,操作者就可以依此来调整掘进机掘进的姿态,使掘进机的轴线接近隧道的设计轴线,这样掘进机轴线和隧道设计轴线之间的偏差就可以始终保持在一个很小的数值范围内。2)推进一环结束后,隧道掘进激光导向系统从掘进机PLC自动控制系统获得推进油缸和铰接油缸的油缸杆伸长量的数值,并依此计算出上一环管片的管环平面,再综合考虑被手工输入隧道掘进激光导向系统电脑的盾尾间隙等因素,计算并选择这一环适合拼装的管片类型。3)可以提供完整的各环掘进姿态及其他相关资料的档案资料。4)可以通过标准的隧道设计几何元素计算出隧道的理论轴线。5)可以通过调制解调器和电话线与地面的一台电脑相连,这样在地面就可以实时监控掘进机的掘进姿态。从隧洞施工基本过程可以看出(如图1所示),激光导向系统不能够独立完成导向任务,在掘进机开始工作、该系统启用之前,还需要做一些辅助工作:首先,激光全站仪首次设站点及其定向点坐标,需用人工测定。其次,必须使用人工测量的方法,对掘进机姿态初值进行精确测定,以便于对激光导向系统中有关初始参数进行设置。掘进机姿态是指掘进机前端刀盘中心(以下简称刀头)三维坐标和掘进机筒体中心轴线在三个相互垂直平面内的转角等参数。掘进机姿态除了可以通过人工测量、单独解算方式获得外,还可以由导向系统实时、自动地获取。用人工测量方式获得掘进机姿态的过程,被称作掘进机控制测量。掘进机控制测量的另一个作用是:在掘进机掘进过程的间隙,对激光导向系统采集的掘进机姿态参数进行检核,对激光导向系统中有关配置参数进行校正。3 激光导向坐标系统1)地面直角坐标系:简称地面坐标系,根据隧道中线设计而定,一般为地方坐标系。洞内(外)控制点、测站点、后视点以及隧道中线坐标,DTA的数据、激光站支架坐标数据等均用该坐标系表示。2)掘进机坐标系:在掘进机水平放置且未发生旋转的情况下,以掘进机刀头中心前端切点为原点,以掘进机中心纵轴为x轴,由盾尾指向刀头为正向;以竖直向上的方向线为z轴,y轴沿水平方向与x轴,z轴构成左手系。掘进机坐标系是连同掘进机一起运动的独立直角坐标系。掘进机尾部中心参考点、ELS靶的安装尺寸等相对掘进机的位置都以此坐标系表示,这些坐标由掘进机制造商测定并给出。3)DTA系统:在本系统中显示TBM前后基准点的偏离值与里程。4 激光导向系统原理激光导向系统在隧洞施工中有指导隧道掘进、指导环片安装、数据采集等多种功能,其中指导掘进是核心功能。在地面坐标系统确定一个点(X,Y,Z)来放置激光全站仪,以便确定TBM的位置。然后通过一个基准点使激光全站仪定向。由系统控制激光全站仪实时测定光靶的三维地面坐标,同时激光光束被导向ELS并自动记录激光水平方位角。ELS就能确定激光光束与ELS平面之间的偏航角,激光光束入射点和ELS之间的反射角用来确定TBM与DTA之间的偏航角。TBM的滚动角及仰俯角通过安装在ELS内部的倾斜计来确定,大约每秒两次,ELS将数据传向主控计算机。ELS和激光全站仪之间的距离通过激光全站仪内置光电测距仪来测定,这个距离提供了TBM沿DTA的里程。汇总测量的数据以便对确定TBM在地面坐标系统中的精确位置,通过隧道轴线上的两个基准点来显示TBM的位置。利用以上参数及刀头、盾尾、棱镜中心三者的几何关系,通过空间坐标变换解算刀头、盾尾中心坐标,结合设计隧道中线参数计算掘进机与隧道中线的相对偏差。依据各偏差值拟合改正曲线,由PLC根据修正曲线控制机械装置,调整各油缸杆在不同时刻的伸长量。如此反复,指导掘进机掘进。5 管片安装和激光站的前移在TBM及最新安装管环的位置被确定后,就可进行下一环推进的计算。如果纠偏量不大,可直接把DTA作为计算弧线。如果纠偏量为几个厘米,则需计算一个纠偏曲线。纠偏曲线起始于最新拼装的管环,经过TBM切向返回设计轴线。在TBM沿纠偏曲线掘进的基础上计算出来的油缸的理想行程被传到TBM计算机,计算机把这些数据转化为取得所需行程所需的压力。通过这些数据可对TBM进行全自动控制。随着TBM向前推进,及时对激光站进行前移,在SLS-T系统中控制激光站前移通过软件来引导。为保证不出现任何错误,移动过程中会自动进行监测。6 影响激光导向系统和掘进机控制测量精度的因素在激光导向系统和掘进机控制测量中,掘进机姿态解算的方法有本质区别:激光导向系统,通过直接采集1个参考点地面坐标和3个转角参数,正解刀头、盾尾地面坐标;掘进机控制测量是通过采集多个(至少3个)参考点地面坐标,反解刀头、盾尾地面坐标和3个转角参数。因此,从理论上讲,后者在掘进机姿态解算方面比前者更能有效地减少或消除偶然误差。这也是采用掘进机控制测量对激光导向系统进行参数配置和校核的原因。不论是激光导向系统,还是掘进机控制测量,原始依据都是用支导线形式获得的测站坐标和定向点(后视)坐标。对于前者,3个转角的精度取决于光栅和测角仪的灵敏程度,其误差相对于测站误差和定向误差微乎其微。对于后者,盾尾参考点的掘进机坐标由于在出厂前精确测定,误差可忽略。因此,激光导向和掘进机控制测量的误差主要集中在测站点三维坐标和后视方向上。7 激光导向系统的应用在隧洞掘进中的优点1)体现了激光导向系统的直观性。通过VMT屏幕能够直观的显示TBM的姿态,有利于操作手进行作业。2)极大地提高了隧洞掘进的准确性。通过激光导向系统能够及时地反映隧洞掘进的各个姿态,检查是否沿理论轴线掘进,及时纠偏。3)体现了激光导向系统的自动化程度。在常规开挖中每爆破一次就必须放样一次线,标定出隧洞掌子面的轮廓线以及中线。而应用激光导向系统能够自动测量,指导VMT沿理论轴线掘进,各种数据可以通过计算机系统进行存储。8 结语在隧洞施工中,采取以下措施可提高激光导向系统的测量精度:1)在掘进始发前进行控制测量时,注意观测参考点的均匀分布、组数和有可能含粗差点的判定和剔除,以便精确解算掘进机初始姿态参数,保证激光导向系统正确初始化。2)向系统正确录入隧道平曲线、竖曲线参数。3)提高地下基本导线的精度,并及时对激光全站仪设站点、定向点坐标进行人工检测,及时校正。4)随隧道掘进、环片拼装进度,及时对激光全站仪进行移站,以减少外界温、湿度等气象条件的影响。一般激光全站仪到掘进机上棱镜最远距离,在直线段不应超过200m,在曲线段不应超过100m。