長距離和曲線頂管的導(dǎo)向

在隧道掘進(jìn)機(jī)的精確導(dǎo)向問題上有幾個因素是類似工程所共有的。這些因素包括：客戶要求的校準(zhǔn)精度；開工前決定挖掘工作面的測量精度；工程開始、建設(shè)中、完工以及蠕動測量；設(shè)備操作員所使用的臨時參照系統(tǒng)；用以設(shè)備操作員能夠精確定位的參數(shù)表示等。

雖然任何的隧道都不可能與設(shè)計(jì)隧道軸線（DTA）完全一致，我們的目標(biāo)是盡可能地位偏移量控制在絕對的最小偏移量之內(nèi)。

盡管在建設(shè)中這些因素都是導(dǎo)向系統(tǒng)之外的事，隧道掘進(jìn)機(jī)的蠕動測量還是由許多因素，包括：進(jìn)行必要的測量所需要的空間；成功完成測量所需要的時間；所需有資格測量人員的來源和經(jīng)費(fèi)；掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)進(jìn)度。

過去，臨時工作參照系的測量有簡單的方法（如用三根線代表直線的方法）和復(fù)雜的方法（如用陀螺和慣性系統(tǒng)的方法）?？墒?，在過去30年里激光一直是最普通最可靠的方法，而且在全球廣泛使用。

激光基準(zhǔn)點(diǎn)最初是安裝在起始工作坑，后來移到隧道上相對穩(wěn)定的壁或襯板上。它的位置由測量人員決定。激光器發(fā)出的可見光束提供主要的參考。光束典型的發(fā)射距離是100-200m，由激光器的功率、隧道條件以及光束所經(jīng)受的折射量決定。

激光束的投射通過機(jī)器中開口（激光窗）以及其他輔助設(shè)備到裝在掘進(jìn)機(jī)前部的目標(biāo)靶上。

從激光器到目標(biāo)靶的有效距離取決于激光窗的大小和隧道的彎曲率。在長距離頂進(jìn)的條件下，相應(yīng)的位置已經(jīng)確定，可是激光并不能到達(dá)目標(biāo)靶上。這時應(yīng)該把激光前移到一個新位置上。

1 VMT在所有VMT導(dǎo)向系統(tǒng)里，激光是從一個由Leica公司制造的VMT激光經(jīng)緯儀上發(fā)射出來的，經(jīng)緯儀負(fù)責(zé)測定光束的方位角和標(biāo)高。當(dāng)激光打中ELS目標(biāo)靶時，精確的光束的中心相對目標(biāo)靶中心就決定了。同樣激光打中ESL靶的水平角也就決定了。安裝在ELS靶上是一個雙軸傾斜傳感器，負(fù)責(zé)監(jiān)視ELS靶的傾斜和起伏狀況。ELS的前端是一個后向反射的棱鏡。從激光參考點(diǎn)位置到ELS靶的距離由傾斜儀中的DEM測量。

利用這些信息就可以測出ELS相對于激光參考點(diǎn)及其重心的相對位置和方位。（在開機(jī)前機(jī)器上的ELS目標(biāo)靶的位置已經(jīng)測量過。因此，挖掘設(shè)備相對于激光參考點(diǎn)的位置和方位也就知道了。這些信息與驅(qū)動部分的校淮精度一起就能簡單地告訴設(shè)備操作員設(shè)備現(xiàn)有的位置和設(shè)備應(yīng)該所處的位置。之后，這些信息將用來操縱設(shè)備使之準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的校準(zhǔn)水平。

頂管時，為設(shè)備操作員所提供的導(dǎo)向信息有著本質(zhì)的不同。因?yàn)樵O(shè)備已經(jīng)行進(jìn)到某個位置時，激光束無法從起始工作坑激活ELS目標(biāo)靶。

這時，激光參照點(diǎn)必須固定在移動管內(nèi)。一旦激光參考點(diǎn)不再一個固定的位置上，這個因素還必須考慮在內(nèi)。

應(yīng)該做下列假設(shè)和記錄附加的信息。對頂管基本假設(shè)是"管子將緊跟著設(shè)備掘進(jìn)所形成的孔".這種假設(shè)不一定總是有效，有時還必須作相應(yīng)的計(jì)算和調(diào)整。

設(shè)備的位置將通過驅(qū)動部分在一定的時間間隔上作了紀(jì)錄。當(dāng)要在某一根移動管子上安裝激光參考點(diǎn)時，從記錄上我們就可以知道管子的中心位置，即掘進(jìn)機(jī)的位置具有相同的鏈距或驅(qū)動距離。然而，管子的方位將可以肯定完全不同于掘進(jìn)機(jī)的方位。

如果激光參考點(diǎn)的位置不是在管子的正中管子一回轉(zhuǎn)將導(dǎo)致激光參考點(diǎn)的位置變化。管子的轉(zhuǎn)動將由傾斜計(jì)測量，由此便可以計(jì)算出激光參考點(diǎn)的更正值。

為了保證激光的方位在一個恒定的標(biāo)高，因此，排除管子偏離計(jì)算值所造成的影響，特激光經(jīng)緯儀安裝在一個自矯正的平臺上，這將克服管子回轉(zhuǎn)和傾斜導(dǎo)致的任何運(yùn)動，保證經(jīng)緯儀維持在補(bǔ)償器設(shè)定的范圍。

激光參考點(diǎn)的方位角將根據(jù)后視目標(biāo)靶來決定。當(dāng)后視目標(biāo)靶安裝在一個固定位置上時，計(jì)算方位角就是一目了然的事了。然而，一旦需要在移動的管子上安裝后視目標(biāo)靶時，就必須依靠在給定鏈測距離內(nèi)掘進(jìn)機(jī)位置的記錄值來確定安裝后視目標(biāo)靶的管子在給定鏈值上的位置。同樣也必須通過傾斜儀來監(jiān)視管子的旋轉(zhuǎn)以便計(jì)算出后視目標(biāo)靶的旋轉(zhuǎn)矯正值。

利用這些值來精確確定激光參考系的位置和方位，同樣就可以給操作員指出掘進(jìn)機(jī)在給定的校準(zhǔn)精度下的相對位置。

實(shí)際上，精度的實(shí)現(xiàn)取決與下列假設(shè)和外界因素，如管子加工的不規(guī)則性，挖掘過度或曲率半徑過小的彎曲矯正并不能足以達(dá)到驅(qū)動器所容許的公差。因此，有必要定時地控制測量，用測量值代替設(shè)備的紀(jì)錄值。這類控制測量的間隙應(yīng)該不大于每一百米一次。

同樣也曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)管子的動態(tài)行為大不一樣，如因?yàn)榈貙訔l件的變化或掘進(jìn)機(jī)工作時液壓系統(tǒng)壓力的變化，它的值與靜態(tài)控制測量時的值由相當(dāng)大的區(qū)別。因此，有必要更新控制測量之間管子行程的紀(jì)錄值。

可移動式激光經(jīng)緯儀的出現(xiàn)使得在控制測量的間隙內(nèi)進(jìn)行更經(jīng)常的自動測量循環(huán)。這種測量循環(huán)不僅能給出激光的更新位置和方位，而且還能給出管子超前于激光一段距離的位置和方位。將這段作為參考管子的位置紀(jì)錄并儲存起來作為參考線的一部分，系統(tǒng)將把它當(dāng)作管線位置的工作紀(jì)錄。

使用者還可以對這段參考線進(jìn)行修正（使之平滑），即把精確測量時產(chǎn)生的非正常因素考慮進(jìn)去，使之成為驅(qū)動導(dǎo)向的實(shí)際參考線。

VMT SLS-RV系統(tǒng)不僅能提供一種在某個時間里測定全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）準(zhǔn)確位置的方法，特別別是在行進(jìn)過程中；而且它還能給操作人員提供一個清晰、準(zhǔn)確，便于對這些結(jié)果進(jìn)行必要更正的方法。整個系統(tǒng)安裝在隧道的前部，在那里折射往往不會導(dǎo)致太大的問題。這樣除了節(jié)省大量的時間之外，使用DTA還能隧道掘進(jìn)平滑一致地進(jìn)行。

與其它復(fù)雜的系統(tǒng)一樣，只要維護(hù)得好它就能很好地運(yùn)行下去。因此，用戶有責(zé)任是系統(tǒng)的各個部件處于良好的工作狀態(tài)。這包括但不只限于下列因素，例如給系統(tǒng)提供一個好的動力系統(tǒng)，保持目標(biāo)靶屏、棱鏡和經(jīng)緯儀的清潔，防止電纜損壞等。

2 說明

TBM掘進(jìn)隧道能給后繼的管子一個相對比較精確的位置和標(biāo)高。這就意味著在某個特定的隧道車站里IBM的測量位置相對于后繼的管子并沒有多大的變化，所有后繼管子的位置和標(biāo)高將由TBM挖掘的隧道決定。

SLS -RV系統(tǒng)安裝在管線的前部，包括下列儀器：一套處于激活狀態(tài)的電子激光系統(tǒng)（ELS），安裝在1BM上作為目標(biāo)靶；用于測量電子波長的棱鏡，直接安裝在 ELS目標(biāo)靶的下方；在ELS后方30-60m（取決于隧道中線的曲率）安裝在支架上的激光站和帶瞄準(zhǔn)器的leicca TCA1100司服總站?？傉具€包括安裝在視線軸心的平行線上的一個集成二極管激光系統(tǒng)。經(jīng)緯儀還安裝有傳感器（ATR1），使之能自動對準(zhǔn)棱鏡。在激光總站的后方大約相等的距離上安裝有一個棱鏡作為后視目標(biāo)靶。

兩個前方棱鏡，也稱作參考目標(biāo)靶，安裝在參照管上約在激光總站前方2m.其目的是使測量掘進(jìn)中隧道的位置能夠更直接超前于激光站的位置，以便決定在同一站點(diǎn)里TBM的理論位置與管子的實(shí)際測量位置的變化。

一個自動的三角苔用來消除激光站的翻轉(zhuǎn)。這使得激光經(jīng)緯儀永遠(yuǎn)保持在一個水平位置。稍有一點(diǎn)因?yàn)榉D(zhuǎn)引起的徑向傾斜都會被安裝在激光站上的傾斜計(jì)監(jiān)測到并引入計(jì)算中。激光束不斷地?fù)粝蛱幱诨钴S狀態(tài)的目標(biāo)靶的表面，這可以連續(xù)監(jiān)測TBM的位置，即使在施工過程中。

在一個預(yù)設(shè)的時間或距離內(nèi)，系統(tǒng)將自動引導(dǎo)指向后視目標(biāo)靶，然后通過兩個參考標(biāo)靶立即決定參照管的位置和TBM的實(shí)際位置。通過這一過程，管線稍有一點(diǎn)平滑將能夠被檢測到并考慮進(jìn)去。

設(shè)備的位置將用圖形和數(shù)字的方法在駕駛員位置上的電腦上顯示出來。其他附加的數(shù)字，如水平和垂直趨勢、鏈數(shù)、管子數(shù)、操作員的名字以及激光經(jīng)緯儀和ELS標(biāo)靶的出錯狀態(tài)也會一并顯示出來。

定期對隧道段進(jìn)行的主要控制測量往往可以指出參考線相對于系統(tǒng)儲存的校準(zhǔn)線的微小偏差。測量值與儲存的值進(jìn)行比較。如果偏移值相對比較大，新測量的值將輸入 PC里作為現(xiàn)有的隧道頂進(jìn)值。新軸線將作為下一次頂進(jìn)的參考線。在老軸線的值被新軸線的值替換之前將做一個備份。如果有必要，原先儲存的頂進(jìn)線還可以在以后重新找出。因此，隧道的校準(zhǔn)可以在任何時候通過TBM手工控制。

3 工作程序在最初階段（階段1），激光站安裝在起始井上的柱子或平臺上，位于主千斤頂油缸之間的隧道軸線上。參考方向由前面的參考柱標(biāo)出，上面安裝有一個棱鏡。參考點(diǎn)應(yīng)該盡可能地遠(yuǎn)離支持整個站的平臺。如果起始井的深度允許，參考點(diǎn)應(yīng)該在井外。頭一個50-80m是由固定激光站測量的。因此激光束是不斷地指向目標(biāo)靶，在頭一個頂進(jìn)過程中緊跟著 TBM.取得的位置參數(shù)將保存在一個文檔里。

在過渡到第二階段時，隧道上將安裝一個支架，上面有經(jīng)緯儀、自動三角臺和傾斜計(jì)，使得在激光站和ELS目標(biāo)靶之間始終有一條可視的直線。

在激光支架的前方（約12m）處安裝兩個前參考標(biāo)靶。在這種情況下，第一階段激光站形成的測量井柱將成為后視目標(biāo)靶。隨著激光站與管子的前進(jìn)，它的位置將從前面儲存的參考點(diǎn)位置得出，這些點(diǎn) 已經(jīng)由鏈數(shù)進(jìn)行了標(biāo)示。

激光站的信息將由起始井上的距離測量系統(tǒng)不斷地進(jìn)行更新。當(dāng)一個測量周期被激發(fā)后，自動地由預(yù)設(shè)的距離或時間間隔激發(fā)或通過按鍵激發(fā)，激光站接到后置參照目標(biāo)靶的信號。經(jīng)緯儀上的自動定位系統(tǒng)會準(zhǔn)確地指向棱鏡，距離便會測出。這些信息將傳向個人計(jì)算機(jī)。

從后視目標(biāo)靶測到的距離將用于計(jì)算激光站的準(zhǔn)確位置。這些值在作完激光站的翻轉(zhuǎn)修正后將用于從前面儲存的參考行程中計(jì)算出當(dāng)前激光站的位置。上一次測量的目標(biāo)靶的參考點(diǎn)的位置在計(jì)算機(jī)里還將繼續(xù)有效。激光經(jīng)緯儀將按先前測出的方位自動轉(zhuǎn)向目標(biāo)靶上的點(diǎn)并激活目標(biāo)靶。目前的ELS目標(biāo)靶的測量數(shù)據(jù)將用于計(jì)算 TBM的位置并與上述的測量計(jì)算結(jié)果一起儲存起來。ELS目標(biāo)靶平面上的軸線點(diǎn)的三維坐標(biāo)現(xiàn)在將儲存起來作為TBM目前的頂進(jìn)線路。因?yàn)橛辛斯潭ǖ暮笠暷繕?biāo)靶，在第二階段里可以單獨(dú)地確定頂進(jìn)站之間激光站的鏈數(shù)，因此能根據(jù)軸向測量更精確地協(xié)調(diào)各參考點(diǎn)。

隨著激光與后視目標(biāo)靶距離的增加，最終將無法進(jìn)行任何測量，因?yàn)橛姓凵涞挠绊?、空氣的阻尼或路徑的彎曲度。發(fā)生這種情況時第二階段就已經(jīng)完成了。

要繼續(xù)引導(dǎo)TBM現(xiàn)在需要進(jìn)入第三階段。這時后視目標(biāo)靶必須安裝在管子的支架上，而且盡可能地遠(yuǎn)離激光站，并考慮剩余工隧道的校正因素。支架上也必須安裝傾斜計(jì)，以便計(jì)算時考慮管的翻轉(zhuǎn)。

同前一樣，總站的鏈數(shù)還是由距離測量系統(tǒng)（LMS）上的脈沖來測定。由于后視目標(biāo)靶是隨著安裝的管線一起前移，在每一個測量循環(huán)里都必須重新確定它的鏈數(shù)。這可以從激光站的鏈數(shù)減去后視目標(biāo)靶的測量距離得出。同樣還需通過相應(yīng)的信號考慮頂進(jìn)站之間的伸縮長度。還需進(jìn)行一次主控測量以便確定系統(tǒng)三個主要點(diǎn)的地球坐標(biāo)：目標(biāo)靶、激光靶和后視目標(biāo)靶，也需根據(jù)測得的數(shù)據(jù)作三維變換更新系統(tǒng)點(diǎn)而調(diào)整儲存的參考線。頂進(jìn)工作將繼續(xù)根據(jù)校正的參考線進(jìn)行。

有關(guān)掘進(jìn)機(jī)的驅(qū)動部分，至關(guān)重要的是檢查隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）的位置，參考隧道設(shè)計(jì)軸線盡早采取偏移校正措施，以防止TBM超出公差范圍。頂進(jìn)時，重要的是避免方向的突然變化，以防止管子接頭上的間隙和保證阻力最小。雖然沒有隧道完全與DTA一致，但總的目標(biāo)是盡可能地把偏移量限制在絕對最小值內(nèi)。

頂管導(dǎo)向的主要問題是，整個工程是處于一個不斷運(yùn)動的狀態(tài)，不可能把已經(jīng)定為后繼工作的管線標(biāo)志為參考點(diǎn)。

每一次決定了TBM的位置后都必須進(jìn)行一次從零點(diǎn)（即起始井）的傳統(tǒng)測量。隨著管子的頂進(jìn)，這種測量的時間將越來越不能接受。傳統(tǒng)測量方法的另一個缺點(diǎn)是測量只能在頂進(jìn)之間進(jìn)行，而頂進(jìn)本身是盲目的。TBM的偏離公差只能在一個延期時間里才能知道。補(bǔ)救的措施不能立即進(jìn)行，而只能在位置決定了之后進(jìn)行。

即使是直線頂進(jìn)，那往往是依靠起點(diǎn)井上的激光束，隨著距離的增加也會有問題。當(dāng)從起點(diǎn)井向管線過度時，激光束會因?yàn)檎凵涠环瓷鋸亩鴮?dǎo)致嚴(yán)重的精度問題。

SLS -RV系統(tǒng)提供了在任何位置時測量TBM位置的方法，尤其是在頂進(jìn)過程中。它會向操作員顯示出DTA的偏移，從而采取必要的更正措施。整個系統(tǒng)安裝在隧道的前部，在那里折射不會導(dǎo)致嚴(yán)重的問題。除了能節(jié)省大量的時間之外，它還能提供一個整齊、平滑的嚴(yán)格按照TDA的隧道施工，但會有少量的由摩擦引起的問題。