盾構機在隧道掘進過程中，需要及時控製機位和方向。國外盾構機已普遍采用掘進自動導向係統，該係統可及時提供糾偏的決(jue) 策依據，從(cong) 而提高控製隧道軸線的精度。目前，國內(nei) 進口的盾構設備主要配置兩(liang) 種類型的盾構掘進自動導向係統，即德國的VMT和日本的Robtec。在工程實際應用中，因涉及知識產(chan) 權保護，若需修改導向係統初始化參數、改變隧道設計的線型、排除故障等，都要請供貨方提供服務，這就極不方便。因此，開發具有自主知識產(chan) 權的盾構掘進自動導向係統，是國內(nei) 米兰国际在线娱乐管理和國產(chan) 化盾構急需解決(jue) 的問題。
1 國外盾構掘進自動導向係統的現狀
20世紀90年代末，日本MAC公司研製了以陀螺慣量原理為(wei) 主的盾構掘進導向係統，英國ZED公司研製了ZED盾構導向係統。由於(yu) 陀螺儀(yi) 不適應於(yu) 盾構慢速運動狀態;ZED產(chan) 品換站過程中需用人工計算，也不適應現場需求。所以，兩(liang) 個(ge) 係統相繼被市場淘汰。之後，德國VMT公司研製了以激光電子檢測技術為(wei) 主的VMT盾構掘進導向係統;日本演算工房研製了以光學棱鏡測量技術為(wei) 主的Robtec盾構掘進自動導向係統。前者是將激光束照射在置於(yu) 盾構內(nei) 專(zhuan) 用的電子目標靶上，測出激光光束和標靶的位置關(guan) 係，再推算出盾構機姿態;後者是通過測量設置在盾構機中固定位置上的若幹個(ge) 棱鏡的絕對坐標，根據棱鏡與(yu) 盾構機切口和盾尾的相對位置關(guan) 係，推算出盾構機的位置和姿態。兩(liang) 者的共同特點是:充分運用現代計算機、信息、測量技術，結合盾構施工技術，使所研製的係統測量精度符合盾構姿態連續檢測的要求。兩(liang) 者的差異是:VMT係統的激光始終落在定製的目標靶上，目標測量和數據處理的周期為(wei) 1s左右;Robtec係統循環檢測盾構內(nei) 不同位置的標準棱鏡，巡回檢測周期為(wei) 40s以上。
2 具有自主知識產(chan) 權的盾構掘進自動導向係統
2.1 設計依據
采用光學棱鏡測量技術為(wei) 主的技術方案。在盾構內(nei) 部正上方布置3個(ge) 光學棱鏡，全站儀(yi) 檢測盾構內(nei) 3個(ge) 棱鏡的位置，由計算機根據空間測量計算得出盾構的運動姿態，包括盾構掘進施工需要掌握的切口平麵、切口高程、盾尾平麵、盾尾高程等偏差，以及盾構傾(qing) 斜角和盾構轉角數據。如果盾構內(nei) 某棱鏡受到施工環境幹擾，隻要測出2個(ge) 目標棱鏡，結合安裝在盾構內(nei) 的電子傾(qing) 斜儀(yi) 數據也可以計算出盾構姿態(見圖1)。後視棱鏡作為(wei) 地麵絕對坐標引入的參考基準，以動態校驗全站儀(yi) 的空間位置。
圖1 盾構姿態光學棱鏡自動測量技術方案示意圖
盾構掘進過程中，需要及時掌握盾構的姿態變化數據，以提供糾偏依據。根據目前盾構掘進的速度和盾構姿態數據尚未參與(yu) 盾構掘進自動控製的現狀。一般認為(wei) 1min的采樣周期就能滿足工程應用要求。
2.2 自動導向係統的組成
1)係統由全站儀(yi) 、目標棱鏡、傾(qing) 斜儀(yi) 、計算機組成(見圖2)。
圖2 係統硬件組成
(1)該係統選用徠卡公司生產(chan) 的TPS1200全站儀(yi) ，利用ATR功能，可自動搜索棱鏡，並使望遠鏡十字絲(si) 精確照準目標。該全站儀(yi) 可實現與(yu) 其他設備的通信。
(2)采用徠卡小棱鏡或360°小棱鏡，目標棱鏡固定在盾構機內(nei) ，為(wei) 係統自動跟蹤測量提供目標。
(3)采用NS-15/P2SAMS-A型高精度雙軸傳(chuan) 感器，檢測盾構機的坡度與(yu) 滾角。該傳(chuan) 感器精度為(wei) 0.01°，為(wei) 數字量輸出的傾(qing) 角傳(chuan) 感器，量程範圍為(wei) ±15°，輸出的是RS232信號。
(4)選用無線收發轉換器(SAMS-C和SAMS-B)，建立盾構內(nei) 計算機和置於(yu) 隧道內(nei) 測量平台上的全站儀(yi) 的通信鏈路。
(5)計算機實現測控運算和係統集成功能。
2)盾構姿態實時測量應用軟件采用MicrosoftVisualC++6.0開發。
(1)測量計算功能由棱鏡安裝參數計算、棱鏡坐標自動測量、自動選擇觀測模式等模塊組成，其功能是控製全站儀(yi) 連續測量目標棱鏡。根據測量結果計算盾構的切口中心坐標、盾尾中心坐標，並將其和DTA比較，得出切口的水平偏差、垂直偏差和盾尾的水平偏差、垂直偏差。
(2)控製維護功能由係統自檢模塊、傾(qing) 斜儀(yi) 修正功能、自動換站模塊、界麵交互查詢模塊組成。其功能是實現DTA列表瀏覽、目標棱鏡複測維護、輔助移站、參數設置、用戶接口界麵、模塊調用和控製等。
2.3 基本工作原理
全站儀(yi) 測量安裝在盾構機中多個(ge) 棱鏡的空間位置，由觀測棱鏡的個(ge) 數，自動選擇工作模式。根據棱鏡與(yu) 盾構機中軸線的相對位置關(guan) 係、結合從(cong) 傾(qing) 斜儀(yi) 檢測的盾構機傾(qing) 斜角和旋轉角，計算出盾構切口和盾尾的絕對坐標。將計算結果與(yu) 預先輸入的隧道設計軸線DTA進行比較，得出盾構切口和盾尾相對設計軸線的平麵偏差和高程偏差(見圖3)。
圖3 盾構切口和盾尾相對設計軸線的平麵偏差和高程偏差圖
2.4 自動導向係統的關(guan) 鍵技術
2.4.1 盾構姿態自動測量核心算法
係統工作時，測出2個(ge) 棱鏡的絕對坐標(X1，Y1，Z1)和(X2，Y2，Z2)，同時由傾(qing) 角傳(chuan) 感器測得盾構機的坡度β和側(ce) 滾角度φ。式(1)和式(2)定量表達了盾構姿態自動測量的變量關(guan) 係。其中式(1)中的α0為(wei) 兩(liang) 棱鏡在局部坐標係中的方位角，式(2)中的γ為(wei) 盾構機的偏航角。
（1）(X,Y,Z)=(X1,Y1,Z1)-(X’,Y’,Z’)z×(2)式(1)中:α0——兩(liang) 棱鏡在局部坐標係中的方位角。式(1)、(2)中:γ———盾構機的偏航角。
利用式(1)、式(2)計算出盾構機切口、盾尾中心的三維坐標(X、Y、Z)，式中X'、Y'、Z'為(wei) 棱鏡在局部坐標係中的相對坐標，最後將盾構機切口、盾尾中心的三維坐標和預先輸入係統的隧道設計軸線DTA比較，就可以得到盾構機切口中心、盾尾中心與(yu) DTA的偏差值以及盾構機的掘進趨勢。
2.4.2 優(you) 化全站儀(yi) 通信接口控製技術
在傳(chuan) 統的全站儀(yi) 和計算機通信過程中，一般采用把計算機作為(wei) 客戶端、全站儀(yi) 作為(wei) 服務器端的通信方式，即計算機向全站儀(yi) 發出操作指令，然後等待全站儀(yi) 的執行結果。但全站儀(yi) 由於(yu) 搜索目標、照準目標、測量等工作耗時較長，使計算機大量處於(yu) 等待狀態，容易引起計算機“死機”。為(wei) 此，采用了如下優(you) 化方案:
1)係統把全站儀(yi) 操控部分分為(wei) 應用層、控製層和通信層3個(ge) 層次(見圖4)。
圖4 全站儀(yi) 控製結構圖
1)應用層提供應用接口，負責和係統程序進程的通信、數據交互以及全站儀(yi) 操作流程的建立等工作;控製層負責全站儀(yi) 操作流程控製和通信協議解析;通信層負責係統通信端口等硬件控製工作，各層之間采用消息機製進行通信。
(2)當係統需要全站儀(yi) 工作時，向全站儀(yi) 控製模塊發出指令，應用層根據指令建立全站儀(yi) 操作命令序列，並將命令序列發送到控製層;控製層將接收到的指令序列存儲(chu) 於(yu) 1個(ge) FIFO隊列結構中，然後啟動通信過程，按FIFO隊列中的命令，通過通信層向全站儀(yi) 發送控製命令。
(3)當全站儀(yi) 執行完指令後，向通信層發送命令的執行結果。通信層接收到數據後，向控製層發送消息，請求處理數據。此時控製層可以根據自身的狀況，決(jue) 定是否響應通信層的請求。控製層響應後，先進行數據格式檢查，根據結果判斷全站儀(yi) 工作是否正常，並決(jue) 定是否繼續將FIFO隊列中的指令繼續發向通信層。當控製層認為(wei) 已經完成全部控製流程時，向應用層發送消息。應用層響應該消息後，判定結果是否正確，如果正確，通過應用層向係統傳(chuan) 輸結果數據，係統可以根據結果進行有關(guan) 運算。
(4)結合係統的傳(chuan) 感器讀數校核技術，可以保證係統傳(chuan) 感器的精度始終處於(yu) 良好狀態。上層發送指令後不再等待下層的運行結果，直到下層指令執行完成後，再向上層發出請求處理信號，由上層決(jue) 定是否響應下層請求。這樣下層應用就成為(wei) 上層應用的客戶端;上層程序是下層的控製源或服務器端，避免了應用程序長時間等待全站儀(yi) 工作結果的狀況，從(cong) 而大大提高了係統的可靠性，也提高了計算機的運行效率。
2.4.3 光學測量和電子檢測相結合
3個(ge) 棱鏡可以確定1個(ge) 盾構機的相對空間坐標係，而且棱鏡在空間上分布的距離越遠，則係統精度越高。但是由於(yu) 受到盾構法米兰国际在线娱乐現場環境條件的影響，通視條件經常受幹擾，特別是在小直徑、小曲線半徑米兰国际在线娱乐中，通視區域受限製，單純使用3棱鏡會(hui) 造成頻繁換站，增加現場測量人員工作量。另外，由於(yu) 觀測3個(ge) 棱鏡是依次進行的，而在掘進過程中盾構機始終處於(yu) 運動狀態。所以，觀測間隔越長，需要觀測的棱鏡越多，係統的動態精度也就越低。
該係統不但加裝檢測盾構旋轉和傾(qing) 斜的傳(chuan) 感器，而且增加了自動觀測模式判別功能。通過自動目標識別全站儀(yi) 檢測可觀測目標的情況，判別采用的觀察模式，並在盾構靜止時利用3個(ge) 棱鏡確定的相對空間坐標係計算盾構姿態數據，校核傾(qing) 斜傳(chuan) 感器。盾構掘進時利用傾(qing) 斜傳(chuan) 感器的參數，自動從(cong) 3個(ge) 棱鏡中選用2個(ge) 參與(yu) 測量計算。此方法的優(you) 點是:通過觀測模式的自動判別功能和傾(qing) 斜儀(yi) 修正功能，解決(jue) 了傳(chuan) 感器的非線性問題，提高了測量精度，提高了係統穩定性;利用兩(liang) 棱鏡加傾(qing) 斜儀(yi) 的模式，降低現場測量通視要求(相對三棱鏡而言)，縮短全站儀(yi) 換站周期，擴大在小直徑和小曲線半徑米兰国际在线娱乐中的應用範圍，同時也提高了在盾構運動狀況下的係統精度。
2.4.4 解決(jue) 現場無線通信幹擾技術問題
盾構掘進機內(nei) 裝有變頻器、高壓櫃、電動機等電氣設備，係統運行的電磁環境複雜，全站儀(yi) 和計算機之間的無線通信容易受到各種幹擾。對於(yu) 固定頻率的幹擾信號采用適當增加通信信號強度、調整通信頻率、鎖定通信地址等手段予以解決(jue) ，效果良好，但是仍有少量隨機幹擾影響係統運行的穩定性。根據隨機幹擾的不確定性和係統實時性要求不高的特點，係統采用固定數據通信格式，在每次通信完成後檢測格式是否正確，及時發現由於(yu) 受幹擾而發生格式改變的通信數據。對於(yu) 格式正確的通信數據，根據測量對象的位置關(guan) 係再進行校核，以求發現極少部分格式正確而數據受幹擾被改變的通信數據。在發現數據受到幹擾的基礎上，根據幹擾是隨機的、持續時間短等特點，采用重發數據的方法，保證通信的正確性。
2.4.5 提高傾(qing) 角儀(yi) 安裝調試靈敏度的裝置
為(wei) 保證傾(qing) 角儀(yi) 安裝精度，設計了專(zhuan) 用的傾(qing) 角傳(chuan) 感器安裝裝置(見圖5)。在該裝置中傳(chuan) 感器固定底板上標注有平行於(yu) 傳(chuan) 感器中軸線的刻度線;鎖定螺栓保證傳(chuan) 感器安裝完成後在盾構掘進過程中相對位置不發生變動。
圖5 傾(qing) 角傳(chuan) 感器安裝裝置示意圖
2.5 自動導向係統的主要功能和技術指標
1)本係統實現了盾構掘進姿態的連續自動測量，具有傾(qing) 斜儀(yi) 修正功能、輔助換台功能、數據查詢、報表生成打印功能、後視檢查及安裝棱鏡檢查功能、測量數據管理等其他輔助功能。
2)係統實現了盾構掘進過程中的全自動測量，適用於(yu) 各種類型及各種線型的盾構姿態自動測量。係統主要技術指標見表1。
表1 係統主要技術指標
3 工程應用效果
具有自主知識產(chan) 權的盾構掘進自動導向係統已經在上海軌道交通9、11、13號線、上海打浦路隧道複線工程、上海軍(jun) 工路隧道工程、北京地鐵亦莊線、杭州地鐵1號線、鄭州地鐵1號線、杭州錢江通道等多個(ge) 工程中得到應用，盾構直徑從(cong) 4.72m到15.43m，用戶包括上海隧道股份、北京城建、上海建工、中國交通等多個(ge) 施工單位，應用效果優(you) 良。表2是某工程采用進口導向係統與(yu) 人工測量的數據;表3是該導向係統與(yu) 人工測量的數據。
表2 某工程進口自動測量係統和人工測量誤差比較
表3 某工程自行研發的自動測量係統和人工測量誤差比較
以上推廣應用的工程實踐表明，該係統具有高可靠性和穩定性，達到國際同類產(chan) 品的技術性能。研製的盾構掘進自動導向係統榮獲“2010年上海市重點新產(chan) 品獎”。