盾构姿态自动监测系统开发和应用.docx

盾构姿态自动监测系统开发和应用摘要】：本文介绍了基于LeicaTCA机器人系列所开发的盾构机三维姿态跟踪自动监测系统的开发思路、具备的功能特点。隧道工程应用以及对结果数据所做分析表明系统性能——速度、精度、动态适应性和运行稳定性等方面已达到实用要求。【关键词】：隧道工程盾构姿态自动测量系统开发1引言盾构机姿态实时正确测定是隧道顺利推进和确保工程质量的前提其重要性不言而喻。在盾构机自动化程度越来越高的今天甚至日掘进量超过二十米可想而知测量工作的压力是相当大的。这不仅要求精度高不出错；还必须速度快对工作面交叉影响尽可能小。因此为了能够在隧道施工过程中及时准确给出方向偏差并予以指导纠偏国内外均有研制的精密自动导向系统用于隧道工程中对工程起到了很好的保证作用。1.1国内使用简况国内隧道施工中测量盾构机姿态所采用的自动监测系统有：德国VMT公司的SLS—T方向引导系统；英国的ZED系统；日本TOKIMEC的TMG—32B（陀螺仪）方向检测装置等等。所采用的设备都是由国外进口来的。据了解目前有些地铁工程中（如广州、南京）在用SLS—T系统应用效果尚好。总的来看工程中使用自动系统的较少。究其原因：一是设备费或租赁费较昂贵；二是对使用者要求高普通技术人员不易掌握；三是有些系统的操作和维护较人工方法复杂在精度可靠性上要辅助其它方法来保证。1.2国外系统简况国外现有系统其依据的测量原理是把盾构机各个姿态量（包括：坐标量—X.Y.Z方位偏角、坡度差、轴向转角）分别进行测定准确性和时效性受系统构架原理和测量方法限制其系统或者很复杂而降低了系统的运行稳定性加大了投入的成本或者精度偏低或者功能不足需配合其他手段才能完成。国外生产的盾构设备一般备有可选各自成套的测量与控制系统作业方式主要以单点测距定位、辅以激光方向指向接收靶来检测横向与垂向偏移量的形式为主。另外要有纵、横两个精密测倾仪辅助[7]。有些（日本）盾构机厂商提供的测控装置中包括陀螺定向仪采用角度与距离积分的计算方法[1][2]对较长距离和较长时间推进后的盾构机方位进行校核但精度偏低对推进只起到有限的参考作用。2系统开发思路与功能特点2.1开发思路基于对已有同类系统优缺点的分析为达到更好的实用效果我们就此从新进行整体设计理论原理和方法同过去有所不同主要体现在：其一系统运行不采用直接激光指向接收靶的引导方式而是根据测点精确坐标值来对盾构机刚体进行独立解算计算盾构姿态元素的精确值摈弃以往积分推算方法防止误差积累；其二选用具有自主开发功能的高精度全自动化的测量机器人测量过程达到完全自动化和计算机智能控制；其三在理论上将平面加高程的传统概念按空间向量归算在理论上以三维向量表达简化测量设置方式和计算过程。目前全站仪具备了过去所没有的自动搜索、自动瞄准、自动测量等多种高级功能还具有再开发的能力这为我们得以找到另外的测量盾构机姿态的方法提供了思路上和技术上的新途径。系统开发着眼于克服传统测控方式的缺点提高观测可靠性和测量的及时性减少时间占用最大限度降低人工测量劳动强度避免大的偏差出现有利于盾构施工进度提高施工质量在总体上提高盾构法隧道施工水平。系统设计上改进其他方式的缺点在盾构推进过程中无需人工干预实现全自动盾构姿态测量。2.2原理与功能特点盾构机能够按照设计线路正确推进其前提是及时测量、得到其准确的空间位置和姿态方向并以此为依据来控制盾构机的推进及时进行纠正。系统功能特点与以往方式不同主要表现在：(1)独特的同步跟进方式：本系统采用同步跟进测量方式较好克服了随着掘进面推进测点越来越远造成的观测困难和不便。(2)免除辅助传感器设备六要素一次给出（六自由度）。(3)三维向量导线计算：系统充分利用测量机器人(LeicaTCA全站仪)的已有功能直接测量点的三维坐标（XYZ）采用新算方法——“空间向量”进行严密的姿态要素求解。(4)运行稳定精度高：能充分满足隧道工程施工对精度控制的要求以及对运行稳定性的要求。(5)适用性强：能耐高低温适于条件较差的施工环境中的正常运行（温度变化大湿度高有震动的施工环境）。图1系统主信息界面示意系统连续跟踪测定当前盾构机的三维空间位置、姿态和设计轴线进行比较获得偏差信息。在计算机屏幕上显示的主要信息如图一所示。包括：盾构机两端（切口中心和盾尾中心）的水平偏差和垂直偏差及盾构机刚体三个姿态转角：1)盾购机水平方向偏转角（方位角偏差）、2)盾构机轴向旋转角、3)盾构机纵向坡度差（倾斜角差）以及测量时间和盾构机切口的当前里程并显示盾构