剖析激光导向系统的工作原理

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摘要:以德国VMT公司的单圆盾构机为例，介绍盾构机和激光导向系统的组成，探讨激光导向系统的工作原理。重点揭示激光导向系统的测绘学原理。总结提高激光导向系统测量精度应采取的措施。

关键词:隧道施工；盾构机；地铁；控制测量；导向系统；姿态解算；修正曲线

Abstract：Basedonthesampleofsingle-circleTBMmadeinGermanyVMTCo.,thecomponentsofTBMandtheLaserNavigationSystemaredescribed,andtheprinciplesoftheAutomaticLaserNavigationSystem,especiallyintermsofSurveyingScience,arediscussed.Finally,themeasurestoimprovethesurveyingprecisionoftheNavigationSystemaresummarized.

Keywords:tunnelconstruction;TBM;Metro;controlsurvey;navigationsystem;positioning;correctioncurve

0引言：

20世纪70年代以来，盾构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，激光导向系统在盾构机中逐渐得到成功运用、发展和完善。激光导向系统，使得盾构法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、市政、油气等专业领域。

全面理解激光导向系统的原理，有助于工程技术人员在地铁的盾构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；有助于国产盾构机研制工作的开展。

1盾构机和激光导向系统的组成

1.1盾构机的组成

盾构机按推力方式可分为网格式、压气式、插板式以及土压式和水压式；按形状划分，除典型的矩形、单圆筒形外，近年来又出现了双圆、三圆及多圆等异构形。它们的组成有一定差异。其中，土压式单圆盾构机在我国应用比较普遍。它主要由盾体（含刀盘等）、管片拼装机、排土机构、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盾构隧道施工的有机体系。其组成(见图1：激光全站仪（激光发射源和角度、距离及坐标量测设备）和黄盒子（信号传输和供电装置）；激光接收靶（ELSTarget，内置光栅和两把竖向测角仪）、棱镜（ELSPrism）和定向点（ReferenceTarget）；盾构机主控室（TBMControlCabin）：由程控计算机（预装隧道掘进软件，具有显示和操作面板）、控制盒、网络传输Modem和可编程逻辑控制器（PLC）四部分组成；油缸杆伸长量测量（ExtensionMeasurement）装置等。其中，隧道掘进软件是盾构机激光导向系统的核心。

2激光导向系统和盾构机控制测量在盾构施工中的地位和作用

地铁盾构法施工过程如图3所示。在隧道掘进模式下，激光导向系统是实时动态监测和调整盾构机的掘进状态，保持盾构机沿设计隧道轴线前进的工具之一。在整个盾构施工过程中，激光导向系统起着极其重要的作用：

(1)在显示面板上动态显示盾构机轴线相对于隧道设计轴线的准确位置，报告掘进状态（见图2）；并在一定模式下，自动调整或指导操作者人工调整盾构机掘进的姿态，使盾构机沿接近隧道设计轴线掘进。

(2)获取各环掘进姿态及最前端已装环片状态，指导环片安装。

(3)通过标准的隧道设计几何元素自动计算隧道的理论轴线坐标。

(4)和地面电脑相连，对盾构机的掘进姿态进行远程实时监控。

从盾构施工基本过程（图3）可以看出，激光导向系统不能够独立完成导向任务，在盾构机始发、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，对盾构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（如激光标靶上棱镜的坐标，内部的光栅初始位置及两竖角测量仪初值等）进行配置。

盾构机姿态是指盾构机前端刀盘中心（以下简称“刀头”）三维坐标和盾构机筒体中心轴线在三个相互垂直平面内的转角等参数。盾构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盾构机姿态的过程，被称作“盾构机控制测量”。盾构机控制测量的另一个作用是：在盾构机掘进过程的间隙，对激光导向系统采集的盾构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盾构机激光导向系统原理：

3.1盾构机激光导向系统涉及的坐标系

为了阐明激光导向系统的原理，首先介绍一些与盾构机及隧道有关的坐标系（见图4）：

(1)地面直角坐标系（O-XYZ）：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，均用该系坐标表示。

(2)盾构机坐标系（F-xyz）：在盾构机水平放置且未发生旋转的情况下，以盾构机刀头中心前端切点为原点，以盾构机中心纵轴为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、z轴构成左手系。盾构机坐标系是连同盾构机一起运动的独立直角坐标系。盾构机尾部中心参考点、盾构机棱镜等相对盾构机的位置都以此系坐标表示，这些坐标由盾构机制造商测定并给出。

(3)棱镜中心坐标系（P-x’y’z’）：原点为安装在盾构机尾部的棱镜的中心，与盾构机坐标系平行。

除此之外，为了解算还引入了其他一些空间辅助坐标系，从略。

3.2描述盾构机姿态的要素

描述盾构机姿态的参数有：刀头坐标（xF''''，yF，zF）：水平角A；倾角α；旋转角κ。如图4所示。

由盾构机姿态及设计隧道中线，可推算如下数据：刀头里程：刀头、盾尾三维偏差；平面偏角（Yaw）：盾构机中心轴线和设计隧道中线在水平投影面的夹角；倾角（Pitch）：盾构机中心轴线和设计隧道中线在纵向（线路前进方向）竖直投影面的夹角；旋角（Roll）：盾构机绕自身中心轴线相对于水平位置旋转的角度。

3.3激光导向系统原理和工作过程

激光导向系统的英文本义是“盾构指导系统”，在盾构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。本文仅研究激光导向系统指导掘进的原理。

在掘进过程中，激光导向系统按如下流程工作：由系统控制激光全站仪实时测定盾构机棱镜的三维地面坐标；同时发射激光自动照准激光标靶，并自动记录激光水平方位角；标靶内部光栅捕获激光的入射角，间接得到盾构机纵轴水平方位角；利用安装在标靶中相互垂直两立面内的两把测角仪测得盾构机倾角和旋转角。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盾构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，指导盾构机掘进。

该导向过程包括如下6个步骤。

3.3.1棱镜P点坐标和旋转参数的获取：

P点坐标(XP,YP,ZP)：由系统控制架设在隧洞顶部吊篮上的激光全站仪自动测量。盾构机水平方位角：设自激光全站仪发射到激光标靶的激光束的水平方位角为A0，光栅根据折射率捕获的激光入射角为θ。则系统获取盾构机方位角为A=A0-θ(见图5)。竖向倾角α和旋角κ：依靠ELS中的两只相互垂直的测角仪测得。本文规定A顺时针旋为正，α、κ逆时针旋为正。

3.3.2刀头、盾尾中心的地面坐标系三维坐标解算：

1）将盾构机坐标转化为棱镜中心坐标：

设刀头中心F、盾尾中心B及棱镜中心在盾构机坐标系中的坐标分别为（0,0,0）（xB,yB，zB）和（xP,yP,zP）则三点在棱镜坐标系中的坐标为（-xP,-yP,-zP）、（xB-xP,yB-yP,zB-zP）和（0,0,0）。

2）刀头、盾尾中心地面坐标解算：

刀头中心在地面坐标系中的三维坐标为

3.3.3刀头、盾尾里程及盾构机与隧道中线相对偏差的解算：

根据解出的刀头、盾尾地面坐标和隧道中心轴线设计参数，计算刀头、盾尾里程（难点是刀头和盾尾位于隧道中线缓和曲线段的情形，解法可参考文献[5]、[6]），以及刀头、盾尾里程处设计隧道轴线平面坐标和高程。进而根据盾构机刀头、盾尾中心坐标、高程和对应的隧道中线理论坐标、高程，容易计算得到刀头、盾尾横向偏移和竖向偏移（方法略）。

前面已经提到，激光导向系统的显示面板在掘进模式下动态显示盾构机姿态及偏差。内容包括：以图形和数字方式显示刀头、盾尾横向偏差和竖向偏差，以数字方式显示刀头里程、水平偏角、纵向倾角和旋转角等参数（见图2）。

3.3.4拟合修正曲线：

以盾构机横向、竖向偏移量和设计隧道中线为参数，拟合修正曲线（拟合方式和算法有待进一步研究）。可人工输入修正曲线的曲率半径等参数，以控制盾构机回到设计轴线的速度。

3.3.5推进：

根据修正曲线由可编程逻辑控制器（PLC）控制机械设备，调整各油缸杆的伸长量。。

3.3.6重复1至5步。

从以上分析可以发现，自动导向系统的测绘学原理实质是：已知两坐标系之间的3个平移参数和3个转角参数，求解一个坐标系内的参考点在另一个坐标系中的坐标。进一步比较该系内盾构机参考点和对应理论隧道轴线坐标偏差，拟合修正曲线。

4盾构机控制测量

盾构机控制测量的原理是：通过人工测量盾构机体上具有精确盾构机坐标的若干个(盾构机始发前，机体全身多于16个；在隧道掘进中，仅尾部16个可见)参考点的地面坐标系坐标，以著名的“Bursa-wolf模型”为基础，建立盾构机姿态解算改进模型，按最小二乘原理平差解算两坐标系的转换参数，即得盾构机姿态参数。

建模方法和解算步骤限于篇幅，不再讨论。

5影响激光导向系统和盾构机控制测量精度的因素

从以上分析可知，激光导向系统和盾构机控制测量中，盾构机姿态解算的方法有本质区别：激光导向系统，通过直接采集一个参考点（P）地面坐标和三个转角参数，正解刀头、盾尾地面坐标；盾构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、盾尾地面坐标和三个转角参数。正解不含平差，反解运用了最小二乘原理平差。因此，从理论上讲，后者在盾构机姿态解算方面比前者更能有效地减少或消除偶然误差。这也是采用盾构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,还是盾构机控制测量,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，三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，盾尾参考点的盾构机坐标，由于在出厂前精确测定，误差亦可忽略。因此，激光导向和盾构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。另外，由于隧道内空气温、湿度条件对视线和激光都会产生折光影响，使得激光导向系统和盾构机控制测量测角均产生误差。

6结论

在盾构施工中，采取以下措施，可提高激光导向系统的测量精度：

(1)在掘进始发前进行盾构机控制测量时,注意观测参考点的均匀分布、足数和有可能含粗差点的判定和剔除,以便精确解算盾构机初始姿态参数,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)提高地下支导线的精度，并及时对激光全站仪设站点、定向点坐标进行人工检测。

(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。一般激光全站仪到盾构机上棱镜最远距离，在直线段不应超过200m,在曲线段不应超过100m。

(5)隧道掘进过程的间隙，及时进行盾构机控制测量，以检核、修正激光导向系统的有关参数。

参考文献

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