盾构测量.docx

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1、第二十一章 隧道掘进激光导向及掘进管理系统第一节 激光导向系统随着科学技术的发展，激光导向技术已开始用于隧道掘进工程中。其原理就是利用有良好直线性光束的激光，投射到盾构里，使操纵者及时地了解盾构的偏离、偏转情况，并随时纠正顶进方向，保证施工质量，提高施工速度。目前采用的导向系统主要有VMT、PPS、日本演算工坊三种。一、激光导向系统的主要作用盾构在掘进中，由于地层阻力、刀盘切削反作用力及推进千斤顶作用力等的不均，使盾构偏离既定的中心，这在施工中是不允许的。盾构施工的激光导向系统的作用是随时指出盾构的顶进方向，使司机能控制机器按预定的设计线路顶进。(1) 可以通过隧道设计的几何元素计算出隧道的理

2、论轴线。(2) 通过测倾仪测量盾构机的滚动与俯仰角度并予以显示。(3) 在显示屏上随时以图形直观显示盾构机轴线相对于隧道设计轴线的准确位置，便于操作者根据偏差随时调整盾构机掘进的姿态与位置，使盾构机的掘进轴线逼近隧道设计轴线。(4) 掘进一环后，从盾构机PLC自动控制系统获得推进油缸的伸长量数值，依此计算出上一环管片的管环平面位置，输入盾尾间隙数据后，计算出这一环适合拼装的管片类型。(5) 从数据库中可以查阅各环的掘进姿态及其他相关资料。(6) 通过调制解调器与 线与地面办公室的电脑建立联系，将盾构机掘进数据传输到地面，便于工程管理人员实时监控盾构机的掘进情况。二、激光导向的工作原理将激光发生

3、器固定在已成洞的洞壁上。利用激光导向技术发射出来的直线光束，投射到盾构里的靶板上，再用某种支持系统，以一种简单易见的形式指出盾构顶进的方向。激光测量线是一束容易看见的明亮的红光束，投射到盾构内的塑料靶板上是一个红光点。司机根据激光投射的光点与靶上预先设计好的隧道中心线位置是否相符来调整盾构上、下、左、右的位置。设备以固定参考点激光器发出的光束为基准计算掘进机的位置。知道掘进机的位置后就可以计算出与设计洞线的偏差。为了测量掘进机的位置，需要使用两个包含传感器的装置，即目标靶与倾斜计。这两个装置通过电缆及配电箱与控制单元相连，配 图21-1-1 激光导向装置电箱为传感器提供电源。目标靶测量激光束击

4、中的位置及其入射角。倾斜计测量掘进机两个方向上的偏转角度。三、激光导向系统的组成 激光导向系统由激光发射装置、检查与转换装置、控制装置组成。 1、激光发射装置激光发射装置包括两个部分，即激光器与光学仪器。2、检查与转换装置检查与转换装置由在盾构支承环后端隔板上的接收靶、接收器、放大器与测量倾斜的摇摆倾斜计等组成。接收激光的靶板有两种：一种仅在靶板上绘有掘进设计中心图线，以观察激光点与该设计中心线的差距，供司机调整盾构方向；另一种则具有光电转换功能的靶板。第二种靶板又有以下两种，一种是带有X轴与Y轴伺服随动机构光电板。当激光光点射到光电板时，通过光敏元件转换成电量，经过放大器输入变换器。如果再接

5、入电子计算机，就能形成全自动控制的导向、调向系统。另一种是激光靶板的受光板分为A、B与C、D四个区域，A、B与C、D的受光面积与电量的输出率成比例。受光板靠伺服马达在水平、垂直两个方向移动，伺服马达用齿轮与同步马达啮合。伺服马达的移出量就是同步马达移动量，同步马达的输出作为电信号输出，来显示偏差，并控制调向装置。转换方式为差动转换式，它可调整盾构倾斜的位置。是依靠摇摆倾斜计的摆角信号，输入变换器中转换成角度来显示的。 3、显示与控制装置在盾构后方台车上装有变换器、显示器、打印机，彼此以电路连接。从接收器传来的Y轴、X轴与倾斜计的信号（电量），经变换器转换成数字显示在显示仪上。X、Y是以毫米表示

6、，倾斜角以度、分表示。目前海瑞克自动测量系统采用是VMT公司开发的SLSTAPD 自动测量系统。法马通自动测量系统采用PPS自动测量系统。其系统的基本原理相似。海瑞克盾构机采用的德国VMT公司的SLSTAPD隧道掘进激光导向系统。该系统主要有激光经纬仪、电子激光靶、控制箱、计算机及其他配套硬件与软件组成。隧道掘进软件是SLSTAPD激光导向系统的核心。通过其附带的通信装置接收数据，由隧道掘进软件计算出盾构机的位置与姿态，并以图表与数字在屏幕上显示，使盾构机的位置一目了然。海瑞克盾构机的掘进管理系统采用西门子公司的S7型可编程控制器PLC。该系统对全机掘进过程中发生的模拟信号、数字信号与开关信号

7、进行采集与处理，并根据程序对相应的部件进行驱动、保护与报警。按掘进、管片拼装与停止掘进三个不同的盾构机运行状态段来进行数据记录、处理、存储与显示，监控盾构机运行过程中的相关关键参数，同时将相关数据传送到地面计算机中。该系统还可以查找盾构机以前掘进的数据信息，并打印出各环掘进的情况，供施工管理人员进行分析。维尔特盾构机的屏幕显示画面更为直观，可以直接从屏幕上读出有关掘进数据。四、SLS-TAPD激光导向系统1、工作原理简介由激光经纬仪发射出一束可见红色激光束，激光束照射到ELS 靶，光束相对于ELS靶的位置已精确测定，水平角是由激光经纬仪照射到ELS 靶的入射角决定的，在ELS 靶内部安装有一个

8、监测ELS 靶倾角与转角的双轴传感器,可以分别测ELS 靶的上下倾角、左右倾角与入射点相对于ELS 靶的中心线的旋转角。激光照射到ELS 靶的间距由TCA 全站仪的EMD测定。这样，当测站坐标与后视坐标确定后，ELS 靶的方位与坐标就确定下来了。根据ELS 靶的中心与盾构机的主机轴线平面几何关系，就可以确定盾构机的轴线。2、SLSTAPD 系统组成（1） 激光全站仪激光全站仪（Leica TCA1103/ART/GUS64）是同时测量角度（水平与垂直）与距离的测量仪器，并能发射出一束可见红色激光。激光经纬仪临时固定在安装好的管片上，随着盾构机的不断向前掘进，激光经纬仪也要不断地向前移动，这被称

9、为移站。LeicaTCA1103激光全站仪参数：测角精度为3.3，测距精度为2mm+2ppm。（2） 黄色盒主要是为全站仪与激光器提供电源，也连接全站仪与主控室的PC 机的通讯数据传输。（3）电缆鼓当盾构机向前推进时。激光全站仪与安装在盾构机上的其他设备间的距离会增大，因此需要用带有滚动装置的电缆鼓。 图21-1-2 激光导向系统总图（4） ELS 靶激光靶则被固定在中盾之内，用来接收激光束。ELS靶参考平面上布满传感元件，可以传递入射角的上下倾角、左右倾角与入射点对于ELS 靶的中心线的旋转角。激光经纬仪发射出激光束照射在激光靶上，激光靶可以判定激光的入射角及折射角，另通过激光靶内测倾仪，用

10、来测量盾构机的滚动与倾斜角度。（5）工业计算机(Industrial PC)由隧道掘进软件计算所有的数据,并用图表与数字表格两种形式显示在监视器（Monitor）上,使 TBM 的位置一目了然。（6） 隧道掘进软件隧道掘进软件是SLS-TAPD 的核心。通过其附带的通信装置接收数据。由隧道掘进软件计算盾构机的方位与坐标，并以图表与数字表格显示出来。（7） 控制盒(Control Box)控制盒用来组织隧道掘进激光导向系统电脑与激光经纬仪与激光靶之间的联络，并向黄盒子与激光靶供电。控制盒连接系统的各种传感器,并将这些输出合适的项目输入到工业计算机内。来自工业计算机的控制信号也可以转换到传感器上。

11、（8） 调制解调器通过现场安装的 线经调制解调器可以把盾构机的位置动态的传递到主控室与地面办公室，形成一个小局域网，地面上可以随时知道盾构机的状态。（9） TBM-PLC程序逻辑控制器(SPS)盾构机的数据是从程序逻辑控制器（PLC）输入的。PLC 独立于SLS-TAPD 自动定位系统。（10） 盾尾间隙自动测量控制器单元最新安装管片与盾构机的盾尾之间的间隙由安装在管片安装机区域的仪器测得。VMT 提供的控制器单元连接由安装在安装机区域的仪器所测的测量结果与工业计算机内的管片选择软件组成。测量盾尾间隙的仪器是由Leica 公司制造的手持式测距仪。当测距仪发射出的激光照射到管片与盾壳内侧时，就可

12、以直接读出它的距离。五、PPS导向系统1、基本原理简介在测量TBM的位置与方向时，必须从三维空间量TBM上的两个固定点，由EDM棱镜表示。她们相对于TBM轴线以及刀盘的确切位置必须在TBM安装时确定。在掘进过程中，由于TBM的滚动与移动会发生变化，因此必须要进行精确测量。这个测量过程将由安装在TBM内部的两轴向倾斜仪电子化完成。一个马达经纬仪将自动测量TBM上每个棱镜的两极位置，经纬仪的站点与方位已被预先确定。尽管如此，由于经纬仪的水平角度测量系统没有完整的基准点，用户在安装过程中必须要对经纬仪进行定位。该工作可以通过普通的测量方法来测量经纬仪到基准点来完成，基准点的坐标已预先确定。其次,可以

13、通过测量从固定的经纬仪到这些点的倾斜距,水平与垂直角度来确立TBM上两个主要点的全球坐标.由于棱镜在TBM坐标系统中的位置在TBM设置时已经被确定, TBM 的滚动与移动的实际时间通过测量也知道,而隧道中线在全球坐标系统中也是已知的并已经被输入到电脑中，因此，TBM相对于中线的位置及方位就可以被很容易的计算出来。2、PPS系统组成：（1） 激光全站仪激光全站仪（Leica TCA1800/ART/GUS64）是同时测量角度（水平与垂直）与距离的测量仪器，并能发射出一束可见红色激光。（2） 黄色盒主要是为全站仪与激光器提供电源，也连接全站仪与主控室的PC 机的通讯。（3）无线电收发器。（4） 棱

14、镜系统允许最多连接4个马达棱镜，棱镜1与2连接到倾斜仪上，使用一个可选择的棱镜驱动也可以连接另外两个棱镜3与4。导向系统一次只使用4个可用棱镜中的两个，使用的棱镜被定义为逻辑棱镜1与2，每个棱镜都可能被选择成为逻辑棱镜1，剩余的棱镜中的一个可被选择为逻辑棱镜2，对于最高精确度，建议选择离刀盘最近的棱镜作为逻辑棱镜，同时，棱镜1与2应当接近垂直平面与TBM中线平行。TBM内部棱镜的局部坐标应在局部坐标系统中确立(水平、垂直与长度)。（5） 工业计算机由隧道掘进软件计算所有的数据,并用图表与数字表格两种形式显示在监视器上,使 TBM 的位置一目了然。 图21-1-3 PPS系统软件主界面（6） 隧

15、道掘进软件隧道掘进软件是PPS 的核心。通过其附带的通信装置接收数据。由隧道掘进软件计算盾构机的方位与坐标，并以图表与数字表格显示出来。（7） 调制解调器通过现场安装的 线经调制解调器可以把盾构机的位置动态的传递到主控室与地面办公室，形成一个小局域网，地面上可以随时知道盾构机的状态。（8） TBM-PLC盾构机的数据是从程序逻辑控制器（PLC）输入的。（9） 盾尾间隙自动测量SLUM控制器单元最新安装管片与盾构机的盾尾之间的间隙由安装在管片安装机区域的仪器测得。第二节 盾构机的姿态控制一、盾构姿态控制的原则盾构的姿态控制是盾构施工中的一个重要环节。盾构姿态控制的基本原则是以隧道设计轴线为目标，

16、根据自动测量系统显示的轴线偏差与偏差趋势，把偏差控制在设计范围内，同时在掘进过程进行盾构姿态调整确保不破坏管片。通俗的说就是“保头护尾”。 盾构姿态控制与管片拼装为相互影响，相互制约的两个过程。管片拼装的基本原则是适应盾构姿态调整，进行合理管片选型。盾构姿态控制与管片拼装应以隧道设计轴线控制为目标，同时两者相互协调，保证管片拼装质量，避免管片产生破损。总体是盾构跟着设计轴线走，管片拼装跟着盾构走。盾构机的方向控制是通过调节分组油缸的压力进行。盾构机环绕盾壳内侧周围布置推进油缸，其压力在液压与电气控制上将其分为多组，单组油缸压力由一个调节旋扭控制，由一个推进速度控制旋扭使所有油缸进油流量相同，由

17、于调节旋扭控制的溢流压力不同产生了每组油缸不同的行程差，从而达到使盾构机向压力最低的一组油缸方向转向的目的，正常情况下方向的控制就这样产生了。通常盾构机的方向按以上所谈到的原理进行是没有问题的，但有时也有以下两种特殊情况。其一是方向控制并未按所希望的控制方向进行，如地质出现单侧岩石较硬，这时，如果盾构机掘进速度选择较快，即掘进速度已超过盾构机在该种硬岩所能达到的速度，即使在硬岩侧的推进油缸选择压力大于软岩侧的掘进压力，盾构机仍会向硬岩侧方向偏转。此时应降低掘进速度，按硬岩掘进速度掘进，如果盾构机希望向软岩方向掘进，还应将掘进速度再降低，同时增大硬岩侧推进缸压力。另外一种特殊情形为盾构机出现故障

18、时，这里所说的故障并非设备故障，而是因为在强风化岩层中刀具检查不及时而且未留意到地层中存在的中风化或微风化岩层的存在，因为在全风化岩层，刀具检查不可能随时进行，有可能在周边边刀已磨损至使前体切入岩层，但因处于全风化层而掘进速度变化不明显。此时，如果在断面的某处存在中风化或微风化岩，即便单侧油缸推力增加，盾构机仍往大推力油缸侧偏转，则很大的可能是掌子面断面某侧存在中风化或微风化岩。当然，最后的结局是盾构机推力很大、扭矩很小、掘进速度低下而皮带机上未见有岩块出现（即硬岩掘进征兆）。好的隧道线形的控制需要微小而循序渐进的调节，突然的盾构机的位置变化必然对盾构机后部管片拼装及盾构机的向前行进带来不利影

19、响，严重者会出现管片挤裂或盾构机在掘进隧道内卡住的情形。所以，对盾构机方向控制的操作应做到以下几点：1、控制基点盾构机位置控制应以测量显示的盾尾位置为控制基准，即以盾尾位置的最终控制为方向调节的目标。2、调节量的控制对控制基点的位置调节量，经实践认为一环掘进调节10mm是较为合理的，线形最佳。3、趋势的调节即使盾构机相对于设计轴线位置已偏离超出要求，在盾构机掘进方向的趋势的调节也不能变化太大，急于纠偏，大的趋势变化必然由大的方位变化而来。4、铰接的操作铰接油缸的位置应总处于最大伸出与最小缩回的油缸的油缸行程之与为油缸最大允许伸出行程，以满足盾尾与中体间的铰接弯曲。 二、盾构机的纠偏技术盾构机的

20、姿态控制包括机体滚转控制与前进方向控制。在掘进过程中，根据激光自动导向系统电脑屏幕上显示的数据，盾构机操作人员通过合理调整各分区千斤顶的推力及刀盘转向等来调整盾构机的姿态。其控制操作原则有两条：(1) 滚角值应控制在10mmm以内。盾构机滚角值太大，盾构机不能保持正确的姿态，影响管片的拼装质量。如果盾构机滚角值过大，可以通过反转刀盘来减少滚角值。目前，有些盾构机在盾壳的两侧装置了可以伸缩的“翼”固定在围岩上，以防止盾构机的滚动。(2) 如果盾构机水平向右偏，则需要提高右侧千斤顶分区的推力；反之，则需要提高左侧千斤顶分区的推力。如果盾构机机头向下偏，则需要提高下部千斤顶的推力；反之亦然。 1、盾

21、构滚动控制盾构在推进及管片拼装施工时，为了减少由于盾构自转所产生的施工困难，应控制盾构旋转量在允许的范围内。在施工中可采取如下措施以防止过量的旋转：1）改变刀盘的旋转方向。2）改变管片拼装左、右交叉的先后次序。3）调整两腰推进油缸轴线，使其与盾构轴线不平行。4）当旋转量较大时，可在盾构支承环或切口环内单边加压重。施工中盾构若出现超过允许侧滚量时，盾构机报警。此时应采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。提示操纵者必须切换刀盘旋转方向，进行反转纠偏。2、盾构上下倾斜与水平倾斜： 盾构掘进过程中可能存在盾构机轴线与隧道设计轴线方向的偏差，为了保持盾构良好姿态，避免管片的受力不均，盾构上下倾斜与水平倾斜

22、应控制在2%以内，通过应用盾构千斤顶逐步进行纠正。避免因管片衬砌环的中心与盾构机的中心有偏移过大，使管片局部受力过大引起管片破损。3、盾构机姿态控制的一般细则在一般情况下，盾构机的方向偏差应控制在20mm以内，在缓与曲线段及圆曲线段，盾构机的方向偏差控制在30mm以内，曲线半径越小，控制难度越大。这将受到设备状况、地质条件与施工操作等方面原因的影响。当开挖面土体较均匀或软硬上下相差不大时，保持盾构机轴线与隧道设计轴线平行比较容易。一般情况下方向偏角控制在5mmm以内，特殊情况下不宜超10mmm；否则，会因盾构机转弯过急造成盾尾间隙过小与管片错台破裂。当盾构机遇到上硬下软土层时，为防止盾构机机头

23、下垂，要保持上仰姿态(即倾角为正)；反之，则保持下俯姿态(即倾角为负)。掘进时要注意上下两端或左右两侧的千斤顶行程不能相差太大，一般控制在20mm以内，特殊情况下不能超过60mm。当开挖面内的地层左、右软硬相差很大而且又是处在曲线段时盾构机的方向控制将比较困难。此时，可降低掘进速度，合理调节各分区的千斤顶推力，必要时，可将水平偏角放宽到10mmm,以加大盾构机的调向力度。当以上操作仍无法将盾构机的姿态调到合理位置时，将考虑在硬岩区使用仿形刀进行超挖。在曲线段掘进时，管片易往曲线外侧偏移，因此，一般情况下让盾构机向曲线内侧偏移一定量。根据曲线半径不同，偏移量通常取1030mm。当掘进进入缓与曲线

24、与曲线前，应将盾构机水平位置偏离调整至0mm。右转弯掘进逐步增加至+20mm，左转弯则调整至-20mm。以保证隧道成型后与设计轴线基本一致。在盾构机姿态控制中，推进油缸的行程控制是重点。对于1.5m宽的管片，原则上推进油缸的行程控制在17001800mm之间，行程差控制在050mm之间，行程过大，则盾尾容易露出，管片脱离盾尾较多，变形较大，易导致管片姿态变差；行程差过大，易使盾体与盾尾之间的夹角增大，铰接油缸行程差加大，盾构机推力增大，同时造成管片的选型困难。铰接油缸的控制是盾构姿态控制中的另一个问题，铰接油缸伸出的长度，直接影响到掘进时盾构机姿态，应减少铰接油缸的长度差，尽量将长度差控制在3

25、0mm以内，将铰接油缸的行程控制在4080mm之间为宜。4、盾构机的纠偏措施盾构机在掘进时总会偏离设计轴线，按规定必须进行纠偏。纠偏必须有计划、有步骤地进行，切忌一出现偏差就猛纠猛调。盾构机的纠偏措施如下：(1)盾构机在每环推进的过程中，应尽量将盾构机姿态变化控制在5mm以内。(2)应根据各段地质情况对各项掘进参数进行调整。对于含水量较大的地层，管片很容易上浮，如果对盾构机的姿态控制不好，将使管片的上浮加剧，并造成管片的破损。因此，在这种地层推进时对盾构机姿态的控制更显重要，应对各项掘进参数进行调整。 (3)尽量选择合理的管片类型，避免人为因素对盾构机姿态造成过大的影响。严格管片拼装质量，避免

26、因此而引起的对盾构机姿态的调整。(4)在掘进过程中随时注意滚角的变化，及时根据盾构机的滚角值调整刀盘的转动方向，使其值减小。(5)在纠偏过程中，掘进速度要放慢，并且要注意避免纠偏时由于单侧千斤顶受力过大对管片造成的破损。(6)当盾构机偏离理论轴线较大时，纠偏与俯仰角的调整力度控制在5mmm,不得猛纠猛调。(7)当盾构机的姿态处在轴线左边时，在纠偏时首先要提高盾构机左侧分区千斤顶的推力。使盾构机机头向右侧偏移，然后相应再逐渐减小左侧分区千斤顶的推力，加大右侧分区千斤顶的推力，逐渐使盾构机逼近设计轴线。当盾构机姿态处在轴线右侧、上面及下面时，也应如此控制。(8)在纠偏时，要密切注意盾构机的姿态、管片的选型及盾尾的间隙等，把盾构机姿态控制在设计轴线中心20mm以内，盾尾与管片四周的间隙要均匀、平衡。第 18 页