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| 关于Φ6.24m土压平衡式盾构机自动测量系统研究 |
| 来源：广州市卓源机电科技有限公司 录入者：HJP 浏览：974次 发布日期：2012-6-16 |
| 摘 要：自动测量系统在地铁隧道等盾构掘进中的使用越来越广泛，本文介绍Φ6.24m土压平衡式盾构机的自动测量系统的组成、功能、原理，通过实际施工效果验证自动测量的适用性及改造效果。 关键词:隧道施工；盾构机；地铁；组成；功能；原理；适用性 1．Φ6.24m土压平衡式盾构机的改造背景 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，自动测量系统在盾构机中逐渐得到成功运用、发展和完善。天津城建隧道股份有限公司给一台Φ6.24m土压平衡式盾构机加装了一套自动测量系统，用于进行沈阳地铁1号线滂江街―小什字街区间隧道施工。全面理解自动测量系统的原理，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。 2.盾构机自动测量系统的组成 2.1自动测量系统的组成 掘进管理计算机、全站仪计算机、不中断电路装置、坑内监视器、数据控制盘、控制器、个人电脑转换器、集线器（8端口）、调制解调器、全站仪、全站仪电源箱、标靶、水准台、转弯基本、远隔监视器、远隔计算机、打印机等。 2.2自动测量系统和盾构机控制测量在盾构施工中的地位和作用 配置土压力和推进参数自动测量，数据采集处理和远程传输系统，可以实现办公室的掘进工况信息管理；配备自动测量导向系统，可以适时测控盾构机姿态和管片拼装精度。 3 自动测量系统原理和工作过程 3.1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。 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。 在掘进过程中，自动测量系统按如下流程工作：首先，人工测量确定盾构机自动测量系统后视标靶、全站仪和盾构机的初始姿态数据。将上述数据资料和隧道的理论轴线位置三维坐标输入系统。盾构机开始掘进后，系统全站仪自动测量可以确定盾构机位置的标靶的坐标数据并根据后视点的坐标进行换算，得出盾构机当时的位置状况。根据位置状况数据，操作人员进行纠偏、调整管片拼装等操作。如此往复循环工作。当盾构机进行曲线掘进，全站仪与主机不能实现通视时，需重新定位全站仪，即可进行上述测量步骤。由系统控制全站仪实时测定盾构机标靶的相对坐标并由系统对照后识点标靶的位置；同时自动照准标靶，并自动记录激光水平方位角；标靶内部光栅捕获入射角，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。利用以上参数及前体、盾尾、棱镜中心三者的几何关系，通过空间坐标变换解算前体、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。如此反复，指导盾构机掘进。 3.2功能特点 使盾构机按照设计线路正确推进，其前提是及时测量，得到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，及时指导操作人员进行纠偏，系统的功能特点主要表现在: （1）本系统采用同步跟进测量方式， 较好地克服了随着掘进面的推进测点越来越远而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）三维向量计算和利用全站仪直接测量点的三维，坐标(x,y,z)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和运行稳定性的要求. （5）适用耐高低温，湿度高，有震动的施工环境中的正常运行。系统连续跟踪测定当前盾构机的三维空间位置、姿态与设计轴线进行比较获得偏差信息。 3.3 测量精度 本系统由两台仪器联测时，每次测量都从隧道基准导线点开始测量运行过程中每点和每条边在检验通过之后才进行下步。得到的姿态结果均相互独立，无累积计算,故系统求解计算中无累计性误差存在。因此，每次结果之间可以相互起到检核作用，从而避免产生人为的或系统数据的运行错误。 3.4自动测量系统的工作过程 盾构机体作为刚体3个不共线的点是确定其空间位置与姿态的点。由3测点的实时坐标值、 按向量归算方法，解算得出盾构机特征点坐标与姿态角度精确值。 即通过三维向量归算直接求得盾构机切口和盾尾特征部位中心点当前的三维坐标和同时根据里程得到设计所对应的理论，两者比较得出偏差量。 自动测量系统在隧道内，一共有4个靶标，而全站仪位于4个靶标中间（如下图），全站仪首先定位1，2靶标，通过这两个标靶的位置，全站仪自动设置3，4标靶，完成这一系列任务之后，自动测量系统即可开始工作，检测盾构机在隧道内的姿态。 4结论 通过使用该自动测量系统，可以达到以下使用效果： （1）、对程序的回归测试更方便。这可能是自动化测试最主要的任务，特别是在程序修改比较频繁时，效果是非常明显的。由于回归测试的动作和用例是完全设计好的，测试期望的结果也是完全可以预料的，将回归测试自动运行，可以极大提高测试效率，缩短回归测试时间。 （2）、可以运行更多更繁琐的测试。自动化的一个明显的好处是可以在较少的时间内运行更多的测试。可以大大减轻人工测量的工作量。 （3）、可以执行一些手工测试困难或不可能进行的测试。比如，对于大量用户的测试，不可能同时让足够多的测试人员同时进行测试，但是却可以通过自动化测试模拟同时有许多用户，从而达到测试的目的。 （4）、更好地利用资源。将繁琐的任务自动化，可以提高准确性和测试人员的积极性，将测试技术人员解脱出来投入更多精力设计更好的测试用例。有些测试不适合于自动测试，仅适合于手工测试，将可自动测试的测试自动化后，可以让测试人员专注于手工测试部分，提高手工测试的效率。 |
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