盾构机自动导向系统的测量方法研究_潘明华

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施 工 技 术 CONSTRUCTION TECHNOLOGY
2005 年 6 月 第 34 卷 第 6 期
盾构机自动导向系统Biblioteka 测量方法研究潘明华, 朱国力
( 华中科技大学 , 湖北 武汉 430074)
[ 摘要 ] 介绍了 利用激光标靶、 全站仪和 PLC 构成盾构姿态测量系统获 得测量数据 的方法 , 利用这些 测量数据求 取 盾构机的坐标位置和角度的算法 , 通过与隧道设 计曲线的比较得到盾构机在水平方向和垂 直方向上 的位置和角 度 偏差值 , 使操作人员可以通过这些结果控制盾构 机的掘进操作。 [ 关键词 ] 隧道工程 ; 盾构 ; 自动导向系统 ; 位置测量 ; 姿态测量 [ 中图分类号 ] TU921 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1002 - 8498( 2005) 06 - 0034 - 03
图 3 盾构机前部和后部角度连接示意
设 h 为盾构前部和后部铰接面的圆心的距离。则
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施工技术
第 34 卷
则: X = - D - h cos( Y = - C + h cos( Z = - B + h sin( 式中, 当 2) cos( 2) sin( 2) cos( 2) - L cos cos 2) + L cos sin 2) + L sin cos 向右 ( 4)
在利 用盾构机 进行的 隧道掘进 施工工 程中, 为 了 将掘进线路与隧道设计曲线之间的误差控制在一定 范 围内, 需要 及 时测 量 盾构 机 的位 置 和掘 进 的方 位 角。 隧道设计曲线是在城市三维坐标系( 绝 对坐标系) 中 设 计的, 要得到盾构机掘进过程中的误 差, 就必须通过 测 量计算得到盾构机在绝对坐标系中的坐标位置和方 位 角。具体来说, 就 是要 得到盾 构机切 口中 心以 及盾 尾 中心在隧道三维坐标系中的坐标位置以及盾构机轴 线 的方位角, 通过 与隧 道设计 曲线上 的对 应点坐 标以 及 对应点所在位 置的 曲线方 向相 比较, 得 到位置 偏差 值 ( 水平方向和垂 直方向 ) 以及 角度 偏差值 ( 水平 偏航 角 和坡度角) 。 盾构的姿态和位置测量方法可分为人工测量和 自 动测量 2 类。目 前 自动 导 向测 量 系统 主 要有 英 国 的 ZED、 德国的 VMT 和 日本 的 GYRO 等 系 统。前两 者 为 激光导向, 后 者为陀 螺仪 导向。激光 全站 仪系 统是 国 外目前应用比较广泛的一种自动导向系统。 在 863 计划项目 地铁盾构姿态 测量导 向系统 的 支持下, 华中科 技大 学与上 海隧道 工程 股份有 限公 司 合作, 共同开展 了盾 构自动 导向系 统的 理论研 究和 系 统开发工作。
2 1 隧道三维坐标系的确定
( 全 站仪 仰角 ) , 盾 构机 轴线 与
水平面也存在夹角 ( 盾构机的坡度角) ( 见图 2) 。
设置辅助平面 ABDC, 根 据各边角几何关系可得:
= arccos[ ( cos - sin sin ) ( cos cos ) ] 的水平方位角 , 则盾构机轴线的 水平方位角 。 盾构机滚角 =
Abstract : In this article, authors introduce data -getting methods of a shield attitude measure system composed of laser target, total station and PLC, and state calculation methods to get coordinates and angles of the shield machine with these measure data. Engineers can compare calculation results with the tunnel design curve in order to obtain deviat ion values of horizontal position, vertical position and angles of the shield machine, and can adopt these results to control tunneling operations of the shield machine. Key words: tunnel engineering; shield; automatic guiding system; position measure; attitude measure
0 cos sin 0 cos sin cos 0 0
0 - sin cos 0 0 0 1 0
0 0 0 1 0 0 0 1
cos 0 - s in 0 1 0 0 a 0 1 0
0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1
sin 0 cos 0
0 0 0 1
0 0 0
量全反射 棱 镜的 距 离, 同 时 为角 度 测量 提 供了 光 源。 全反射棱镜随 盾构 机运动 而运 动, 可能 偏离出 全站 仪 的镜头中心。为 保证 全站仪 能自 动进行 持续 测量, 全 站仪必须具备 自动 锁定目 标功 能, 使全 站仪镜 头始 终 对准反射棱镜的中心。 ( 3) 内置于盾 构机 中的 PLC 测 量模块 盾构机铰接油缸的长度。 ( 4) 带有隧道 掘进软 件的 计算机 软 件是 激光 自 动导向系统的 核心, 它通过 计算机 从全 站仪和 激光 标 靶等设备接收测量数据, 并完成测量算法。 2 测量方法及算法 首先定义隧 道 三维 坐标 系 的三 轴方 向, z 轴 为 垂 直向上; x 轴指向 正 北, 是 方位 角 0 的方 向; y 轴 指 向 正东, 为方位角 90 的方向。原点由设计人员确定。 2 2 盾构机轴线方位角的测量 通过标靶与计算机接口可以得到激光束与标靶 平 面法线的夹角 。由于激光 标靶与 盾构机轴 线平行 安 装, 可视 为激 光束 与盾 构机 轴线 的夹 角。由于 激 光 束与水平面存 在夹角 要获得盾 构机轴线 与激光束夹角水平方向 的投影 , 如图 2 所示。
求出盾尾中心的里程, 垂直和水平位 置偏差, 坡度角 和 水平方位角的偏差。 3 利用人工测量进行误差校验 在隧道推进 的过程 中, 必 须独立 于自 动测 量系 统 定期对盾构机 的姿 态和位 置进 行检查, 间隔时 间取 决 于隧道的具体情况。在有严重的光折 射效应的隧道 中 ( 这主要是由于空气 温度 差别 很大) , 每次 检查 之间 的 间隔时间应该比较短。在隧道测量时 必须始终考虑 测 量误差的问 题。这就 需要采 用人 工测量 进行 校验, 将 计算得到的盾 构机 姿态与 软件 计算结 果相比 较, 根 据 经验, 误差在 5~ 10mm 以内可 以认为自 动导 向系统 的 测量和计算是正确的。 在检测误差 超过界 限时, 需要对 导向 系统 进行 校 正。以下几大因 素是 检测误 差产 生的原 因: 倾 角仪 误 ( 5) 差、 激光靶内置旋转光栅角度误差、 激 光靶安装尺寸 测 量、 全站仪 测 量距 离 值误 差、 全站 仪 和后 视 点坐 标 误 差。人工测量方 法可 以精确 测量 出盾构 机的 滚角、 俯 仰角和水平摆 角, 同 时可以 重新 测量全 站仪和 后视 点 的精确坐标。导向系统中预留角度误 差修改界面对 传 感器测量得到 的角 度进行 修正, 同时修 正了全 站仪 和 后视点的坐标。这样就可以将前面施 工过程中累计 的 测量误差抵消, 从而保证盾构机向正确的方向掘进。 4 结语 与目前国内盾构掘进施工中所采用的人工测量 法 相比较, 自动导向系统在算法上更 为精确, 而且对 带 有铰接油缸的盾构机盾尾中心的测量体现了算法的 优 越性。但是实际 施工 中的测 量结 果不仅 由算 法决 定,
1
测量系统的组成 测量系统要 实现对 盾构 机的位 置和 角度 测量, 需
要在盾构机上建立测 量目 标点 ( 激 光标 靶) , 并 用全 站 仪测量目标 点的 距离。在具 有铰 接装置 的盾 构机 中, 要通过目标点 坐标 换算盾 尾中 心的坐 标, 就需 要知 道 盾首与盾尾的 轴线 角度变 化, 因 此需要 知道铰 接油 缸 的长度。所以测量系统主要有以下 4 部分组成: ( 1) 激光标靶 激光标靶是严密 封装的精密 仪器。 在标靶下部安 装全 反射棱 镜, 以 便全站 仪测量 激光 标 靶的位置和 自动 锁定激 光标靶。 标靶正 面是 感光 面, 接收全站仪发 出的 激光束, 通过 标靶内 部传感 器测 量 得到激光束对标靶表面法线的夹角。 标靶内部在横 向 和纵向分别安 装一 部倾角 仪, 用 来测量 盾构机 的滚 角 和坡度角。激光 标靶 固定在 盾构 机的机 身内, 在安 装 时其位置就确 定了, 安装后 要精 确测量 标靶在 盾构 机 内的相对位置( 见图 1) 。 ( 2) 具有自动 锁定目 标功 能的全 站仪 全 站仪 测
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潘明华等 : 盾构机自动导向 系统的测量方法研究
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在隧道三维坐标系中的 坐标( x , y , z ) 可以 通过坐标 的 旋转变换和平移变换, 用式( 2) 计算得到。 ( x , y , z , 1) = ( A , _C, _B , 1) 1
图 1 激光标靶安装位置示意
图 2 设置辅助点求 的值
- sin 0 0
( 2)
b c
用 于测 量
式( 2) 中, 水平 方位角 当盾头仰起时坡度角
的范 围是( 0 , 360 ) , 顺 时 顺时针方向为正;
针方向为角度增加方向; 盾构滚角 为正。
2 4 盾尾中心在隧道三维坐标系中的坐标计算 盾构机没有 安装铰 接油 缸时, 盾 尾中 心与 切口 中 心都位于盾构 机轴 线上, 则 盾尾 中心的 坐标计 算也 可 以用式( 2) 求得, 不同之处在于盾尾中 心在相对坐标 系 中的坐标为(-D ,- C ,-B ) 。 当隧道转弯 曲率较 大时, 需要采 用带 铰接 油缸 的 盾构机。铰接油 缸将 盾构机 的前 部和后 部连 接起 来。 由于铰接点可 以作 微小角 度的 变化, 铰 接油缸 受外 力 可以伸长缩短, 盾构机前部和后部的 轴线会出现 偏离。 要计算盾尾中心在以激光标靶为原点的盾构机相对 坐 标系中的位置 坐标, 就必须 知道 前后轴 线间的 角度 变 化。目前我国生产的带铰接油缸 的盾构机设置 4 处 铰 接点, 分别位于盾构正面的左下、 左 上、 右上和右 下方, 呈 45 分布。 铰接油缸的 长度可 以通 过位移 传感 器测 量得 到, 存储于盾构内置 PLC 的数据模块中。设盾构机铰接 平 面的左 下、 左上、 右 上 和 右下 方 的 油缸 长 分 别 为 h 1 、 h 2、 h 3、 h4 ; 4 个铰 接 点 构成 的 正 方 形边 长 为 E ( 见 图 3) 。则盾首轴 线和 盾尾 轴线 的垂 直方向 夹角 , 水 平 方向夹角 可以用式( 3) 计算: = 2arcsin[ ( h 1 - h2 ) ( 2E ) ] = 2arcsin[ ( h2 - h 3 ) ( 2E ) ] ( 3)