1、第二十一章 隧道掘進激光導向及掘進管理系統第一節 激光導向系統隨著科學技術的發展，激光導向技術已開始用于隧道掘進工程中。其原理就是利用有良好直線性光束的激光，投射到盾構里，使操縱者及時地了解盾構的偏離、偏轉情況，并隨時糾正頂進方向，保證施工質量，提高施工速度。目前采用的導向系統主要有VMT、PPS、日本演算工坊三種。一、激光導向系統的主要作用盾構在掘進中，由于地層阻力、刀盤切削反作用力及推進千斤頂作用力等的不均，使盾構偏離既定的中心，這在施工中是不允許的。盾構施工的激光導向系統的作用是隨時指出盾構的頂進方向，使司機能控制機器按預定的設計線路頂進。(1) 可以通過隧道設計的幾何元素計算出隧道的理

2、論軸線。(2) 通過測傾儀測量盾構機的滾動和俯仰角度并予以顯示。(3) 在顯示屏上隨時以圖形直觀顯示盾構機軸線相對于隧道設計軸線的準確位置，便于操作者根據偏差隨時調整盾構機掘進的姿態和位置，使盾構機的掘進軸線逼近隧道設計軸線。(4) 掘進一環后，從盾構機PLC自動控制系統獲得推進油缸的伸長量數值，依此計算出上一環管片的管環平面位置，輸入盾尾間隙數據后，計算出這一環適合拼裝的管片類型。(5) 從數據庫中可以查閱各環的掘進姿態及其他相關資料。(6) 通過調制解調器和電話線與地面辦公室的電腦建立聯系，將盾構機掘進數據傳輸到地面，便于工程管理人員實時監控盾構機的掘進情況。二、激光導向的工作原理將激光發

3、生器固定在已成洞的洞壁上。利用激光導向技術發射出來的直線光束，投射到盾構里的靶板上，再用某種支持系統，以一種簡單易見的形式指出盾構頂進的方向。激光測量線是一束容易看見的明亮的紅光束，投射到盾構內的塑料靶板上是一個紅光點。司機根據激光投射的光點與靶上預先設計好的隧道中心線位置是否相符來調整盾構上、下、左、右的位置。設備以固定參考點激光器發出的光束為基準計算掘進機的位置。知道掘進機的位置后就可以計算出與設計洞線的偏差。為了測量掘進機的位置，需要使用兩個包含傳感器的裝置，即目標靶和傾斜計。這兩個裝置通過電纜及配電箱與控制單元相連，配 圖21-1-1 激光導向裝置電箱為傳感器提供電源。目標靶測量激光束

4、擊中的位置及其入射角。傾斜計測量掘進機兩個方向上的偏轉角度。三、激光導向系統的組成 激光導向系統由激光發射裝置、檢查和轉換裝置、控制裝置組成。 1、激光發射裝置激光發射裝置包括兩個部分，即激光器和光學儀器。2、檢查和轉換裝置檢查和轉換裝置由在盾構支承環后端隔板上的接收靶、接收器、放大器和測量傾斜的搖擺傾斜計等組成。接收激光的靶板有兩種：一種僅在靶板上繪有掘進設計中心圖線，以觀察激光點與該設計中心線的差距，供司機調整盾構方向；另一種則具有光電轉換功能的靶板。第二種靶板又有以下兩種，一種是帶有X軸和Y軸伺服隨動機構光電板。當激光光點射到光電板時，通過光敏元件轉換成電量，經過放大器輸入變換器。如果再

5、接入電子計算機，就能形成全自動控制的導向、調向系統。另一種是激光靶板的受光板分為A、B和C、D四個區域，A、B和C、D的受光面積和電量的輸出率成比例。受光板靠伺服馬達在水平、垂直兩個方向移動，伺服馬達用齒輪與同步馬達嚙合。伺服馬達的移出量就是同步馬達移動量，同步馬達的輸出作為電信號輸出，來顯示偏差，并控制調向裝置。轉換方式為差動轉換式，它可調整盾構傾斜的位置。是依靠搖擺傾斜計的擺角信號，輸入變換器中轉換成角度來顯示的。 3、顯示和控制裝置在盾構后方臺車上裝有變換器、顯示器、打印機，彼此以電路連接。從接收器傳來的Y軸、X軸和傾斜計的信號（電量），經變換器轉換成數字顯示在顯示儀上。X、Y是以毫米表

6、示，傾斜角以度、分表示。目前海瑞克自動測量系統采用是VMT公司開發的SLSTAPD 自動測量系統。法馬通自動測量系統采用PPS自動測量系統。其系統的基本原理相似。海瑞克盾構機采用的德國VMT公司的SLSTAPD隧道掘進激光導向系統。該系統主要有激光經緯儀、電子激光靶、控制箱、計算機及其他配套硬件和軟件組成。隧道掘進軟件是SLSTAPD激光導向系統的核心。通過其附帶的通信裝置接收數據，由隧道掘進軟件計算出盾構機的位置和姿態，并以圖表和數字在屏幕上顯示，使盾構機的位置一目了然。海瑞克盾構機的掘進管理系統采用西門子公司的S7型可編程控制器PLC。該系統對全機掘進過程中發生的模擬信號、數字信號和開關信

7、號進行采集和處理，并根據程序對相應的部件進行驅動、保護和報警。按掘進、管片拼裝和停止掘進三個不同的盾構機運行狀態段來進行數據記錄、處理、存儲和顯示，監控盾構機運行過程中的相關關鍵參數，同時將相關數據傳送到地面計算機中。該系統還可以查找盾構機以前掘進的數據信息，并打印出各環掘進的情況，供施工管理人員進行分析。維爾特盾構機的屏幕顯示畫面更為直觀，可以直接從屏幕上讀出有關掘進數據。四、SLS-TAPD激光導向系統1、工作原理簡介由激光經緯儀發射出一束可見紅色激光束，激光束照射到ELS 靶，光束相對于ELS靶的位置已精確測定，水平角是由激光經緯儀照射到ELS 靶的入射角決定的，在ELS 靶內部安裝有一

8、個監測ELS 靶傾角和轉角的雙軸傳感器,可以分別測ELS 靶的上下傾角、左右傾角和入射點相對于ELS 靶的中心線的旋轉角。激光照射到ELS 靶的間距由TCA 全站儀的EMD測定。這樣，當測站坐標和后視坐標確定后，ELS 靶的方位和坐標就確定下來了。根據ELS 靶的中心和盾構機的主機軸線平面幾何關系，就可以確定盾構機的軸線。2、SLSTAPD 系統組成（1） 激光全站儀激光全站儀（Leica TCA1103/ART/GUS64）是同時測量角度（水平和垂直）和距離的測量儀器，并能發射出一束可見紅色激光。激光經緯儀臨時固定在安裝好的管片上，隨著盾構機的不斷向前掘進，激光經緯儀也要不斷地向前移動，這被

9、稱為移站。LeicaTCA1103激光全站儀參數：測角精度為3.3，測距精度為2mm+2ppm。（2） 黃色盒主要是為全站儀和激光器提供電源，也連接全站儀和主控室的PC 機的通訊數據傳輸。（3）電纜鼓當盾構機向前推進時。激光全站儀和安裝在盾構機上的其他設備間的距離會增大，因此需要用帶有滾動裝置的電纜鼓。 圖21-1-2 激光導向系統總圖（4） ELS 靶激光靶則被固定在中盾之內，用來接收激光束。ELS靶參考平面上布滿傳感元件，可以傳遞入射角的上下傾角、左右傾角和入射點對于ELS 靶的中心線的旋轉角。激光經緯儀發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，另通過激光靶內測傾儀，

10、用來測量盾構機的滾動和傾斜角度。（5）工業計算機(Industrial PC)由隧道掘進軟件計算所有的數據,并用圖表和數字表格兩種形式顯示在監視器（Monitor）上,使 TBM 的位置一目了然。（6） 隧道掘進軟件隧道掘進軟件是SLS-TAPD 的核心。通過其附帶的通信裝置接收數據。由隧道掘進軟件計算盾構機的方位和坐標，并以圖表和數字表格顯示出來。（7） 控制盒(Control Box)控制盒用來組織隧道掘進激光導向系統電腦與激光經緯儀和激光靶之間的聯絡，并向黃盒子和激光靶供電。控制盒連接系統的各種傳感器,并將這些輸出合適的項目輸入到工業計算機內。來自工業計算機的控制信號也可以轉換到傳感器上

11、。（8） 調制解調器通過現場安裝的電話線經調制解調器可以把盾構機的位置動態的傳遞到主控室和地面辦公室，形成一個小局域網，地面上可以隨時知道盾構機的狀態。（9） TBM-PLC程序邏輯控制器(SPS)盾構機的數據是從程序邏輯控制器（PLC）輸入的。PLC 獨立于SLS-TAPD 自動定位系統。（10） 盾尾間隙自動測量控制器單元最新安裝管片和盾構機的盾尾之間的間隙由安裝在管片安裝機區域的儀器測得。VMT 提供的控制器單元連接由安裝在安裝機區域的儀器所測的測量結果和工業計算機內的管片選擇軟件組成。測量盾尾間隙的儀器是由Leica 公司制造的手持式測距儀。當測距儀發射出的激光照射到管片和盾殼內側時，

12、就可以直接讀出它的距離。五、PPS導向系統1、基本原理簡介在測量TBM的位置和方向時，必須從三維空間量TBM上的兩個固定點，由EDM棱鏡表示。她們相對于TBM軸線以及刀盤的確切位置必須在TBM安裝時確定。在掘進過程中，由于TBM的滾動和移動會發生變化，因此必須要進行精確測量。這個測量過程將由安裝在TBM內部的兩軸向傾斜儀電子化完成。一個馬達經緯儀將自動測量TBM上每個棱鏡的兩極位置，經緯儀的站點和方位已被預先確定。盡管如此，由于經緯儀的水平角度測量系統沒有完整的基準點，用戶在安裝過程中必須要對經緯儀進行定位。該工作可以通過普通的測量方法來測量經緯儀到基準點來完成，基準點的坐標已預先確定。其次,

13、可以通過測量從固定的經緯儀到這些點的傾斜距,水平和垂直角度來確立TBM上兩個主要點的全球坐標.由于棱鏡在TBM坐標系統中的位置在TBM設置時已經被確定, TBM 的滾動和移動的實際時間通過測量也知道,而隧道中線在全球坐標系統中也是已知的并已經被輸入到電腦中，因此，TBM相對于中線的位置及方位就可以被很容易的計算出來。2、PPS系統組成：（1） 激光全站儀激光全站儀（Leica TCA1800/ART/GUS64）是同時測量角度（水平和垂直）和距離的測量儀器，并能發射出一束可見紅色激光。（2） 黃色盒主要是為全站儀和激光器提供電源，也連接全站儀和主控室的PC 機的通訊。（3）無線電收發器。（4）

14、 棱鏡系統允許最多連接4個馬達棱鏡，棱鏡1和2連接到傾斜儀上，使用一個可選擇的棱鏡驅動也可以連接另外兩個棱鏡3和4。導向系統一次只使用4個可用棱鏡中的兩個，使用的棱鏡被定義為邏輯棱鏡1和2，每個棱鏡都可能被選擇成為邏輯棱鏡1，剩余的棱鏡中的一個可被選擇為邏輯棱鏡2，對于最高精確度，建議選擇離刀盤最近的棱鏡作為邏輯棱鏡，同時，棱鏡1和2應當接近垂直平面與TBM中線平行。TBM內部棱鏡的局部坐標應在局部坐標系統中確立(水平、垂直和長度)。（5） 工業計算機由隧道掘進軟件計算所有的數據,并用圖表和數字表格兩種形式顯示在監視器上,使 TBM 的位置一目了然。 圖21-1-3 PPS系統軟件主界面（6）

15、 隧道掘進軟件隧道掘進軟件是PPS 的核心。通過其附帶的通信裝置接收數據。由隧道掘進軟件計算盾構機的方位和坐標，并以圖表和數字表格顯示出來。（7） 調制解調器通過現場安裝的電話線經調制解調器可以把盾構機的位置動態的傳遞到主控室和地面辦公室，形成一個小局域網，地面上可以隨時知道盾構機的狀態。（8） TBM-PLC盾構機的數據是從程序邏輯控制器（PLC）輸入的。（9） 盾尾間隙自動測量SLUM控制器單元最新安裝管片和盾構機的盾尾之間的間隙由安裝在管片安裝機區域的儀器測得。第二節 盾構機的姿態控制一、盾構姿態控制的原則盾構的姿態控制是盾構施工中的一個重要環節。盾構姿態控制的基本原則是以隧道設計軸線為

16、目標，根據自動測量系統顯示的軸線偏差和偏差趨勢，把偏差控制在設計范圍內，同時在掘進過程進行盾構姿態調整確保不破壞管片。通俗的說就是“保頭護尾”。 盾構姿態控制與管片拼裝為相互影響，相互制約的兩個過程。管片拼裝的基本原則是適應盾構姿態調整，進行合理管片選型。盾構姿態控制與管片拼裝應以隧道設計軸線控制為目標，同時兩者相互協調，保證管片拼裝質量，避免管片產生破損。總體是盾構跟著設計軸線走，管片拼裝跟著盾構走。盾構機的方向控制是通過調節分組油缸的壓力進行。盾構機環繞盾殼內側周圍布置推進油缸，其壓力在液壓與電氣控制上將其分為多組，單組油缸壓力由一個調節旋扭控制，由一個推進速度控制旋扭使所有油缸進油流量相

17、同，由于調節旋扭控制的溢流壓力不同產生了每組油缸不同的行程差，從而達到使盾構機向壓力最低的一組油缸方向轉向的目的，正常情況下方向的控制就這樣產生了。通常盾構機的方向按以上所談到的原理進行是沒有問題的，但有時也有以下兩種特殊情況。其一是方向控制并未按所希望的控制方向進行，如地質出現單側巖石較硬，這時，如果盾構機掘進速度選擇較快，即掘進速度已超過盾構機在該種硬巖所能達到的速度，即使在硬巖側的推進油缸選擇壓力大于軟巖側的掘進壓力，盾構機仍會向硬巖側方向偏轉。此時應降低掘進速度，按硬巖掘進速度掘進，如果盾構機希望向軟巖方向掘進，還應將掘進速度再降低，同時增大硬巖側推進缸壓力。另外一種特殊情形為盾構機出

18、現故障時，這里所說的故障并非設備故障，而是因為在強風化巖層中刀具檢查不及時而且未留意到地層中存在的中風化或微風化巖層的存在，因為在全風化巖層，刀具檢查不可能隨時進行，有可能在周邊邊刀已磨損至使前體切入巖層，但因處于全風化層而掘進速度變化不明顯。此時，如果在斷面的某處存在中風化或微風化巖，即便單側油缸推力增加，盾構機仍往大推力油缸側偏轉，則很大的可能是掌子面斷面某側存在中風化或微風化巖。當然，最后的結局是盾構機推力很大、扭矩很小、掘進速度低下而皮帶機上未見有巖塊出現（即硬巖掘進征兆）。好的隧道線形的控制需要微小而循序漸進的調節，突然的盾構機的位置變化必然對盾構機后部管片拼裝及盾構機的向前行進帶來

19、不利影響，嚴重者會出現管片擠裂或盾構機在掘進隧道內卡住的情形。所以，對盾構機方向控制的操作應做到以下幾點：1、控制基點盾構機位置控制應以測量顯示的盾尾位置為控制基準，即以盾尾位置的最終控制為方向調節的目標。2、調節量的控制對控制基點的位置調節量，經實踐認為一環掘進調節10mm是較為合理的，線形最佳。3、趨勢的調節即使盾構機相對于設計軸線位置已偏離超出要求，在盾構機掘進方向的趨勢的調節也不能變化太大，急于糾偏，大的趨勢變化必然由大的方位變化而來。4、鉸接的操作鉸接油缸的位置應總處于最大伸出與最小縮回的油缸的油缸行程之和為油缸最大允許伸出行程，以滿足盾尾與中體間的鉸接彎曲。 二、盾構機的糾偏技術盾

20、構機的姿態控制包括機體滾轉控制和前進方向控制。在掘進過程中，根據激光自動導向系統電腦屏幕上顯示的數據，盾構機操作人員通過合理調整各分區千斤頂的推力及刀盤轉向等來調整盾構機的姿態。其控制操作原則有兩條：(1) 滾角值應控制在10mmm以內。盾構機滾角值太大，盾構機不能保持正確的姿態，影響管片的拼裝質量。如果盾構機滾角值過大，可以通過反轉刀盤來減少滾角值。目前，有些盾構機在盾殼的兩側裝置了可以伸縮的“翼”固定在圍巖上，以防止盾構機的滾動。(2) 如果盾構機水平向右偏，則需要提高右側千斤頂分區的推力；反之，則需要提高左側千斤頂分區的推力。如果盾構機機頭向下偏，則需要提高下部千斤頂的推力；反之亦然。

21、1、盾構滾動控制盾構在推進及管片拼裝施工時，為了減少由于盾構自轉所產生的施工困難，應控制盾構旋轉量在允許的范圍內。在施工中可采取如下措施以防止過量的旋轉：1）改變刀盤的旋轉方向。2）改變管片拼裝左、右交叉的先后次序。3）調整兩腰推進油缸軸線，使其與盾構軸線不平行。4）當旋轉量較大時，可在盾構支承環或切口環內單邊加壓重。施工中盾構若出現超過允許側滾量時，盾構機報警。此時應采用盾構刀盤反轉的方法糾正滾動偏差。提示操縱者必須切換刀盤旋轉方向，進行反轉糾偏。2、盾構上下傾斜與水平傾斜： 盾構掘進過程中可能存在盾構機軸線與隧道設計軸線方向的偏差，為了保持盾構良好姿態，避免管片的受力不均，盾構上下傾斜與水

22、平傾斜應控制在2%以內，通過應用盾構千斤頂逐步進行糾正。避免因管片襯砌環的中心和盾構機的中心有偏移過大，使管片局部受力過大引起管片破損。3、盾構機姿態控制的一般細則在一般情況下，盾構機的方向偏差應控制在20mm以內，在緩和曲線段及圓曲線段，盾構機的方向偏差控制在30mm以內，曲線半徑越小，控制難度越大。這將受到設備狀況、地質條件和施工操作等方面原因的影響。當開挖面土體較均勻或軟硬上下相差不大時，保持盾構機軸線與隧道設計軸線平行比較容易。一般情況下方向偏角控制在5mmm以內，特殊情況下不宜超10mmm；否則，會因盾構機轉彎過急造成盾尾間隙過小和管片錯臺破裂。當盾構機遇到上硬下軟土層時，為防止盾構

23、機機頭下垂，要保持上仰姿態(即傾角為正)；反之，則保持下俯姿態(即傾角為負)。掘進時要注意上下兩端或左右兩側的千斤頂行程不能相差太大，一般控制在20mm以內，特殊情況下不能超過60mm。當開挖面內的地層左、右軟硬相差很大而且又是處在曲線段時盾構機的方向控制將比較困難。此時，可降低掘進速度，合理調節各分區的千斤頂推力，必要時，可將水平偏角放寬到10mmm,以加大盾構機的調向力度。當以上操作仍無法將盾構機的姿態調到合理位置時，將考慮在硬巖區使用仿形刀進行超挖。在曲線段掘進時，管片易往曲線外側偏移，因此，一般情況下讓盾構機向曲線內側偏移一定量。根據曲線半徑不同，偏移量通常取1030mm。當掘進進入緩和曲線和曲線前，應將盾構機水平位置偏離調整至0mm。右轉彎掘進逐步增加至+20mm，左轉彎則調整至-20mm。以保證隧道成型后與設計軸線基本一致。在盾構機姿態控制中，推進油缸的行程控制是重點。對于1.5m寬的管片，原則上推進油缸的行程控制在17001800mm之間，行程差控制在050mm之間，行程過大，則盾尾容易露出，管片脫離盾尾較多，