盾构演算工房导向系统简析

【摘 要】以北京地铁八号线演算工房导向系统在盾构机上的应用为例，阐述了演算工房导向系统的基本原理、组装调试和常见问题等，为下一步盾构机导向系统的使用提供依据，保证盾构隧道顺利掘进，提高贯通精度。

【关键词】演算工房 盾构姿态 测量

中图分类号：U455文献标识码： A

1 简介

盾构机的体积庞大，加上后配套设备台车足有80米左右长，那么如何控制盾构机这个庞然大物。让他能按照我们设计的线路前进，从一个站始发到下一个站准确贯通呢?除了搞好控制联测外，在盾构机上安装一套先进的自动测量导向系统是必不可少的，它就象给盾构机安上了一双眼睛，从而取代传统繁杂的人工测量方法．快速准确的把盾构机的实时姿态反映到中控室．指导盾构操控手调整盾构姿态进行掘进。日本的演算工房自动导向系统可以实时的测定盾构机的位置姿态，确保盾构机沿着设计线正确的掘进，保证质量的使盾构掘进顺利的进行。

2 概述

2.1基本原理

盾构机自动导向系统的姿态定位主要是依据地下控制导线来精确确定盾构机掘进的方向和位置。盾构机的位置是由两个已知大地坐标（X，Y，Z）的点来确定的，全站仪被放在可以通视前置棱镜的一个点上，通过照准第二个已知点（后视点）来确定方向，这能够被用来确定北向。再利用全站仪自动测出的测站与棱镜之间的距离和方位角，就可以知道盾尾两个棱镜的三维坐标(即Ｘ、Ｙ、Z)。坡度和滚动角直接用安装在盾构机上倾斜仪测量。这个数据大约每秒钟两次传输至控制用的计算机。通过全站仪测出的与棱镜之间的距离可以提供沿着DTA掘进的长度。所有测得的数据由通信电缆从黄盒子传输至计算机,通过软件组合起来用于计算盾构机轴线上前中后三个参考点的精确的空间位置，并与隧道设计轴线(DTA)比较，得出的偏差值显示在屏幕上，这就是盾构机的姿态，在推进时只要控制好姿态，盾构机就能精确地沿着隧道设计轴线掘进，保证隧道能顺利准确的贯通。

2.2 特点1 使用高精度的测量仪器

2 操作性良好的画面界面

3 在看不到目标时，自动检测其他目标，尽可能的完成测量。

4 在井下驾驶室内就可以进行简单的指示操作、也可以实时地把握动作状态。

5 将过去的测量结果用图表显示，一眼就可以把握姿态的变化。

2.3 基本功能

1 测量盾构相对隧道设计轴线（DTA）的垂直偏差、水平偏差、仰俯角、滚动角

2 测量数据的记录、查询

3 形象化显示盾构位置、姿态

4 掘进里程精确测算和掘进环数管理

5 与盾构控制系统的数据通讯和共享

2.4 基本知识

2.4.1 坐标系统

所有的测量工作都是基于坐标系统的，在演算工房中用到三种坐标系统。

2.4.1.1 大地坐标系统

图1 大地坐标系统示意图

整个工地的测量工作都与这个坐标系统有关。它用来计算所有的固定点，起点及导线点。

工地负责将有关点的坐标(大地坐标系统)提供给导向系统。这包括有关DTA 的数据,激光站

支架坐标数据等。

2.4.1.2 盾构机坐标系统

盾构机上目标安装尺寸及盾构的控制点与基准点都需要在本系统中预先计算出来.这些

数据都已经由厂家提前测定。本系统与盾构的轴线有关,它包括并备份有必要进行测量的点。

在主控测量中,用控制点来确定盾构的位置。盾构的位置可通过独立于导向系统程序以外的

其它的转化程序来确定。

图2 盾构机坐标系统示意图

2.4.1.3 DTA（隧道盾构中心坐标）坐标系统

在本系统中显示盾构前后基准点的里程与偏离值。导向系统的主要目的就是为了确定各

相关点的坐标。盾构的位置总是跟本系统联系在一起。本坐标系统显示了各相关点的水平/

垂直偏离值及里程。

2.4.2 定义（偏差、滚动、趋向）

2.4.2.1 偏差

盾尾、铰接和盾头的偏差是相对于DTA 的。水平方向为正表示在轴线的右方，为负在轴

线的左方。在垂直方向上，正表示在轴线的上方，负表示在轴线的下方。

2.4.2.2 滚动角

当前盾构机的滚动角显示在软件的主界面上，正表示向右滚动，负表示向左滚动(面

向掘进方向)。2.4.2.3 水平及垂直趋向

趋向是盾构机和刀头位置的另外一个重要信息，在水平方向上，趋向为正表示盾构机相

对于DTA 向右转，负表示向左转。垂直趋向为正表示盾构机前面向上，为负表示向下。

2.5 盾构机始发前的姿态

盾构机组装完成，安装在始发托架上，正式始发前要测量盾构机的始发姿态，并将依据

测量的盾构机姿态，设置演算工房导向系统的参数，此次姿态测量直接关系到导向系统的测

量精度，所以要采用多次测量取平均的方法。具体方法如下：

1 在盾构机的盾头、铰接、盾尾处用棱镜，沿圆周每50cm 测量一个点的三维坐标，将

测量的坐标进行整理。

2 以AutoCAD 为工具，采用三维建坐标系的方法，利用测量数据，分别计算出盾头、

铰接、盾尾的圆心坐标，从而推算处盾构机的始发姿态。为盾构机导向系统的调试做准备。

2.6 盾构机掘进文件的备份

为了备档，掘进过程中每10cm 的所有盾构机的参数数据都被保存，并随时可被随时调用

显示。隧道的整个掘进过程可被清楚地备档。机器掘进的线路可被保存为图表。

2.7 远程监控

通过光缆及光电转换器可以实现地面办公室电脑和操作室电脑的数据同步，方便管理人

员在地面办公室就可以操作导向系统软件。

2.8 激光站前移

演算工房软件提供了一个先进的一个功能， 现场的激光站前移可以通过软件的提示一

步一步进行，并不需要测量工程师在现场， 激光站前移都是自动进行检校因此不会出现问

题。自动换站示意图如下：

图3 激光站前移示意图

连续利用自动前移的话，有累计误差的可能，所以在现场全站仪前移过程中要尽可能的

用人工测量复核，已减少累计误差。

3 调试

3.1 系统组成

图4 导向系统组成示意图

日本的演算工房导向系统主要有一下五部分组成：

1 具有自动照准目标的全站仪。主要用于测量角度和距离，发射激光束。

2 目标棱镜。前视棱镜和后视棱镜，前视棱镜为电动棱镜，为全站仪反射激光束，是测

角和测距的重要部件。在组装时，前视棱镜组位置确定以后就可以推算出与盾构机坐标系统

的相对关系。

3 计算机及隧道掘进软件。软件是自动导向系统的核心，它从全站仪和盾构机PLC 等通

信设备接受数据，盾构机的位置在该软件中计算，并以数字和图形的形式显示在计算机的屏

幕上，操作系统采用Windows 系统，确保用户操作简便。

4 黄盒子。它主要给全站仪供电,保证计算机和全站仪之间的通信和数据传输。

5 信号控制箱。它主要功能是发送和接受信号数据，为计算机处理数据提供依据。

3.2 安装

演算工房导向系统是有厂家工程师指导现场安装。盾构机组装完毕，最后安装导向系统。

如果盾构机分体始发，需要加长棱镜延长线。具体安装步骤如下：

1 安装前视棱镜

前视三个棱镜组，一般选择两个在油缸千斤顶处，一个在盾尾台架处，采用普通焊接，

如下图：

图5 前视棱镜位置图

2 安装中央控制箱和棱镜控制箱

图6 棱镜控制箱图

在操作室选择合适位置安装固定中央控制箱，在盾构机前视棱镜附近安装固定棱镜控制

箱。

3 数据线连接

首先连接三个前视棱镜和棱镜控制箱数据线，连接时一定注意控制箱的接头和棱镜一一

对应。然后将全站仪黄盒子、棱镜控制箱和操作室中央控制箱的数据线连接起来。在厂家工

程师指导下将盾构机PLC 和中央控制箱数据线连接起来，并接通相应电源接口。

4 安装全站仪和后视棱镜吊兰

在合适的位置选择安装全站仪和后视棱镜的吊兰，吊兰一般是角钢和5mm 厚钢板焊接，

中心位置焊接强制对中螺栓，安装完成后，将全站仪、全站仪黄盒和后视棱镜、后视棱镜控

制盒固定在吊兰上，并接通220V 电源。

图6 全站仪吊兰图图7 后视棱镜吊兰图

3.3 盾构区间三维坐标计算及录入

利用计算软件结合设计图纸，计算整个区间每一米的盾构圆心三维坐标，以Excel 表格

的形式存储。再利用演算工房相关的软件转换为能识别的坐标数据，将坐标数据录入电脑，

作为姿态偏差值的基准线。

3.4 前视棱镜坐标设定

用全站仪测量三个前视棱镜的大地三维坐标，通过演算工房相关的软件将棱镜大地坐标

转换为盾构机坐标，并将坐标输入棱镜参数设置，如下图，需要注意的是棱镜名称就按照图

中所示书写，不能更改。

图8 前视棱镜坐标设定图

4 软件操作

当电脑打开后会自动弹出一下两个界面图9、图10，

图9 演算工房软件总界面图

5 常见问题分析

1 主机电源ON 不可：本机电源不能打开，确认通讯电缆和接线盒是否有断线，重启电

源。

2 水平补偿异常：因全站仪倾斜6 分以上，所以不能自动进行水平补正，调查已知站

点坐标有无移动，用气泡管调整再次进行水平补偿。

图10 演算工房软件测量界面图

3 后视点角度0 复位不可：后视点不能正常地进行原点复位，检查后视点、站点有

无移动。

4 后视点搜索不可：后视点不能检索，检查站点与后视点是否通视。

5 后视点误差异常：虽然能搜索到后视点，但站点和后视点之间的实测三维坐标差值

超限。因站点移动的可能性高，所以要检查站点的三维坐标。

6 搜索不可：全站仪不能搜索的棱镜目标，一般是通视受阻。

7 测距异常结束：因看不到棱镜，所以不能测距。

8 目标状态角度：NG 光波：NG：目标棱镜不能被锁定或者根本看不到，如果很短时

间内恢复就没什么问题，但长时间不能锁定棱镜目标就会报错。

9 通信异常（主机电源OFF 还是通信电缆遮断）：在单独操作画面上，将电源OFF，

等待10 秒后，再接通电源。这样仍不能恢复，需要到现场检查电源是不是OFF 或者线缆有

无遮断或接头不良。

结束语

盾构法已广泛用于地铁等隧道工程中,盾构法施工的关键是盾构机的导向。目前,国内盾

构法施工中,盾构机的导向方法既有人工测量法,也有自动导向法。本文以日本演算工房系统

导向系统为例,主要解析了盾构机导向系统的基本原理,并完整叙述了在应用过程中经常遇

到的问题，为隧道施工工程测量技术人员理解及应用自动导向系统提供了理论基础。

参考文献

(1)王暖堂《盾构隧道施工中的测量技术研究》铁道建筑,2002,

(2)秦长利《提高盾构施工测量精度的要点及方法》北京测绘, 2003,

(3)吕国岭,黄威然,庞红军《盾构自动导向方法的应用研究》隧道建设, 2005。