TBM掘进机施工中人工导向测量

摘 要：TB880E型隧道掘进机配备的测量系统PPS导向系统，在实际应用过程中存在不稳定因素，受环境影响较大，为确保掘进方向的正确性，正确指导施工，必须人工测量导向来复核，实现精确贯通。

关键词：TBM PPS 人工导向

一、PPS导向系统概述

近年TBM掘进机在国内使用不断升温，尤其是在特长隧道中的应用起到了巨大的作用，完全由我们自己管理使用只是近年来才开始起步的。其导向系统为PPS，其工作基本原理与普通测量原理相同，它由一部电脑，一台套全站仪，一部倾斜仪组成。PPS工作程序就是用电脑来代替人员来操作全站仪，完成数据采集过程，通过对安装在TBM上的小棱镜进行测量，并将全站仪测量的结果及时反馈给电脑，再由电脑程序绘制出TBM状态及TBM中心与隧道中心的位置关系（也就是掌子面的情况），反映给控制室，控制室以此来指导施工方向。

二、做人工导向的必要性

PPS测量系统是由PPS公司最新生产的配合TBM施工的时时动态测量系统，它的很多方面还不完善，受外界环境影响较大。例如在前视距离远时，掘进过程中受灰尘等条件影响，电脑所显示的数据跳动较大，无法确定正确的方向，从而影响施工。它的测站及后视是由人工安装在洞壁上，有时会存在松动或移位等问题，此时的测量数据已经错误，但在电脑的显示屏可能还是显示状态正常，这时而且类似情况会经常发生。为保证掘进方向的正确性，人工导向复核PPS测量的数据是必要的，也是必须的。由于无法直接对掌子面进行测量放线，常规方法已不适用。根据总结前人经验，以及在吐库2线SK1标左线实际施工中的心得，总结出一套适用于TBM施工的人工测量确定方向的方法。在介绍人工导向方法之前，先介绍一下PPS导向系统的工作原理及过程以便大家能够理解人工导向的必要性。

三、PPS工作原理

基本原理与普通测量原理相同，它由一部电脑，一台套全站仪，一部倾斜仪组成。PPS工作程序就是用电脑来代替人员来操作全站仪，完成数据采集过程，通过对安装在TBM上的小棱镜进行测量，并将全站仪测量的结果及时反馈给电脑，再由电脑程序绘制出TBM状态及TBM中心与隧道中心的位置关系（也就是掌子面的情况），反映给控制室，控制室以此来指导施工方向。

四、PPS搬站测量

测量新的全站仪点就是给全站仪建立一个新的站点（新设站点位置选择应当与旧位置相当接近）。由于全站仪设站点与后视点都安装在洞壁上，当TBM掘进米数超过数据使用长度时，需要重新建站。基于这个原因，必须在隧道掘进方向安装一个棱镜。整个搬站过程由测量人人员操作电脑来完成。整个过程共分为四步。

首先选择建立新站，全站仪通过测量后视棱镜来检查方位然后再寻找新的目标。此时我们将后视棱镜移动到事先在掘进方向安装好的架子上（基座已经调平完毕），在全站仪位置手动瞄准新站点棱镜中心。

然后在电脑上点下一步，全站仪从I 和II（盘左与盘右）两个面来测量后视棱镜。这项内部核查来测试目标的校准度。如果后视棱镜I和II的本身的数值差别大于15mm时将显示一个“全站仪校准”错误信息。请根据莱卡菜单来校准目标。完毕后新的站点坐标以及相对于新站点的后视角度、距离，前视PPS小棱镜角度已由电脑计算完成并存储。

最后将全站仪和后视棱镜进行互换，即全站仪在一个新的站点位置上而后视棱镜在原先的经纬仪的位置上。全站仪整平以后瞄准后视棱镜。点下一步它将自动完成测量过程，重新进入工作状态。到此搬站完毕。

五、人工导向方案

所谓人工导向，就是人工的方式测出与TBM刀盘、中轴线的相对位置固定不变的内机架上几个点位，并通过对这些的计算得出刀盘及中轴线的准确位置。

在未找到内机架尺寸的情况下我们对其进行的量测。得出内机架（带滑块）宽高均为2.044米的正方形，高宽均为0.227m。如下面为TBM内机架侧视图与俯视图中尺寸。

测量过程：在内机架上量取B、C两点，通过测量B、C两点的三维坐标，得到这两点到刀盘的距离及两点到设计中线的相对水平偏差，以比例的方法进行计算刀盘的三维坐标。最后与PPS显示数据进行比较，以复合其正确性。以中天山TBM施工项目为例，已知TBM施工段为直线隧道，X为前进方向，即纵向，为里程，Y为横向距离，设计中线Y值为3000，设计仰角为1.1。其计算过程举例如下：

1、距离计算

测得刀盘的护盾后沿在DK144+557.684的位置，刀盘加护盾的厚度是3.92米，这样我们就可计算出刀盘最前沿里程为DK144+561.604。在内机架上滑片外边缘分别测得A、B两点（注意：建站两次，选择垂直测量测点较为精确），A点里程为DK144+552.684，B点里程为DK144+537.684，这样我们就计算出A到B的距离为7米，刀盘前沿到B的距离即为10.92米，B到C的距离为15米。

2、水平偏差计算

测得B点Y值为2998.968，C点Y值为2998.948，我们事先量测得到内机架宽度为2.044米，所以主轴线到滑片外边缘距离为1.022米。当设计中线与实际中线重合时所测的Y值均应为3000-1.022=2998.978，这样我们就可以得到：

B点偏差为 2998.968-2998.978=-0.01

C点偏差为 2998.948-2998.978=-0.03

刀盘前沿中心偏差为 （0.03-0.01）÷15×10.92=0.005

水平角为 （0.03-0.01）÷15=0.13

最后得出：刀盘应该向左调整0.005，角度向左调整0.13

3、竖直偏差计算

如上图所示，用水准仪测得滑块B、C两点的高程分别是1138.944和1108.764，与B、C两点相对于主轴线对称的两点高程分别为1138.946、1138.766，这样我们取左右高程的平均数再分别加上1.022米，即为B、C两点对应位置的主轴线的高程。则有刀盘前沿中心的实际高程为：

1138.945+1.022+（1138.945-1138.765）÷15×10.92=1140.098。

仰角为：（1138.945-1138.765）÷15=1.2。

滚向角为：（1138.944-1138.946）÷2.044=-0.01（左侧高为正，右侧高为负）。

而刀盘面中心的设计高程为：

1104.09+0.63+2.82+（44561.604-41600）×11÷1000=1140.118。

通过简单计算最后得出：刀盘应该向上调整0.02，角度向下调整0.1，滚向角调整0.01

若PPS显示的数据不是这样，就需要多次进行人工导向、比较。若确为PPS显示数据有问题，则要改正PPS常数，并频繁跟踪测量比较。

上述方法即为TBM施工中人工导向的简便方法。通过此方法对PPS导向系统进行了很好的监控和复合，在掘进过程中做到了心中有数。同时在几次导向系统无法正常工作的情况下，采用此方法保证了掘进工作的正常进行。因此为了提高测量精度，减小贯通误差，更好的为工程服务，在TBM施工时人工导向对PPS的复合极为重要。