20世紀70年代以來(lái)，掘進(jìn)機施工技術(shù)有了新的飛躍。伴隨著(zhù)激光、計算機以及自動(dòng)控制等技術(shù)的發(fā)展成熟，激光導向系統在掘進(jìn)機中逐漸得到成功運用、發(fā)展和完善。激光導向系統使得掘進(jìn)機施工極大地提高了準確性、可靠性和自動(dòng)化程度，從而被廣泛應用于鐵路、公路、水利工程等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。

　　全面理解激光導向系統的原理，有助于工程技術(shù)人員在隧洞施工中及時(shí)發(fā)現問(wèn)題，解決問(wèn)題，保證隧道的正確掘進(jìn)和最后貫通，有助于國產(chǎn)掘進(jìn)機研制工作的開(kāi)展。

　　1　掘進(jìn)機和激光導向系統的組成

　　1.1掘進(jìn)機的組成

　　掘進(jìn)機按護盾形狀劃分為單護盾掘進(jìn)機、雙護盾掘進(jìn)機以及開(kāi)敞式掘進(jìn)機。它們的組成有一定差異。主要由盾體（含刀盤(pán)等）、管片拼裝機、主機皮帶機、后配套設備、電氣設備、數據采集系統、SLS-T激光導向系統及其他輔助設備組成。

　　1.2激光導向系統的組成

　　激光導向系統是綜合運用測繪技術(shù)、激光傳感技術(shù)、計算機技術(shù)以及機械電子等技術(shù)指導掘進(jìn)機隧道施工的有機體系。隧道掘進(jìn)激光導向系統主要部件有激光全站儀、帶有棱鏡的激光靶、黃盒子、中央控制箱和隧道掘進(jìn)激光導向系統電腦。

　　2　激光導向系統和掘進(jìn)機控制測量在隧洞施工中的地位和作用

　　1）可以在電腦顯示屏上隨時(shí)以圖形的形式顯示掘進(jìn)機軸線(xiàn)相對于隧道設計軸線(xiàn)的準確位置，這樣在掘進(jìn)機掘進(jìn)時(shí)，操作者就可以依此來(lái)調整掘進(jìn)機掘進(jìn)的姿態(tài)，使掘進(jìn)機的軸線(xiàn)接近隧道的設計軸線(xiàn)，這樣掘進(jìn)機軸線(xiàn)和隧道設計軸線(xiàn)之間的偏差就可以始終保持在一個(gè)很小的數值范圍內。

　　2）推進(jìn)一環(huán)結束后，隧道掘進(jìn)激光導向系統從掘進(jìn)機PLC自動(dòng)控制系統獲得推進(jìn)油缸和鉸接油缸的油缸桿伸長(cháng)量的數值，并依此計算出上一環(huán)管片的管環(huán)平面，再綜合考慮被手工輸入隧道掘進(jìn)激光導向系統電腦的盾尾間隙等因素，計算并選擇這一環(huán)適合拼裝的管片類(lèi)型。

　　3）可以提供完整的各環(huán)掘進(jìn)姿態(tài)及其他相關(guān)資料的檔案資料。

　　4）可以通過(guò)標準的隧道設計幾何元素計算出隧道的理論軸線(xiàn)。

　　5）可以通過(guò)調制解調器和電話(huà)線(xiàn)與地面的一臺電腦相連，這樣在地面就可以實(shí)時(shí)監控掘進(jìn)機的掘進(jìn)姿態(tài)。

　　從隧洞施工基本過(guò)程可以看出（如圖1所示），激光導向系統不能夠獨立完成導向任務(wù)，在掘進(jìn)機開(kāi)始工作、該系統啟用之前，還需要做一些輔助工作：首先，激光全站儀首次設站點(diǎn)及其定向點(diǎn)坐標，需用人工測定。其次，必須使用人工測量的方法，對掘進(jìn)機姿態(tài)初值進(jìn)行精確測定，以便于對激光導向系統中有關(guān)初始參數進(jìn)行設置。

　　掘進(jìn)機姿態(tài)是指掘進(jìn)機前端刀盤(pán)中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“刀頭”）三維坐標和掘進(jìn)機筒體中心軸線(xiàn)在三個(gè)相互垂直平面內的轉角等參數。掘進(jìn)機姿態(tài)除了可以通過(guò)人工測量、單獨解算方式獲得外，還可以由導向系統實(shí)時(shí)、自動(dòng)地獲取。用人工測量方式獲得掘進(jìn)機姿態(tài)的過(guò)程，被稱(chēng)作“掘進(jìn)機控制測量”。掘進(jìn)機控制測量的另一個(gè)作用是：在掘進(jìn)機掘進(jìn)過(guò)程的間隙，對激光導向系統采集的掘進(jìn)機姿態(tài)參數進(jìn)行檢核，對激光導向系統中有關(guān)配置參數進(jìn)行校正。

　　3　激光導向坐標系統

　　1）地面直角坐標系：簡(jiǎn)稱(chēng)地面坐標系，根據隧道中線(xiàn)設計而定，一般為地方坐標系。洞內（外）控制點(diǎn)、測站點(diǎn)、后視點(diǎn)以及隧道中線(xiàn)坐標，DTA的數據、激光站支架坐標數據等均用該坐標系表示。

　　2）掘進(jìn)機坐標系：在掘進(jìn)機水平放置且未發(fā)生旋轉的情況下，以掘進(jìn)機刀頭中心前端切點(diǎn)為原點(diǎn)，以掘進(jìn)機中心縱軸為x軸，由盾尾指向刀頭為正向；以豎直向上的方向線(xiàn)為z軸，y軸沿水平方向與x軸，z軸構成左手系。掘進(jìn)機坐標系是連同掘進(jìn)機一起運動(dòng)的獨立直角坐標系。掘進(jìn)機尾部中心參考點(diǎn)、ELS靶的安裝尺寸等相對掘進(jìn)機的位置都以此坐標系表示，這些坐標由掘進(jìn)機制造商測定并給出。

　　3）DTA系統：在本系統中顯示TBM前后基準點(diǎn)的偏離值與里程。

　　4　激光導向系統原理

　　激光導向系統在隧洞施工中有指導隧道掘進(jìn)、指導環(huán)片安裝、數據采集等多種功能，其中指導掘進(jìn)是核心功能。在地面坐標系統確定一個(gè)點(diǎn)（X，Y，Z）來(lái)放置激光全站儀，以便確定TBM的位置。然后通過(guò)一個(gè)基準點(diǎn)使激光全站儀定向。由系統控制激光全站儀實(shí)時(shí)測定光靶的三維地面坐標，同時(shí)激光光束被導向ELS并自動(dòng)記錄激光水平方位角。ELS就能確定激光光束與ELS平面之間的偏航角，激光光束入射點(diǎn)和ELS之間的反射角用來(lái)確定TBM與DTA之間的偏航角。TBM的滾動(dòng)角及仰俯角通過(guò)安裝在ELS內部的傾斜計來(lái)確定，大約每秒兩次，ELS將數據傳向主控計算機。ELS和激光全站儀之間的距離通過(guò)激光全站儀內置光電測距儀來(lái)測定，這個(gè)距離提供了TBM沿DTA的里程。匯總測量的數據以便對確定TBM在地面坐標系統中的精確位置，通過(guò)隧道軸線(xiàn)上的兩個(gè)基準點(diǎn)來(lái)顯示TBM的位置。利用以上參數及刀頭、盾尾、棱鏡中心三者的幾何關(guān)系，通過(guò)空間坐標變換解算刀頭、盾尾中心坐標，結合設計隧道中線(xiàn)參數計算掘進(jìn)機與隧道中線(xiàn)的相對偏差。依據各偏差值擬合改正曲線(xiàn)，由PLC根據修正曲線(xiàn)控制機械裝置，調整各油缸桿在不同時(shí)刻的伸長(cháng)量。如此反復，指導掘進(jìn)機掘進(jìn)。

　　5　管片安裝和激光站的前移

　　在TBM及最新安裝管環(huán)的位置被確定后，就可進(jìn)行下一環(huán)推進(jìn)的計算。如果糾偏量不大，可直接把DTA作為計算弧線(xiàn)。如果糾偏量為幾個(gè)厘米，則需計算一個(gè)糾偏曲線(xiàn)。糾偏曲線(xiàn)起始于最新拼裝的管環(huán)，經(jīng)過(guò)TBM切向返回設計軸線(xiàn)。在TBM沿糾偏曲線(xiàn)掘進(jìn)的基礎上計算出來(lái)的油缸的理想行程被傳到TBM計算機，計算機把這些數據轉化為取得所需行程所需的壓力。通過(guò)這些數據可對TBM進(jìn)行全自動(dòng)控制。隨著(zhù)TBM向前推進(jìn)，及時(shí)對激光站進(jìn)行前移，在SLS-T系統中控制激光站前移通過(guò)軟件來(lái)引導。為保證不出現任何錯誤，移動(dòng)過(guò)程中會(huì )自動(dòng)進(jìn)行監測。

　　6　影響激光導向系統和掘進(jìn)機控制測量精度的因素

　　在激光導向系統和掘進(jìn)機控制測量中，掘進(jìn)機姿態(tài)解算的方法有本質(zhì)區別：激光導向系統，通過(guò)直接采集1個(gè)參考點(diǎn)地面坐標和3個(gè)轉角參數，正解刀頭、盾尾地面坐標；掘進(jìn)機控制測量是通過(guò)采集多個(gè)（至少3個(gè)）參考點(diǎn)地面坐標，反解刀頭、盾尾地面坐標和3個(gè)轉角參數。因此，從理論上講，后者在掘進(jìn)機姿態(tài)解算方面比前者更能有效地減少或消除偶然誤差。這也是采用掘進(jìn)機控制測量對激光導向系統進(jìn)行參數配置和校核的原因。不論是激光導向系統，還是掘進(jìn)機控制測量，原始依據都是用支導線(xiàn)形式獲得的測站坐標和定向點(diǎn)（后視）坐標。對于前者，3個(gè)轉角的精度取決于光柵和測角儀的靈敏程度，其誤差相對于測站誤差和定向誤差微乎其微。對于后者，盾尾參考點(diǎn)的掘進(jìn)機坐標由于在出廠(chǎng)前精確測定，誤差可忽略。因此，激光導向和掘進(jìn)機控制測量的誤差主要集中在測站點(diǎn)三維坐標和后視方向上。

　　7　激光導向系統的應用在隧洞掘進(jìn)中的優(yōu)點(diǎn)

　　1）體現了激光導向系統的直觀(guān)性。通過(guò)VMT屏幕能夠直觀(guān)的顯示TBM的姿態(tài)，有利于操作手進(jìn)行作業(yè)。

　　2）極大地提高了隧洞掘進(jìn)的準確性。通過(guò)激光導向系統能夠及時(shí)地反映隧洞掘進(jìn)的各個(gè)姿態(tài)，檢查是否沿理論軸線(xiàn)掘進(jìn)，及時(shí)糾偏。

　　3）體現了激光導向系統的自動(dòng)化程度。在常規開(kāi)挖中每爆破一次就必須放樣一次線(xiàn)，標定出隧洞掌子面的輪廓線(xiàn)以及中線(xiàn)。而應用激光導向系統能夠自動(dòng)測量，指導VMT沿理論軸線(xiàn)掘進(jìn)，各種數據可以通過(guò)計算機系統進(jìn)行存儲。

　　8　結語(yǔ)

　　在隧洞施工中，采取以下措施可提高激光導向系統的測量精度：

　　1）在掘進(jìn)始發(fā)前進(jìn)行控制測量時(shí)，注意觀(guān)測參考點(diǎn)的均勻分布、組數和有可能含粗差點(diǎn)的判定和剔除，以便精確解算掘進(jìn)機初始姿態(tài)參數，保證激光導向系統正確初始化。

　　2）向系統正確錄入隧道平曲線(xiàn)、豎曲線(xiàn)參數。

　　3）提高地下基本導線(xiàn)的精度，并及時(shí)對激光全站儀設站點(diǎn)、定向點(diǎn)坐標進(jìn)行人工檢測，及時(shí)校正。

　　4）隨隧道掘進(jìn)、環(huán)片拼裝進(jìn)度，及時(shí)對激光全站儀進(jìn)行移站，以減少外界溫、濕度等氣象條件的影響。一般激光全站儀到掘進(jìn)機上棱鏡最遠距離，在直線(xiàn)段不應超過(guò)200m，在曲線(xiàn)段不應超過(guò)100m。