新型盾构姿态测量系统的设计

何自强

（上海地铁盾构设备工程有限公司，上海 200032）

随着经济的快速发展和城市人口的不断增长，我国的地铁建设进入了高峰时期.盾构施工法由于具有施工速度快、安全、高质，对周围环境和人们生活影响小等优点，在地铁隧道施工中得到了广泛应用.

采用盾构挖掘隧道过程中，需要对盾构姿态进行测量并不断调整，以保证隧道的掘进路线和设计路线的偏差在允许范围内.目前盾构姿态的自动测量主要是借助全站仪进行，如文献［1］所示就是将全站仪安装在已成型隧道的吊篮内，通过向固定在盾构上的目标靶发射激光，来测定目标靶的三维坐标，进而确定盾构的姿态.该方法可借助先进的仪器对盾构姿态进行测量、控制、计算并显示，具有人力投入小、测量速度高、数据处理快、显示直观等优点［2］.但是，全站仪是安装在隧道顶部的吊篮内来测量盾构姿态的，盾构前进时所产生的后推力有时会迫使已经就位的管片产生偏移，进而影响安装在管片上的全站仪的位置变动，导致所测量的盾构姿态产生较大误差.管片是与隧道的内表面紧密结合在一起的，其主要作用是将盾构挖掘后的隧道撑起，防止隧道坍塌.因此，管片可以充分体现隧道的行进方向、弯曲程度和施工质量.可见，盾构、隧道和管片三者是紧密联系在一起的，而以往的单纯测量盾构本身来确定盾构姿态的方法忽视了三者之间的联系［3］.为此，本文将盾构和管片作为整体综合考虑，提出以盾构中心和管片中心的连线来确定盾构姿态.

1 盾构姿态测量系统方案设计

1.1 盾构中心的测量

盾构中心的测量和传统的盾构姿态测量系统一样，采用全站仪进行.图1为盾构中心测量示意图.其基本原理如下：盾构组装过程中在盾构内部寻找3个合适的位置焊接螺母，将棱镜固定在上面作为目标靶.在隧道开挖前，测得目标靶和盾构的相对坐标位置，建立目标靶和盾构中心之间的几何关系.在施工测量阶段，固定在盾构后面管片内壁上的全站仪对目标靶进行连续测量，并把采集的数据传输至控制系统，这样就可获得盾构中心的坐标值.由于全站仪操作简单，基本不影响施工，测量精度高，可以实时动态监测和显示，所以可准确、快速地完成对盾构中心的测量.

图1 盾构中心测量示意图Fig.1 Schematic diagram of survey of shield machine center

1.2 管片中心的测量

管片中心的测量采用周向扫描的方式进行，其基本原理如下：通过对管片的内表面沿圆周方向进行扫描获得管片内壁上多个点的坐标值，然后对采集到的数据进行曲线拟合，从而得出盾构管片中心的位置.由于盾构是借助千斤顶对管片的顶紧力作为推力前进的，刚拼装好的最后一环管片对盾构姿态的影响最大，因此以最后一环管片的中心作为测量系统中管片的中心.

图2为管片中心测量示意图.在管片中心测量过程中，首先确定测量中心的大地坐标，也就是对管片进行扫描时旋转中心的大地坐标；其次通过激光测距仪和倾角传感器来获得距离和角度的信息；然后将获得的数据传输至上位机中并保存；最后通过合适的算法进行曲线拟合，得出管片中心相对于旋转中心的坐标值，通过坐标换算后即可推断出管片中心的大地坐标值.

图2 管片中心测量示意图Fig.2 Schematic diagram of survey of segment center

2 管片中心测量装置

2.1 激光测距仪

为了实现对不同尺寸、不同形状和不同安装方式下管片中心的测量，必须合理设计管片中心测量装置，需具备以下功能：距离测量、周向扫描和角度测量.

由于盾构施工现场环境恶劣，并且管片和盾构之间夹杂着许多电线，因此距离测量的最佳方式为非接触式测量.目前对于0.1～10m范围内的非接触式测量方法主要有激光测距法和超声测距法，其中激光测距法精度高、测点小，更符合本系统的要求.激光测距通常有脉冲法和相位法测距2种，都是通过直接或间接地测定激光在被测距离上往返所需的时间来计算距离［4］.计算公式如下：

式中：D为距离；t2D为往返所需的时间；c为激光在空气中的传播速度.

脉冲法精度较低，一般为1～5m；高精度测距基本上采用相位法，即将激光调制成频率为f的交变光，该交变光经被测目标反射后由光电探测器接收，通过测定调制光电信号经过所测距离D而产生的相位Φ来间接推算信号传输的时间t2D，从而求得所测距离.计算公式如下：

图3 相位法原理图Fig.3 Principle diagram of phase method

图3为相位法原理图［5］.A为调制光波的发射点，B为安置反射器的点，A′表示所发出的调制光波经反射器反射后的接收点.实际上，A点就是测距仪中光波的发射点，A′点就是测距仪中光波的接收点，A—A′两点间的距离就是光波所走过的路程，它等于待测距离的2倍.图中相位Φ实际上代表了光波走过往返距离时所需要的时间.

当用较短波长的光波测量时，存在以下关系式

式中：N为波动次数，取值为零或者正整数；Δφ为不足整周期的相位位数.

将式（2）和式（3）联立，推导可得

式中：λ为激光在空气中的波长.

这样，通过测定调制波在往返距离上所经过的半波个数N及不足半波长的尾数ΔN就可计算出距离D.

本系统根据盾构施工现场的条件限制和高精度要求，采用DIMETIX公司生产的型号为DLS-B的激光测距仪.该测距仪是当前最先进的经济型在线位置检测系统之一，具有体积小、质量轻、灵敏度高等优点，即使在不加反射靶的情况下，也可达到很远的检测距离，最高精度达1.5 mm.图4为DLS-B型激光测距仪的标准应用.

图4 DLS-B型激光测距仪的标准应用Fig.4 Standard application of laser range finder of type DLS-B

2.2 旋转控制台

需要采集的数据点分布于管片的内表面上，激光测距仪虽然可满足点对点之间的距离测量，但无法自行进行周向运动.为使激光测距仪能够获取管片圆周上的数据，需借助于能够实现圆周运动的旋转控制台，通过将激光测距仪安装在上面，实现激光测距仪的周向转动.本系统选用北京卓立汉光仪器有限公司生产的RAK100型旋转控制台，实现了激光测距仪的转动，并保证旋转中相邻2个测量点的夹角为固定值.图5为RAK100型旋转控制台.

2.3 倾角传感器

在每次测量开始前，都需要设立1个初始参考基准.旋转控制台作为激光测距仪的载体，虽然满足了测距仪旋转控制的要求，但是没有零位控制，因此还需要增加初始水平零位的控制设备，以保证每次开始测量均是从初始参考基准开始.经过市场调研和多方比较，最终选择ZCT100CL-485DGJ倾角传感器作为初始零位控制设备，将其和旋转控制台、激光测距仪刚性固定在一起来检测管片中心测量装置的初始位置，只有当整套装置到达初始校验位置时，测量过程才开始.

图5 RAK100型旋转控制台Fig.5 Rotary console of type RAK100

2.4 控制系统

图6 可编程控制系统的基本组成Fig.6 Basic composition of programmable control system

为了实现管片中心检测装置的自动控制，即操作人员无需下井便可以在地面上通过上位机进行远程操作和控制，控制系统采用可编程控制器.可编程控制器是1台用于控制的专用计算机，基本结构主要是根据过程控制的要求而设计的，主要特点是与控制对象有较强的接口能力.可编程控制系统的基本组成如图6所示.

本系统中可编程控制器的主要功能包括：接受上位机的测量指令、整套装备的初始校验、测量启动、接收激光测距仪的数据、完成测量过程后的复位.经过市场调研，最终决定采用OMRON-CP1L可编程控制器.

2.5 通讯系统

为了提高测量精度，简化系统结构，激光测距仪、旋转控制台的驱动控制器、倾角传感器均采用计算机串行通信方式进行信息传输，并组成1个工控网络.通讯系统如图7所示.在网络中，采用主从式通信方式以防止通信冲突的发生.由于所有装置间的数据均由可编程控制器进行组织中转，因此将可编程控制器作为通信的主控器，其他均为通信从站，通过对主控器的应答传递所需的数据.

可编程控制器和上位计算机的通信采用无线方式，即在上位机和网络总线间加入1对无线通信器.由于可编程控制器和上位机都具有网络通信的功能，因此这对通信器选用透明方式即可.本系统采用台湾赫立讯科技股份有限公司生产的IP-LINK2220无线通讯器，可实现距离几十米内的信息传输.

图7 通讯系统示意图Fig.7 Schematic diagram of communication system

3 管片中心测量装置的安装与操作

管片中心测量装置组装图如图8所示.首先将倾角传感器安装在激光测距仪的侧面；然后将二者固定在旋转控制台上，并可随控制台一起旋转；最后将上述设备与可编程控制器相连接，以实现数据的通讯.

管片中心测量装置组装完成后，要实现对最后一环管片的测量，必须为管片中心测量装置寻找合适的安装位置.根据盾构结构以及盾构与管片之间的位置关系，决定将管片中心测量装置安装在螺旋输送机末端的顶部.管片中心测量装置的安装位置如图9所示.

管片中心测量装置安装完毕后，就可进行管片中心的测量.测量流程图如图10所示.该过程可描述如下：

（1）当盾构开挖完1环的距离后，管片拼装机开始进行隧道管片的拼装.管片拼装完成后，由上位机的操作人员发出指令，并通过无线网络传输给可编程控制器.

（2）可编程控制器接收到上位机发来的指令后开始进行检测.首先根据倾角传感器确定零位；其次旋转控制台开始旋转，并带动激光测距仪随之转动，同时激光测距仪发射接收激光，并将采集到的数据保存到可编程控制器中.

（3）采集到的数据通过可编程控制器和上位机之间的无线网络传输至上位机中，再由上位机通过MATLAB等软件进行数据的处理，拟合管片的中心.

（4）将管片中心测量装置获得的管片中心坐标和全站仪获得盾构中心坐标连接在一起，即可得到盾构当前的姿态信息.

（5）用户可根据需要生成相应的报表，并进行打印，满足办公的需要.

图8 管片中心测量装置组装图Fig.8 Assembly diagram of surveying device of segment center

图9 管片中心测量装置安装位置Fig.9 Installation position of surveying device of segment center

图10 测量流程图Fig.10 Flowchart of survey

4 结论

针对当前盾构姿态测量方法存在的不足，本文提出以盾构中心和管片中心的连线来定义盾构姿态的新方法.利用全站仪来测量盾构中心，具有操作简单、精度高等优点.为了实现管片中心的测量，设计了由激光测距仪、旋转控制台、倾角传感器、控制系统、通讯系统组成的管片中心测量装置，采用周向扫描的方式，实现了管片中心的测量.该方法考虑盾构、隧道和管片三者之间的联系，比传统的单纯测量盾构本身来确定盾构姿态的方法更加合理，具有一定的应用价值.

［1］王铁生，马开锋，张冰.盾构隧道导向系统的设计与开发［J］.铁道建筑，2008（9）：56-58.WANG Tiesheng，MA Kaifeng，ZHANG Bing.Design and development of guiding system for shield tunnel［J］.Railway Engineering，2008（9）：56-58.

［2］唐争气，赵俊三，彭国新.盾构机实时姿态测量和计算方法的研究［J］.土木工程学报，2007，40（11）：92-97.TANG Zhengqi，ZHAO Junsan，PENG Guoxin.Measurement and calculation method for real-time attitude of tunnel boring machine［J］.China Civil Engineering Journal，2007，40（11）：92-97.

［3］潘国荣，王穗辉，陈传林，等.盾构姿态自动测量系统的开发与应用［J］.同济大学学报：自然科学版，2010，38（3）：459-463.PAN Guorong，WANG Suihui，CHEN Chuanlin，et al.Development and application of automatic surveying system in shield tunneling［J］.Journal of Tongji University：Natural Science，2010，38（3）：459-463.

［4］张广军.光电测试技术［M］.北京：中国计量出版社，2003.ZHANG Guangjun.Optical measurement techniques［M］.Beijing：China Metrology Publishing House，2003.

［5］中国矿业学院矿山测量教研室.激光测距仪［M］.北京：煤炭工业出版社，1980.Department of Mine Surveying in China Mining University.Laser range finder［M］.Beijing：China Coal Industry Publishing House，1980.