摘要: 以德國VMT公司的單圓盾構(gòu)機為例，介紹盾構(gòu)機和激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成，探討激光導(dǎo)向系統(tǒng)的工作原理。重點揭示激光導(dǎo)向系統(tǒng)的測繪學(xué)原理。總結(jié)提高激光導(dǎo)向系統(tǒng)測量精度應(yīng)采取的措施。

關(guān)鍵詞:隧道施工；盾構(gòu)機；地鐵；控制測量；導(dǎo)向系統(tǒng)；姿態(tài)解算；修正曲線

Abstract：Based on the sample of single-circle TBM made in Germany VMT Co.， the components of TBM and the Laser Navigation System are described， and the principles of the Automatic Laser Navigation System， especially in terms of Surveying Science， are discussed. Finally， the measures to improve the surveying precision of the Navigation System are summarized.

Keywords: tunnel construction; TBM; Metro; control survey; navigation system; positioning; correction curve 0 引言： 20世紀70年代以來，盾構(gòu)掘進機施工技術(shù)有了新的飛躍。伴隨著激光、計算機以及自動控制等技術(shù)的發(fā)展成熟，激光導(dǎo)向系統(tǒng)在盾構(gòu)機中逐漸得到成功運用、發(fā)展和完善。激光導(dǎo)向系統(tǒng)，使得盾構(gòu)法施工極大地提高了準(zhǔn)確性、可靠性和自動化程度，從而被廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、市政、油氣等專業(yè)領(lǐng)域。 全面理解激光導(dǎo)向系統(tǒng)的原理，有助于工程技術(shù)人員在地鐵的盾構(gòu)施工中及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，保證隧道的正確掘進和最后貫通；有助于國產(chǎn)盾構(gòu)機研制工作的開展。 1 盾構(gòu)機和激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成 1.1 盾構(gòu)機的組成 盾構(gòu)機按推力方式可分為網(wǎng)格式、壓氣式、插板式以及土壓式和水壓式；按形狀劃分，除典型的矩形、單圓筒形外，近年來又出現(xiàn)了雙圓、三圓及多圓等異構(gòu)形。它們的組成有一定差異。其中，土壓式單圓盾構(gòu)機在我國應(yīng)用比較普遍。它主要由盾體（含刀盤等）、管片拼裝機、排土機構(gòu)、后配套設(shè)備、電氣設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、SLS-T激光導(dǎo)向系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備組成。 1.2 激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成 激光導(dǎo)向系統(tǒng)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(dǎo)盾構(gòu)隧道施工的有機體系。其組成(見圖1：激光全站儀（激光發(fā)射源和角度、距離及坐標(biāo)量測設(shè)備）和黃盒子（信號傳輸和供電裝置）；激光接收靶（ELS Target，內(nèi)置光柵和兩把豎向測角儀）、棱鏡（ELS Prism）和定向點（Reference Target）；盾構(gòu)機主控室（TBM Control Cabin）：由程控計算機（預(yù)裝隧道掘進軟件，具有顯示和操作面板）、控制盒、網(wǎng)絡(luò)傳輸Modem和可編程邏輯控制器（PLC）四部分組成；油缸桿伸長量測量（Extension Measurement）裝置等。其中，隧道掘進軟件是盾構(gòu)機激光導(dǎo)向系統(tǒng)的核心。

從盾構(gòu)施工基本過程（圖3）可以看出，激光導(dǎo)向系統(tǒng)不能夠獨立完成導(dǎo)向任務(wù)，在盾構(gòu)機始發(fā)、該系統(tǒng)啟用之前，還需要做一些輔助工作：首先，激光全站儀首次設(shè)站點及其定向點坐標(biāo)，需用人工測定。其次必須使用人工測量的方法，對盾構(gòu)機姿態(tài)初值進行精確測定，以便于對激光導(dǎo)向系統(tǒng)中有關(guān)初始參數(shù)（如激光標(biāo)靶上棱鏡的坐標(biāo)，內(nèi)部的光柵初始位置及兩豎角測量儀初值等）進行配置。 盾構(gòu)機姿態(tài)是指盾構(gòu)機前端刀盤中心（以下簡稱“刀頭”）三維坐標(biāo)和盾構(gòu)機筒體中心軸線在三個相互垂直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角等參數(shù)。盾構(gòu)機姿態(tài)除了可以通過人工測量、單獨解算方式獲得外，還可以由導(dǎo)向系統(tǒng)實時、自動地獲取。用人工測量方式獲得盾構(gòu)機姿態(tài)的過程，被稱作“盾構(gòu)機控制測量”。盾構(gòu)機控制測量的另一個作用是：在盾構(gòu)機掘進過程的間隙，對激光導(dǎo)向系統(tǒng)采集的盾構(gòu)機姿態(tài)參數(shù)進行檢核，對激光導(dǎo)向系統(tǒng)中有關(guān)配置參數(shù)進行校正。 3 盾構(gòu)機激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理： 3.1盾構(gòu)機激光導(dǎo)向系統(tǒng)涉及的坐標(biāo)系 為了闡明激光導(dǎo)向系統(tǒng)的原理，首先介紹一些與盾構(gòu)機及隧道有關(guān)的坐標(biāo)系（見圖4）： (1) 地面直角坐標(biāo)系（O-XYZ）：簡稱地面坐標(biāo)系，根據(jù)隧道中線設(shè)計而定，一般為地方坐標(biāo)系。洞內(nèi)(外)控制點、測站點、后視點以及隧道中線坐標(biāo)，均用該系坐標(biāo)表示。 (2) 盾構(gòu)機坐標(biāo)系（F-xyz）：在盾構(gòu)機水平放置且未發(fā)生旋轉(zhuǎn)的情況下，以盾構(gòu)機刀頭中心前端切點為原點，以盾構(gòu)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為z軸， y軸沿水平方向與x、z軸構(gòu)成左手系。盾構(gòu)機坐標(biāo)系是連同盾構(gòu)機一起運動的獨立直角坐標(biāo)系。盾構(gòu)機尾部中心參考點、盾構(gòu)機棱鏡等相對盾構(gòu)機的位置都以此系坐標(biāo)表示，這些坐標(biāo)由盾構(gòu)機制造商測定并給出 。 (3) 棱鏡中心坐標(biāo)系（P-x’y’z’）： 原點為安裝在盾構(gòu)機尾部的棱鏡的中心，與盾構(gòu)機坐標(biāo)系平行。 除此之外，為了解算還引入了其他一些空間輔助坐標(biāo)系，從略。

3.3.3刀頭、盾尾里程及盾構(gòu)機與隧道中線相對偏差的解算： 根據(jù)解出的刀頭、盾尾地面坐標(biāo)和隧道中心軸線設(shè)計參數(shù)，計算刀頭、盾尾里程（難點是刀頭和盾尾位于隧道中線緩和曲線段的情形，解法可