| 标题 | 浅谈VMT自动导向系统在TBM隧洞施工中的应用 |
| 范文 | 摘 要：隧洞掘进机（TBM）施工过程中的导航系统（VMT自动导向系统）相比较一些传统隧洞测量，采用无线数据传输工程，方便、快捷的将TBM掘进动态以图形和文字的形式直接计算机显示器上，指导TBM操作手进行掘进操作，本文主要对VMT自动导向系统的工作原理、硬件与软件组成、导向系统的操作应用及特点进行了简要阐述。 关键词：TBM；VMT导向系统；测量；掘进控制 盾构法施工以其高效、安全、环保等诸多优点目前广泛的应用在铁路、公路、地铁、水电等地下隧道工程施工中，工程机械化施工技术水平的日益提高，隧洞掘进机市场正在迅速扩大，其中隧洞掘进机（TBM）作为主力军大量投入到隧洞施工中，作为与之配套的重要辅助系统自动化导向系统，以其更先进的技术得到了广泛的应用。通过在厄瓜多尔科卡科多辛克莱尔（CCS）水电站项目引水隧洞施工中的实践，介绍从德国引进的VMT自动导向系统的应用。 1 工程概况 科卡科多辛克莱尔（CCS） 水电站位于厄瓜多尔东北部，从首都基多到工程首部约三个小时的行程。电站主要建筑物，首部枢纽由挡水坝、溢洪道、拦污栅、沉沙池、排沙闸和与引水隧洞相连的虹吸管组成；引水隧洞挖掘长度24.8公里，最大开挖直径9.15米，全部由混凝土管片衬砌；调节水库主要有一座面板堆石坝和溢洪道工程；压力管道，有两条从水库到厂房的混凝土压力管道长1400米，内径5.80米，在其末端400米用钢管衬砌，内径5.20米；地下厂房宽26米、高50米、长192米；地下主变室宽16.5米、高33米、长192米；采购、安装8台，单机容量18.75万千瓦的机组。 引水隧洞采用从德国引进的双护盾掘进机（TBM）施工，隧洞施工中的导向系统采用的是VMT自动导航系统来控制掘进方向。 2 隧道掘进机（TBM）VMT激光导向系统工作原理 2.1 VMT导向系统实施目的 在隧洞掘进过程中，VMT导向系统对TBM的位置及DTA（隧洞设计轴线）的相对位置关系进行持续的监控测量，避免隧洞掘进机（TBM）发生偏移设计轴线。 2.2 VMT导向系统的坐标系 所有的测量都是基于坐标系统的，在VMT导向系统中用到了三种不同的坐标系统。分别是：大地坐标系统、TBM坐标系统，DTA坐标系统。 1）大地坐标系统。主要包括DTA数据、以及输入到系统里的TCA，BT坐标。 2）TBM坐标系统。以TBM前点为坐标原点；中心轴线为X轴，掘进方向为正；X轴顺时针旋转90度为Y轴；垂直X轴、Y轴平面为Z轴。 参考点的坐标采用TBM坐标系，在TBM进行组装的时候进行测定。我们根据参考点在大地坐标系统中的坐标及其TBM坐标确定TBM的实际位置。 3）DTA坐标系统。此坐标系用于确定TBM与隧洞中心的实际相对位置的偏差值，坐标是以水平、垂直偏差和TBM的里程来体现的。下图为几种坐标系之间的转化关系： 利用全站仪发射的导向激光和激光靶单元的角度关系，结合双轴倾斜仪计算出隧洞掘进机的掘进方向，根据以上三种坐标系统的关系结合实际应用的坐标换算出隧道掘进机与设计轴线的偏差，然后以直观的图形姿态反应到计算机显示器上，指导TBM操作人员进行操作。 2.3 VMT导向系统的组成 （1）导向系统硬件。导向系统是由激光全站仪（TCA）、中央控制箱、激光靶（ALTU）、通讯盒子（RADIO BOX）和中央电脑，其连接示意图如下： 激光全站仪（TCA）具有自动马达，能由中央电脑完全操控，可以自动照准目标和跟踪，并可发射GUS74光束，用来激活激光靶，主要用于后视定位，测量距离、水平角和竖直角，和远程通讯盒子进行直接连接，并将测量结果通过两个通讯盒子传输到中央电脑。（莱卡TPS1200、TS15G均可使用） （2）激光靶（ALTU）。激光靶用来确定偏航角、滚动角及俯仰角。入射激光点的X坐标及Y坐标也由激光来测定，通过电缆连接在中央控制箱，另外在VMT导向系统中还配有双轴倾斜仪，最终可测出TBM的绝对滚动角和绝对俯仰角。 （3）通讯盒子（RADIO BOX）。通讯盒子成对使用，主要功能是进行数据传输，一个安装在全站仪旁（远程盒子），通过一根四芯电缆将数据传输给全站仪，并对全站仪供电。另一个（局部盒子）安装在TBM上通过一个十芯电缆跟中央控制箱连接传输数据，并发送、接收远程通讯盒子传输的数据。 （4）中央控制箱。中央控制箱主要起联系作用，它向外给通讯盒子提供电源，也给激光靶提供电源。同时它还负责将从激光靶及激光全站仪传来的数据转化为电脑能够处理的数据。同样电脑给全站仪发出的控制数据也在中央控制箱被转化为适当的数据形式。 （5）中央电脑。中央电脑通过网线与中央控制箱连接，接收、处理中央控制箱传来的数据。我们通过对电脑的操作来完成对导向系统的控制，最终的结果会在导向系统的界面上显示出来。 2.4 VMT自动导向系统的操作运用及主要功能 导向系统的硬件部分连接完毕之后，作为导向系统的核心部分，导向系统的操作运用主要体现在中央电脑预装的TUNLS软件。VMT导向系统提供了更简洁，更实用的软件，VMT既保留了姿态图形显示的简约风格，图文并茂，也对页面布局和功能归类进行了模板化设计，使用户能更容易的掌握软件的使用。 作为隧道掘进的重要辅助软件，VMT导向系统并不仅仅局限于显示隧道掘进机姿态这一单一功能，而是在软件中集成了诸多功能，如：DTA计算、纠偏曲线、历史记录查看、管环选型预测、报告输出等。 2.5 VMT自动导向系统的特点 VMT自动导向系统的特点，也是其相对于其他导向系统的特点是： 适应施工现场的极端环境：激光靶单元内部无任何机械部件，且外壳设计防尘、防水； 所需测量通道小：可以尽可能为机械化施工节约空间，也可以说能最大限度地避免施工过程中人员或机械对测量造成影响； 测量周期短，可以实现连续稳定地计算掘进机姿态：掘进机推进速度有限，每10秒更新一次距离足以满足精度要求。而掘进机方向的变化则可以通过激光标靶单元不间断获得； 精度高、稳定：激光靶单元与掘进机位置关系相对稳定，为获取稳定准确的掘进机方向提供了保证。 3 结语 VMT自动导向系统作为隧洞掘进机（TBM）的导向服务，犹如人类的眼睛一般，以便在隧洞掘进工作中方便、直观的发挥其导向作用，从而提高了隧洞测量的作业效率，以及准确性。同时，VMT自动导向系统与传统的隧洞测量又是密不可分的，基于传统测量知识基础之上，结合自动化以及信息化研制而成隧洞导向系统，因而从事VMT自动导向系统的操作人员必须具有一定测绘及系统操作技能。在实际的施工作业中，也发现VMT导向系统工作随着隧洞工作环境的变化存在诸多不稳定问题，这就需要我们操作人员继续进行学习研究，导向系统达到最理想的工作状态。 参考文献： [1]张正录.工程测量学.武汉：武汉大学出版社，2003：2227. [2]杨国清.控制测量学.黄河水利出版社，2005. [3]周文波.盾构隧洞施工技术与应用.北京：中国建筑工业出版社，2004：3637. [4]張国营，傅国利.盾构法施工过程的有限元模拟岩土工程技术，2007：3843. VMT导向系统TUNLS软件使用用户说明书 （2010） 作者简介：任英豪（1986），河北大名人，助理工程师，主要从事水利水电工程施工。 |
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