淺談VMT自動導向系統在TBM隧洞施工中的應用

摘 要：隧洞掘進機（TBM）施工過程中的導航系統（VMT自動導向系統）相比較一些傳統隧洞測量，采用無線數據傳輸工程，方便、快捷的將TBM掘進動態以圖形和文字的形式直接計算機顯示器上，指導TBM操作手進行掘進操作，本文主要對VMT自動導向系統的工作原理、硬件與軟件組成、導向系統的操作應用及特點進行了簡要闡述。

關鍵詞：TBM；VMT導向系統；測量；掘進控制

盾構法施工以其高效、安全、環保等諸多優點目前廣泛的應用在鐵路、公路、地鐵、水電等地下隧道工程施工中，工程機械化施工技術水平的日益提高，隧洞掘進機市場正在迅速擴大，其中隧洞掘進機（TBM）作為主力軍大量投入到隧洞施工中，作為與之配套的重要輔助系統自動化導向系統，以其更先進的技術得到了廣泛的應用。通過在厄瓜多爾科卡科多辛克萊爾（CCS）水電站項目引水隧洞施工中的實踐，介紹從德國引進的VMT自動導向系統的應用。

1 工程概況

科卡科多辛克萊爾（CCS） 水電站位于厄瓜多爾東北部，從首都基多到工程首部約三個小時的行程。電站主要建筑物，首部樞紐由擋水壩、溢洪道、攔污柵、沉沙池、排沙閘和與引水隧洞相連的虹吸管組成；引水隧洞挖掘長度24.8公里，最大開挖直徑9.15米，全部由混凝土管片襯砌；調節水庫主要有一座面板堆石壩和溢洪道工程；壓力管道，有兩條從水庫到廠房的混凝土壓力管道長1400米，內徑5.80米，在其末端400米用鋼管襯砌，內徑5.20米；地下廠房寬26米、高50米、長192米；地下主變室寬16.5米、高33米、長192米；采購、安裝8臺，單機容量18.75萬千瓦的機組。

引水隧洞采用從德國引進的雙護盾掘進機（TBM）施工，隧洞施工中的導向系統采用的是VMT自動導航系統來控制掘進方向。

2 隧道掘進機（TBM）VMT激光導向系統工作原理

2.1 VMT導向系統實施目的

在隧洞掘進過程中，VMT導向系統對TBM的位置及DTA（隧洞設計軸線）的相對位置關系進行持續的監控測量，避免隧洞掘進機（TBM）發生偏移設計軸線。

2.2 VMT導向系統的坐標系

所有的測量都是基于坐標系統的，在VMT導向系統中用到了三種不同的坐標系統。分別是：大地坐標系統、TBM坐標系統，DTA坐標系統。

1）大地坐標系統。主要包括DTA數據、以及輸入到系統里的TCA，BT坐標。

2）TBM坐標系統。以TBM前點為坐標原點；中心軸線為X軸，掘進方向為正；X軸順時針旋轉90度為Y軸；垂直X軸、Y軸平面為Z軸。

參考點的坐標采用TBM坐標系，在TBM進行組裝的時候進行測定。我們根據參考點在大地坐標系統中的坐標及其TBM坐標確定TBM的實際位置。

3）DTA坐標系統。此坐標系用于確定TBM與隧洞中心的實際相對位置的偏差值，坐標是以水平、垂直偏差和TBM的里程來體現的。下圖為幾種坐標系之間的轉化關系：

利用全站儀發射的導向激光和激光靶單元的角度關系，結合雙軸傾斜儀計算出隧洞掘進機的掘進方向，根據以上三種坐標系統的關系結合實際應用的坐標換算出隧道掘進機與設計軸線的偏差，然后以直觀的圖形姿態反應到計算機顯示器上，指導TBM操作人員進行操作。

2.3 VMT導向系統的組成

（1）導向系統硬件。導向系統是由激光全站儀（TCA）、中央控制箱、激光靶（ALTU）、通訊盒子（RADIO BOX）和中央電腦，其連接示意圖如下：

激光全站儀（TCA）具有自動馬達，能由中央電腦完全操控，可以自動照準目標和跟蹤，并可發射GUS74光束，用來激活激光靶，主要用于后視定位，測量距離、水平角和豎直角，和遠程通訊盒子進行直接連接，并將測量結果通過兩個通訊盒子傳輸到中央電腦。（萊卡TPS1200、TS15G均可使用）

（2）激光靶（ALTU）。激光靶用來確定偏航角、滾動角及俯仰角。入射激光點的X坐標及Y坐標也由激光來測定，通過電纜連接在中央控制箱，另外在VMT導向系統中還配有雙軸傾斜儀，最終可測出TBM的絕對滾動角和絕對俯仰角。

（3）通訊盒子（RADIO BOX）。通訊盒子成對使用，主要功能是進行數據傳輸，一個安裝在全站儀旁（遠程盒子），通過一根四芯電纜將數據傳輸給全站儀，并對全站儀供電。另一個（局部盒子）安裝在TBM上通過一個十芯電纜跟中央控制箱連接傳輸數據，并發送、接收遠程通訊盒子傳輸的數據。

（4）中央控制箱。中央控制箱主要起聯系作用，它向外給通訊盒子提供電源，也給激光靶提供電源。同時它還負責將從激光靶及激光全站儀傳來的數據轉化為電腦能夠處理的數據。同樣電腦給全站儀發出的控制數據也在中央控制箱被轉化為適當的數據形式。

（5）中央電腦。中央電腦通過網線與中央控制箱連接，接收、處理中央控制箱傳來的數據。我們通過對電腦的操作來完成對導向系統的控制，最終的結果會在導向系統的界面上顯示出來。

2.4 VMT自動導向系統的操作運用及主要功能

導向系統的硬件部分連接完畢之后，作為導向系統的核心部分，導向系統的操作運用主要體現在中央電腦預裝的TUNLS軟件。VMT導向系統提供了更簡潔，更實用的軟件，VMT既保留了姿態圖形顯示的簡約風格，圖文并茂，也對頁面布局和功能歸類進行了模板化設計，使用戶能更容易的掌握軟件的使用。

作為隧道掘進的重要輔助軟件，VMT導向系統并不僅僅局限于顯示隧道掘進機姿態這一單一功能，而是在軟件中集成了諸多功能，如：DTA計算、糾偏曲線、歷史記錄查看、管環選型預測、報告輸出等。

2.5 VMT自動導向系統的特點

VMT自動導向系統的特點，也是其相對于其他導向系統的特點是：

適應施工現場的極端環境：激光靶單元內部無任何機械部件，且外殼設計防塵、防水；

所需測量通道小：可以盡可能為機械化施工節約空間，也可以說能最大限度地避免施工過程中人員或機械對測量造成影響；

測量周期短，可以實現連續穩定地計算掘進機姿態：掘進機推進速度有限，每10秒更新一次距離足以滿足精度要求。而掘進機方向的變化則可以通過激光標靶單元不間斷獲得；

精度高、穩定：激光靶單元與掘進機位置關系相對穩定，為獲取穩定準確的掘進機方向提供了保證。

3 結語

VMT自動導向系統作為隧洞掘進機（TBM）的導向服務，猶如人類的眼睛一般，以便在隧洞掘進工作中方便、直觀的發揮其導向作用，從而提高了隧洞測量的作業效率，以及準確性。同時，VMT自動導向系統與傳統的隧洞測量又是密不可分的，基于傳統測量知識基礎之上，結合自動化以及信息化研制而成隧洞導向系統，因而從事VMT自動導向系統的操作人員必須具有一定測繪及系統操作技能。在實際的施工作業中，也發現VMT導向系統工作隨著隧洞工作環境的變化存在諸多不穩定問題，這就需要我們操作人員繼續進行學習研究，導向系統達到最理想的工作狀態。

參考文獻：

[1]張正錄.工程測量學.武漢：武漢大學出版社，2003：2227.

[2]楊國清.控制測量學.黃河水利出版社，2005.

[3]周文波.盾構隧洞施工技術與應用.北京：中國建筑工業出版社，2004：3637.

[4]張國營，傅國利.盾構法施工過程的有限元模擬巖土工程技術，2007：3843.

VMT導向系統TUNLS軟件使用用戶說明書 （2010）

作者簡介：任英豪（1986），河北大名人，助理工程師，主要從事水利水電工程施工。