20世紀(jì)70年代以來，掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)有了新的飛躍。伴隨著激光、計(jì)算機(jī)以及自動(dòng)控制等技術(shù)的發(fā)展成熟，激光導(dǎo)向系統(tǒng)在掘進(jìn)機(jī)中逐漸得到成功運(yùn)用、發(fā)展和完善。激光導(dǎo)向系統(tǒng)使得掘進(jìn)機(jī)施工極大地提高了準(zhǔn)確性、可靠性和自動(dòng)化程度，從而被廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、水利工程等專業(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)人員在隧洞施工中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，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(jī)研制工作的開展。
1 掘進(jìn)機(jī)和激光導(dǎo)向系統(tǒng)的組成
1.1掘進(jìn)機(jī)的組成
掘進(jìn)機(jī)按護(hù)盾形狀劃分為單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)、雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)以及開敞式掘進(jìn)機(jī)。它們的組成有一定差異。主要由盾體（含刀盤等）、管片拼裝機(jī)、主機(jī)皮帶機(jī)、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(yùn)用測繪技術(shù)、激光傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及機(jī)械電子等技術(shù)指導(dǎo)掘進(jìn)機(jī)隧道施工的有機(jī)體系。隧道掘進(jìn)激光導(dǎo)向系統(tǒng)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(dǎo)向系統(tǒng)電腦。
2 激光導(dǎo)向系統(tǒng)和掘進(jìn)機(jī)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(jī)軸線相對于隧道設(shè)計(jì)軸線的準(zhǔn)確位置，這樣在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，操作者就可以依此來調(diào)整掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的姿態(tài)，使掘進(jìn)機(jī)的軸線接近隧道的設(shè)計(jì)軸線，這樣掘進(jìn)機(jī)軸線和隧道設(shè)計(jì)軸線之間的偏差就可以始終保持在一個(gè)很小的數(shù)值范圍內(nèi)。
2）推進(jìn)一環(huán)結(jié)束后，隧道掘進(jìn)激光導(dǎo)向系統(tǒng)從掘進(jìn)機(jī)PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)獲得推進(jìn)油缸和鉸接油缸的油缸桿伸長量的數(shù)值，并依此計(jì)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(dǎo)向系統(tǒng)電腦的盾尾間隙等因素，計(jì)算并選擇這一環(huán)適合拼裝的管片類型。
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）可以通過標(biāo)準(zhǔn)的隧道設(shè)計(jì)幾何元素計(jì)算出隧道的理論軸線。
5）可以通過調(diào)制解調(diào)器和電話線與地面的一臺(tái)電腦相連，這樣在地面就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)。
從隧洞施工基本過程可以看出（如圖1所示），激光導(dǎo)向系統(tǒng)不能夠獨(dú)立完成導(dǎo)向任務(wù)，在掘進(jìn)機(jī)開始工作、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(diǎn)及其定向點(diǎn)坐標(biāo)，需用人工測定。其次，必須使用人工測量的方法，對掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)初值進(jìn)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)進(jìn)行設(shè)置。
掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)是指掘進(jìn)機(jī)前端刀盤中心（以下簡稱“刀頭”）三維坐標(biāo)和掘進(jìn)機(jī)筒體中心軸線在三個(gè)相互垂直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角等參數(shù)。掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)除了可以通過人工測量、單獨(dú)解算方式獲得外，還可以由導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)時(shí)、自動(dòng)地獲取。用人工測量方式獲得掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)的過程，被稱作“掘進(jìn)機(jī)控制測量”。掘進(jìn)機(jī)控制測量的另一個(gè)作用是：在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程的間隙，對激光導(dǎo)向系統(tǒng)采集的掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢核，對激光導(dǎo)向系統(tǒng)中有關(guān)配置參數(shù)進(jìn)行校正。
3 激光導(dǎo)向坐標(biāo)系統(tǒng)
1）地面直角坐標(biāo)系：簡稱地面坐標(biāo)系，根據(jù)隧道中線設(shè)計(jì)而定，一般為地方坐標(biāo)系。洞內(nèi)（外）控制點(diǎn)、測站點(diǎn)、后視點(diǎn)以及隧道中線坐標(biāo)，DTA的數(shù)據(jù)、激光站支架坐標(biāo)數(shù)據(jù)等均用該坐標(biāo)系表示。
2）掘進(jìn)機(jī)坐標(biāo)系：在掘進(jìn)機(jī)水平放置且未發(fā)生旋轉(zhuǎn)的情況下，以掘進(jìn)機(jī)刀頭中心前端切點(diǎn)為原點(diǎn)，以掘進(jìn)機(jī)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軸，z軸構(gòu)成左手系。掘進(jìn)機(jī)坐標(biāo)系是連同掘進(jìn)機(jī)一起運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立直角坐標(biāo)系。掘進(jìn)機(jī)尾部中心參考點(diǎn)、ELS靶的安裝尺寸等相對掘進(jìn)機(jī)的位置都以此坐標(biāo)系表示，這些坐標(biāo)由掘進(jìn)機(jī)制造商測定并給出。
3）DTA系統(tǒng)：在本系統(tǒng)中顯示TBM前后基準(zhǔn)點(diǎn)的偏離值與里程。
4 激光導(dǎo)向系統(tǒng)原理
激光導(dǎo)向系統(tǒng)在隧洞施工中有指導(dǎo)隧道掘進(jìn)、指導(dǎo)環(huán)片安裝、數(shù)據(jù)采集等多種功能，其中指導(dǎo)掘進(jìn)是核心功能。在地面坐標(biāo)系統(tǒng)確定一個(gè)點(diǎn)（X，Y，Z）來放置激光全站儀，以便確定TBM的位置。然后通過一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)使激光全站儀定向。由系統(tǒng)控制激光全站儀實(shí)時(shí)測定光靶的三維地面坐標(biāo)，同時(shí)激光光束被導(dǎo)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之間的反射角用來確定TBM與DTA之間的偏航角。TBM的滾動(dòng)角及仰俯角通過安裝在ELS內(nèi)部的傾斜計(jì)來確定，大約每秒兩次，ELS將數(shù)據(jù)傳向主控計(jì)算機(jī)。ELS和激光全站儀之間的距離通過激光全站儀內(nèi)置光電測距儀來測定，這個(gè)距離提供了TBM沿DTA的里程。匯總測量的數(shù)據(jù)以便對確定TBM在地面坐標(biāo)系統(tǒng)中的精確位置，通過隧道軸線上的兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)來顯示TBM的位置。利用以上參數(shù)及刀頭、盾尾、棱鏡中心三者的幾何關(guān)系，通過空間坐標(biāo)變換解算刀頭、盾尾中心坐標(biāo)，結(jié)合設(shè)計(jì)隧道中線參數(shù)計(jì)算掘進(jìn)機(jī)與隧道中線的相對偏差。依據(jù)各偏差值擬合改正曲線，由PLC根據(jù)修正曲線控制機(jī)械裝置，調(diào)整各油缸桿在不同時(shí)刻的伸長量。如此反復(fù)，指導(dǎo)掘進(jìn)機(jī)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(jì)算。如果糾偏量不大，可直接把DTA作為計(jì)算弧線。如果糾偏量為幾個(gè)厘米，則需計(jì)算一個(gè)糾偏曲線。糾偏曲線起始于最新拼裝的管環(huán)，經(jīng)過TBM切向返回設(shè)計(jì)軸線。在TBM沿糾偏曲線掘進(jìn)的基礎(chǔ)上計(jì)算出來的油缸的理想行程被傳到TBM計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為取得所需行程所需的壓力。通過這些數(shù)據(jù)可對TBM進(jìn)行全自動(dòng)控制。隨著TBM向前推進(jìn)，及時(shí)對激光站進(jìn)行前移，在SLS-T系統(tǒng)中控制激光站前移通過軟件來引導(dǎo)。為保證不出現(xiàn)任何錯(cuò)誤，移動(dòng)過程中會(huì)自動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測。
6 影響激光導(dǎo)向系統(tǒng)和掘進(jìn)機(jī)控制測量精度的因素
在激光導(dǎo)向系統(tǒng)和掘進(jìn)機(jī)控制測量中，掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)解算的方法有本質(zhì)區(qū)別：激光導(dǎo)向系統(tǒng)，通過直接采集1個(gè)參考點(diǎn)地面坐標(biāo)和3個(gè)轉(zhuǎn)角參數(shù)，正解刀頭、盾尾地面坐標(biāo)；掘進(jìn)機(jī)控制測量是通過采集多個(gè)（至少3個(gè)）參考點(diǎn)地面坐標(biāo)，反解刀頭、盾尾地面坐標(biāo)和3個(gè)轉(zhuǎn)角參數(shù)。因此，從理論上講，后者在掘進(jìn)機(jī)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(jī)控制測量對激光導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)配置和校核的原因。不論是激光導(dǎo)向系統(tǒng)，還是掘進(jìn)機(jī)控制測量，原始依據(jù)都是用支導(dǎo)線形式獲得的測站坐標(biāo)和定向點(diǎn)（后視）坐標(biāo)。對于前者，3個(gè)轉(zhuǎn)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(jī)坐標(biāo)由于在出廠前精確測定，誤差可忽略。因此，激光導(dǎo)向和掘進(jìn)機(jī)控制測量的誤差主要集中在測站點(diǎn)三維坐標(biāo)和后視方向上。
7 激光導(dǎo)向系統(tǒng)的應(yīng)用在隧洞掘進(jìn)中的優(yōu)點(diǎn)
1）體現(xiàn)了激光導(dǎo)向系統(tǒng)的直觀性。通過VMT屏幕能夠直觀的顯示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(zhǔn)確性。通過激光導(dǎo)向系統(tǒng)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掘進(jìn)，及時(shí)糾偏。
3）體現(xiàn)了激光導(dǎo)向系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。在常規(guī)開挖中每爆破一次就必須放樣一次線，標(biāo)定出隧洞掌子面的輪廓線以及中線。而應(yīng)用激光導(dǎo)向系統(tǒng)能夠自動(dòng)測量，指導(dǎo)VMT沿理論軸線掘進(jìn)，各種數(shù)據(jù)可以通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)。
8 結(jié)語
在隧洞施工中，采取以下措施可提高激光導(dǎo)向系統(tǒng)的測量精度：
1）在掘進(jìn)始發(fā)前進(jìn)行控制測量時(shí)，注意觀測參考點(diǎn)的均勻分布、組數(shù)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(jī)初始姿態(tài)參數(shù)，保證激光導(dǎo)向系統(tǒng)正確初始化。
2）向系統(tǒng)正確錄入隧道平曲線、豎曲線參數(shù)。
3）提高地下基本導(dǎo)線的精度，并及時(shí)對激光全站儀設(shè)站點(diǎn)、定向點(diǎn)坐標(biāo)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(jī)上棱鏡最遠(yuǎn)距離，在直線段不應(yīng)超過200m，在曲線段不應(yīng)超過100m。
