盾构自动导向系统的研究与实现

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1.1 课题的提出
1.1.1 课题的来源与背景
绪
论
本课题的研究来源于国家 863 计划项目――盾构隧道掘进施工辅助系统和 导向技术研究及示范应用（ 2003AA420130 ） 。 盾构是一个既可以支承地层压力又可以在地层中推进的活动钢筒结构。盾 构的前端设有支撑和开挖岩土的装置 , 盾构的中段设有顶进所需的千斤顶 , 盾构 尾部拼装预制的管片或现浇挤压混凝土衬砌环。 隧道盾构法施工是以盾构在地下暗挖隧道的一种施工方法。与传统地铁施 工方法 ( 如明挖法、盖挖法、浅埋暗挖法等 ) 相比较 , 盾构法的优点是安全、高速、 不影响地面交通、不受气候条件影响和适用于各种不同软硬程度的含水和不含 水的地层 ( 盾构可按不同地质、水文地质条件进行有针对性的专门设计 ), 它是加 速发展城市地下铁道的有效手段。 随着国家基础建设的大规模展开，城市地铁隧道工程将大量增加。此外 , 国家的重点建设项目如南水北调及西气东输工程 [1] 都涉及到穿越江河的问题 , 其中一些区段将可能需要进行过江隧道施工。 因此 , 隧道施工技术在我国的发展 前景非常广阔。目前在我国隧道施工中 , 盾构法已经普及开来，成为隧道施工的 主要方法。 常用盾构有土压平衡式盾构（图 1.1 ）和泥水加压式盾构（图 1.2 ）两种 [2] 。 泥水加压式盾构与土压平衡式盾构在维持开挖面稳定性方面机理稍有不同，主 要区别在于其控制开挖面的压力时分别采用了泥浆和流塑性土体。
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华中科技大学 硕士学位论文 盾构自动导向系统的研究与实现 姓名：潘明华 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：朱国力 20050507
摘
要
在国家 863 计划项目“盾构隧道掘进施工辅助系统和导向技术研究及示范 应用”的资助下，本文研究了盾构自动导向系统中的关键技术。主要工作和研 究内容如下。 通过对盾构施工技术的研究，明确了测量工作的主要任务，分析了国内盾 构施工测量的现状，说明了自行研制开发盾构自动导向系统的重要性。 研究了隧道施工测量的基本原理。通过对国外不同的盾构自动测量方法的 比较，从盾构施工质量控制的目标以及控制的精度要求出发，确定了自动测量 的硬件组成以及工作流程。 研究了盾构掘进偏差量测量的实现方法。全站仪和激光标靶相结合进行盾 构的切口坐标和姿态的测量，然后根据盾构铰接油缸的长度和其它的机械参数 推导出盾尾的坐标和姿态。根据隧道设计轴线数据以及由测量得到的盾构切口 坐标求得此时盾构切口和盾尾中心的位置误差。 研究了全站仪的自动控制技术。系统的主要功能如定位、测量等都是通过 对全站仪的远程控制实现的。利用全站仪厂商提供的驱动程序，系统计算机通 过串口发送命令给全站仪，实现各种控制操作。 分析了系统的误差以及产生误差的原因。根据各种直接测量量的精度推导 出了最终测量结果量的精度，确保了自动导向系统的测量精度达到实际施工的 技术指标要求。 研究成果已经成功应用于上海市地铁 2 号线西延伸工程中，大大提高了盾 构施工测量的工作效率和质量。
关键词 ：盾构
隧道测量
自动导向系统
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Abstract
The task is from the National 863 project -- the Research and the Demonstrating Application of the Tunnel Boring Machine's (TBM) Assistant System and Guidance Technology. The research in this article are some of the main technology about guidance system of TBM. The details are as following: The main task of guidance system was researched after we discussed the actuality of tunnel measure . Than we knew the importance of developing the TBM’s guidance system. The basic knowledge about TBM and theory of tunnel measurement were researched. After we compared some type of guidance systems ,we choosed method of our guidance system. The main technique of guidance system is how to measure the position and pose of TBM. By comparing the results of measurement with values of DTA ( Designed Tunnel Axis ), we can find the position offset and angle offset of TBM. We expounded some problems about how to attain the position and pose of TBM and how to compare the values with DTA. How to control the theodolite with computer is very important in the system. We discuss this problem and bring forward a plan to deal with it. It is integrant to analyse the precision of equipments and arithmetic than we can insure that the precision can be accept. We discussed some factors which affect the precision of guidance system. This guidance system has been successfully applied in the project of Shanghai, which has greatly increased the efficiency and the project’s quality.
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图 1.1 土压平衡式盾构构成
图 1.2
泥水加压式盾构
由图 1.1 和 1.2 可以看出，盾构钢壳组成基本可以分为切口环、支承环、
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盾尾三大部分，其它部件都附着安装在上面。在此对几个盾构专用部件加以说 明： a) 装在切口环前端的刀盘：刀盘是用来切削岩层或土层，为盾构前进打开 通道的装置。刀盘上有许多通孔，作用是使压力舱内的泥土压力或者泥水压力 与作用在开挖面上的土压力和水压力保持平衡。土压平衡式盾构开挖原理如图 1.3 ，泥水加压式盾构开挖原理如图 1.4 。
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中科技大学与上海隧道工程有限公司合作开发具有自主知识产权的盾构自动 导向系统。
1.2 盾构自动导向系统的发展概况
1.2.1 盾构掘进导向系统的国内外研究现状 目前国内盾构施工中普遍还是采用人工测量来控制盾构的方向。施工人员 在盾构内安装固定的前标和靠重力悬垂的后标，以及两个倾角仪，利用全站仪 对前标和后标进行定位测量（如图 1.7 ） ，通过计算可以得到盾构的水平方位， 同时通过倾角仪得到盾构的滚角和坡度角，然后再结合前标后标在盾构内的安 装尺寸，就能够计算出盾构此时的切口中心坐标和盾尾中心坐标，将坐标值带 入隧道设计轴线的算法公式中，可以推算出盾构的推进里程、切平、切高、尾 平、尾高。这种测量方法耗时耗力，测量时盾构必须停止掘进，严重影响工作 效率，而且测量结果依赖测量人员的业务素质，难以得到保障。
图 1.5 铰接装置
图 1.6 有铰接油缸的盾构示意 c) 推进千斤顶：如图 1.6 中所示，推进千斤顶 [28] 是用来提供盾构前进的动 力的装置。推进千斤顶安装在支承环内，大体等距离分布。推进千斤顶推力作 用于管片，依靠管片反力推进盾构。推进千斤顶的推力不同，可以改变总推力 的矢量方向，从而控制盾构的推进方向。
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d) 螺旋排土器：如图 1.1 中所示，螺旋排土器是用来把刀盘切削下来的泥 土传送到传送带的装置。 城市地铁隧道的施工控制指标中，对盾构的贯通精度要求非常高，特别是 在两台盾构对开挖掘的隧道工程中，如果贯通精度超过控制范围，就会导致隧 道管线无法完成对接。同时，在地质条件变化较大的地层内施工，必须使盾构 严格按照设计图纸规定的前进方向掘进，才能避开不利的地质环境。只有在盾 构掘进的过程中，随时测量盾构的前进方向，才能确保工程施工的安全、质量、 效率。所以盾构法施工中的测量工作 , 是一项重要的保障工作。 1.1.2 研究课题的提出 盾构机是通过控制推进千斤顶伸长量来控制前进方向的 [21][23] ， 要准确的控 制推进千斤顶，需要获得及时准确的施工测量信息，即盾构的掘进偏差量、偏 差的方向等。这样才能对推进千斤顶作针对性的控制操作。 我国目前的盾构法地下铁道施工大多采用人工测量的方法，盾构停止推进 开始拼装水泥管片的时候才能进行测量。这样的方法不能保证测量的实时性， 不利于精确控制盾构机的前进线路。 随着自动化技术的发展，各种新型的高精度自动化测量仪器以及高精度传 感器的出现，使得盾构施工测量的自动化成为可能。自动导向系统，就是一种 集测量、仪器仪表和计算机软硬件技术于一体，具有对盾构掘进姿态进行动态 测量功能的系统。硬件负责获得数据，与之配套的软件则负责处理数据，并反 馈给控制人员，使之对即时信息做出相应反应，从而控制盾构的前进方向。 现代化的盾构机自动导向系统则可以在盾构推进的过程中实时测量，并把 信息及时反馈给工作人员。这不但减轻了工人劳动强度，并且由于检测的实时 性，随时都可以检查挖掘点位置和姿态，很好的提高了控制的精确性。与普通 盾构相比，配置自动导向系统的现代化盾构具有明显的优势。 目前我们国家还没有自己的盾构自动导向系统，主要还是采用人工测量的 方法。为提高盾构的工作效率 , 国家 863 计划立项研究盾构自动导向技术，由华
图 1.3 土压平衡式开挖原理
图 1.4
泥水加压式开挖原理
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b) 铰接装置：如图 1.5 ，铰接装置是一种有效的辅助手段，与楔形管片、仿 形刀 ( 或超挖刀 ) 的超挖、曲线内外侧推进千斤顶的推力不同等配合在一起使用， 使盾构在曲线段施工时转弯更加灵活方便，可以明显的改善小半径施工质量
[3]
。有铰接油缸的盾构示意图如图 1.6 所示。
图 1.7 人工测量盾构位置 国外很早就开始研究盾构的自动测量导向系统，到目前为止共有几个不同 的研究方向，如陀螺仪导向系统、全站仪与激光标靶导向系统、多棱镜测量法 导向系统等。下面一一进行介绍。 a) 陀螺仪导向系统 [4] ： 日本的 GYRO 系统运用陀螺仪对盾构掘进机进行方位检测， 能自动测量方 位角和倾斜角。与掘进机的姿势管理软件连接可较好地实现盾构掘进机的施工
Key words: TBM
tunnel measurement
automatic guidance sys来自百度文库em
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独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。