盾构姿态实时监控原理与方法

盾构姿态实时监控原理与方法

摘要:本文着重介绍盾构姿态自动监测与控制的原理与方法，并对系统软、硬件组成及运行界面进行简略说明。

关键词：盾构姿态自动监控

1引言

盾构姿态的良好保持是盾构法施工的重要控制目标，它直接关系到隧道质量与施工成败，如何实现高水平的盾构姿态实时监控一直是盾构施工人员关心的工程难题，盾构姿态实时监控技术的重要性不言而喻。

完整的盾构姿态实时监控系统包括盾构姿态偏差自动监测和自动控制两方面内容。国内使用的盾构姿态监测系统多为国外产品，主要有德国VMT公司的SLS-T系统、英国的ZED系统和日本TOKIMEC的TMG-32B（陀螺仪）系统等，许多地方还在使用人工测量；国内使用的盾构姿态控制系统大多取之于国外盾构生产厂家成套盾构产品中提供的控制功能(注：目前国内也有较成熟的盾构引导控制系统，如我公司使用的上海米度与上海力信两家公司研制生产盾构导向、顶管导向系统、隧道精灵软件等均已较成熟，本人现在使用中，欢迎探讨交流)。由于盾构控制系统富含PLC可编程控制器控制代码及上位控制计算机控制程序，又与具体的控制器件和动力设备的关系极为密切，因而具有一定的技术含量和非标准性。

国外有全自动盾构的研究，但少有成功应用的实例。在科学技术突飞猛进的今天，研究先进、自主的盾构姿态实时监控技术，建立盾构姿态实时监控理论、方法，对改善盾构施工水平有着深刻的现实意义。介绍盾构姿态自动监测与控制的原理与方法。

2盾构姿态监测系统原理

根据公路、轨道交通设计规范，公路、轨道交通的设计路线由平曲线和竖曲线组成，平曲线一般包括直线、缓曲线、圆曲线三种，竖曲线一般包括直线、圆曲线（凸曲线、凹曲线）两种。盾构根据公路、地铁隧道设计路线向前推进，盾

构姿态通过盾构机轴线和设计路线的偏差比较而求得。

实现盾构姿态自动监测仍基于传统的连续支导线测量方法(洞内洞外,洞内主要就是管片的封顶块上吊篮和…此方法已于2008年9月被上海某公司申请注册专利成功…)。在盾构推进之前必须对盾构机进行初始测量，取得盾构机的初始参数。具体方法为：工程测量人员在盾构机体内预设定三个固定目标点P1、P2、P3，此三点必须保证稳固（建议多增设1、2个点备用），同时，在同一坐标系中，确定盾构机特征点坐标，一般取盾构切口中心P01和盾尾中心P02，对上述五点进行初始测量，必须高度精确并保留测量结果。O 1

盾构姿态测量示意图

（X，Y，Z）

（X，Y，Z）O 固定的螺杆

坐标圆点（前参考点）

B

C A 盾尾后参考点

（X，Y，Z）需要说明的是，由于盾构机切口中心和盾尾中心是刚性物体上的虚点，要测定其坐标，可先对盾构机切口和盾尾圆环设点测量，然后运用专用软件（……）计算，求得盾构机切口中心和盾尾中心在初始姿态的坐标值。当盾构初始测量完毕进入推进后，运用程控测量技术，在工程坐标系中对三个预设定固定目标点进行连续、跟踪测量，取得三个固定目标点坐标的实时测量值。根据实时测量值，采用刚性空间特征点定位计算技术，求得盾构机盾构切口中心和盾尾中心的实际坐标，并采用设计线型空间微分直线变换的计算方法，得出盾构推进过程中的姿态偏差数据结果。（此过程盾构姿态控制系统大多取之于国外盾构生产厂家成套盾构产品中提供的控制功能）

3盾构姿态控制系统原理

实现盾构姿态实时控制采用经典的负反馈控制系统，其机理是根据盾构的实

时姿态偏差数据和相关参数，求解盾构姿态控制方程，得出盾构推进油缸的编组和控制数据，实施纠偏推进，并根据监测所得新的姿态偏差数据计算下一次推进油缸的编组和控制数据，如此循环，最终实现盾构姿态的实时控制。

4盾构姿态偏差参数的求解

4．1刚性空间特征点定位计算技术

4．1．1问题的提出

已知刚性空间任意三点P1、P2、P3的坐标（条件：不重叠，不在同一直线上）和任一特征点P0的坐标，当P1、P2、P3三点保持刚性不变的条件下，转换到对应三点PP1、PP2、PP3的新坐标后，如何确定PP0的新坐标？

4．1．2计算原理与数值分析

刚性空间任意三点P1、P2、P3（条件：三点不重叠，不在同一直线上）构成的向量空间可以充分确定该刚性空间中的任一特征点P0。P1、P2、P3三点及特征点P0在保持刚性不变条件下，转换到对应点PP1、PP2、PP3和PP0的新坐标，由于前提确保空间刚性，PP1、PP2、PP3三点构成的向量空间完全等同于P1、P2、P3三点构成的向量空间。在P1、P2、P3三点保持刚性不变的情况下求解PP0的计算结果完全准确；在刚性失效的情况下，PP0的坐标中将包含一定的刚性变异量，其变异程度跟刚性失效程度呈正比。在刚性轻微失效的条件下，同样能高精度提供PP0坐标的特性满足了工程施工测量中的实际要求。

在实际测量中，当刚性基本不变但测点有偏差的情况下，例如，当测得PP1点正好沿PP2-PP3线有旋转时，PP1点坐标值有误差，但刚性没有变异，此时测点偏差会传递到特征点PP0，其偏差放大程度与PP0点到平面PP1-PP2-PP3的距离有关，距离越大偏差放大越大，距离越小偏差放大越小。

4．2盾构姿态偏差参数计算方法

4．2．1切口中心水平偏差及垂直偏差、盾尾中心水平偏差和垂直偏差、切口中心里程的计算

根据设计路线提供的线型函数，按里程进行微分取值，生成设计线型微分直线线段的端点坐标和里程集，应用数据库技术，不难可以生成微分线段数据库。需要说明的是，通过调节微分参数，可以确保函数微分变换后的计算精度，在一般情况下，隧道工程管片宽度大于1米，微分线段取0.5米足够保证精度需要。

基于微分直线段的盾构切口中心姿态偏差计算方法：由盾构头尾中心的实际坐标值，不难得出盾构机切口平面方程，对微分直线段库进行检索计算，可求得穿过盾构切口平面的直线段及交点坐标，该交点与盾构切口中心的水平和垂直距离即为切口中心水平偏差及垂直偏差，该交点至微分线段起点距离加上微分线段起点里程即为盾构切口中心里程。

盾构盾尾中心姿态偏差计算方法与盾构切口中心相同。

由于设计线型空间微分直线变换，可以改变原隧道设计路线由平曲线和竖曲线结合表达的单一办法，也可以改变设计线型函数局限于公路、轨道交通路线设计规定曲线类型的弊端。通过采用统一的空间微分直线段表达，将大大方便盾构姿态的空间解析并满足不同设计线型的要求。

4．2．2盾构水平方向偏差角、纵向坡度偏差、横向自转角的计算。

盾构水平方向偏差角、纵向坡度偏差根据盾构头尾中心水平、垂直偏差值和盾构长度参数可直接求得。

横向自转角计算需要设置辅助向量。在盾构机初始设定P1、P2、P3三点时，取盾尾中心点P02垂直线上部某点为参考点，从P02指向该点即得一初始向量。在盾构推进时，此向量一直变化并得到新的当前向量，盾构坡度同时也一直在变化。对初始向量在纵面作坡度调整，求解当前向量与此向量的夹角即为盾构横向自转角。

5盾构姿态控制方程的求解

5．1求解原则和策略

盾构姿态的控制方程是一个多变量的复杂计算系统。求解原则是最大程度保证盾构姿态控制有效性和计算简单化；采取的求解策略是首先建立主要相关变量的核心函数关系，其它变量按相关性影响大小对核心函数进行修正，最后形成完整的求解结果。对实践中取得的可靠经验数据以数据表的形式直接表达函数关系。

5．2核心函数关系的确立

盾构姿态是系统控制的最终目标，因而盾构姿态的实时偏差数据是主要相关变量。

5．2．1纠偏力轴的计算

盾构偏差平面分成四个象限，参考纠偏力轴示意图（图略）。