长距离和曲线顶管的导向 施工技术

本帖最后由 csccbjs 于 2015-7-16 20:58 编辑

在隧道掘进机的精确导向问题上有几个因素是类似工程所共有的。这些因素包括：客户要求的校准精度；开工前决定挖掘工作面的测量精度；工程开始、建设中、完工以及蠕动测量；设备操作员所使用的临时参照系统；用以设备操作员能够精确定位的参数表示等。
虽然任何的隧道都不可能与设计隧道轴线（DTA）完全一致，我们的目标是尽可能地位偏移量控制在绝对的最小偏移量之内。
尽管在建设中这些因素都是导向系统之外的事，隧道掘进机的蠕动测量还是由许多因素，包括：进行必要的测量所需要的空间；成功完成测量所需要的时间；所需有资格测量人员的来源和经费；掘进机的掘进进度。
过去，临时工作参照系的测量有简单的方法（如用三根线代表直线的方法）和复杂的方法（如用陀螺和惯性系统的方法）。可是，在过去30年里激光一直是最普通最可靠的方法，而且在全球广泛使用。
激光基准点最初是安装在起始工作坑，后来移到隧道上相对稳定的壁或衬板上。它的位置由测量人员决定。激光器发出的可见光束提供主要的参考。光束典型的发射距离是100m~200m，由激光器的功率、隧道条件以及光束所经受的折射量决定。
激光束的投射通过机器中开口（激光窗）以及其他辅助设备到装在掘进机前部的目标靶上。
从激光器到目标靶的有效距离取决于激光窗的大小和隧道的弯曲率。在长距离顶进的条件下，相应的位置已经确定，可是激光并不能到达目标靶上。这时应该把激光前移到一个新位置上。
1 VMT在所有VMT导向系统里，激光是从一个由Leica公司制造的VMT激光经纬仪上发射出来的，经纬仪负责测定光束的方位角和标高。当激光打中ELS目标靶时，精确的光束的中心相对目标靶中心就决定了。同样激光打中ESL靶的水平角也就决定了。安装在ELS靶上是一个双轴倾斜传感器，负责监视ELS靶的倾斜和起伏状况。ELS的前端是一个后向反射的棱镜。从激光参考点位置到ELS靶的距离由倾斜仪中的DEM测量。
利用这些信息就可以测出ELS相对于激光参考点及其重心的相对位置和方位。（在开机前机器上的ELS目标靶的位置已经测量过。因此，挖掘设备相对于激光参考点的位置和方位也就知道了。这些信息与驱动部分的校淮精度一起就能简单地告诉设备操作员设备现有的位置和设备应该所处的位置。之后，这些信息将用来操纵设备使之准确地实现相应的校准水平。
顶管时，为设备操作员所提供的导向信息有着本质的不同。因为设备已经行进到某个位置时，激光束无法从起始工作坑激活ELS目标靶。
这时，激光参照点必须固定在移动管内。一旦激光参考点不再一个固定的位置上，这个因素还必须考虑在内。
应该做下列假设和记录附加的信息。对顶管基本假设是%26quot;管子将紧跟着设备掘进所形成的孔%26quot;.这种假设不一定总是有效，有时还必须作相应的计算和调整。
设备的位置将通过驱动部分在一定的时间间隔上作了纪录。当要在某一根移动管子上安装激光参考点时，从记录上我们就可以知道管子的中心位置，即掘进机的位置具有相同的链距或驱动距离。然而，管子的方位将可以肯定完全不同于掘进机的方位。
如果激光参考点的位置不是在管子的正中管子一回转将导致激光参考点的位置变化。管子的转动将由倾斜计测量，由此便可以计算出激光参考点的更正值。
为了保证激光的方位在一个恒定的标高，因此，排除管子偏离计算值所造成的影响，特激光经纬仪安装在一个自矫正的平台上，这将克服管子回转和倾斜导致的任何运动，保证经纬仪维持在补偿器设定的范围。
激光参考点的方位角将根据后视目标靶来决定。当后视目标靶安装在一个固定位置上时，计算方位角就是一目了然的事了。然而，一旦需要在移动的管子上安装后视目标靶时，就必须依靠在给定链测距离内掘进机位置的记录值来确定安装后视目标靶的管子在给定链值上的位置。同样也必须通过倾斜仪来监视管子的旋转以便计算出后视目标靶的旋转矫正值。
利用这些值来精确确定激光参考系的位置和方位，同样就可以给操作员指出掘进机在给定的校准精度下的相对位置。
实际上，精度的实现取决与下列假设和外界因素，如管子加工的不规则性，挖掘过度或曲率半径过小的弯曲矫正并不能足以达到驱动器所容许的公差。因此，有必要定时地控制测量，用测量值代替设备的纪录值。这类控制测量的间隙应该不大于每一百米一次。
同样也曾经发现管子的动态行为大不一样，如因为地层条件的变化或掘进机工作时液压系统压力的变化，它的值与静态控制测量时的值由相当大的区别。因此，有必要更新控制测量之间管子行程的纪录值。
可移动式激光经纬仪的出现使得在控制测量的间隙内进行更经常的自动测量循环。这种测量循环不仅能给出激光的更新位置和方位，而且还能给出管子超前于激光一段距离的位置和方位。将这段作为参考管子的位置纪录并储存起来作为参考线的一部分，系统将把它当作管线位置的工作纪录。
使用者还可以对这段参考线进行修正（使之平滑），即把精确测量时产生的非正常因素考虑进去，使之成为驱动导向的实际参考线。
VMT SLS-RV系统不仅能提供一种在某个时间里测定全断面隧道掘进机（TBM）准确位置的方法，特别别是在行进过程中；而且它还能给操作人员提供一个清晰、准确，便于对这些结果进行必要更正的方法。整个系统安装在隧道的前部，在那里折射往往不会导致太大的问题。这样除了节省大量的时间之外，使用DTA还能隧道掘进平滑一致地进行。
与其它复杂的系统一样，只要维护得好它就能很好地运行下去。因此，用户有责任是系统的各个部件处于良好的工作状态。这包括但不只限于下列因素，例如给系统提供一个好的动力系统，保持目标靶屏、棱镜和经纬仪的清洁，防止电缆损坏等。
2 说 明
TBM掘进隧道能给后继的管子一个相对比较精确的位置和标高。这就意味着在某个特定的隧道车站里IBM的测量位置相对于后继的管子并没有多大的变化，所有后继管子的位置和标高将由TBM挖掘的隧道决定。
SLS -RV系统安装在管线的前部，包括下列仪器：一套处于激活状态的电子激光系统（ELS），安装在1BM上作为目标靶；用于测量电子波长的棱镜，直接安装在 ELS目标靶的下方；在ELS后方30-60m（取决于隧道中线的曲率）安装在支架上的激光站和带瞄准器的leicca TCA1100司服总站。总站还包括安装在视线轴心的平行线上的一个集成二极管激光系统。经纬仪还安装有传感器（ATR1），使之能自动对准棱镜。在激光总站的后方大约相等的距离上安装有一个棱镜作为后视目标靶。
两个前方棱镜，也称作参考目标靶，安装在参照管上约在激光总站前方2m.其目的是使测量掘进中隧道的位置能够更直接超前于激光站的位置，以便决定在同一站点里TBM的理论位置与管子的实际测量位置的变化。
一个自动的三角苔用来消除激光站的翻转。这使得激光经纬仪永远保持在一个水平位置。稍有一点因为翻转引起的径向倾斜都会被安装在激光站上的倾斜计监测到并引入计算中。激光束不断地击向处于活跃状态的目标靶的表面，这可以连续监测TBM的位置，即使在施工过程中。
在一个预设的时间或距离内，系统将自动引导指向后视目标靶，然后通过两个参考标靶立即决定参照管的位置和TBM的实际位置。通过这一过程，管线稍有一点平滑将能够被检测到并考虑进去。
设备的位置将用图形和数字的方法在驾驶员位置上的电脑上显示出来。其他附加的数字，如水平和垂直趋势、链数、管子数、操作员的名字以及激光经纬仪和ELS标靶的出错状态也会一并显示出来。
定期对隧道段进行的主要控制测量往往可以指出参考线相对于系统储存的校准线的微小偏差。测量值与储存的值进行比较。如果偏移值相对比较大，新测量的值将输入 PC里作为现有的隧道顶进值。新轴线将作为下一次顶进的参考线。在老轴线的值被新轴线的值替换之前将做一个备份。如果有必要，原先储存的顶进线还可以在以后重新找出。因此，隧道的校准可以在任何时候通过TBM手工控制。
3 工作程序在最初阶段（阶段1），激光站安装在起始井上的柱子或平台上，位于主千斤顶油缸之间的隧道轴线上。参考方向由前面的参考柱标出，上面安装有一个棱镜。参考点应该尽可能地远离支持整个站的平台。如果起始井的深度允许，参考点应该在井外。头一个50-80m是由固定激光站测量的。因此激光束是不断地指向目标靶，在头一个顶进过程中紧跟着 TBM.取得的位置参数将保存在一个文档里。
在过渡到第二阶段时，隧道上将安装一个支架，上面有经纬仪、自动三角台和倾斜计，使得在激光站和ELS目标靶之间始终有一条可视的直线。
在激光支架的前方（约12m）处安装两个前参考标靶。在这种情况下，第一阶段激光站形成的测量井柱将成为后视目标靶。随着激光站与管子的前进，它的位置将从前面储存的参考点位置得出，这些点 已经由链数进行了标示。
激光站的信息将由起始井上的距离测量系统不断地进行更新。当一个测量周期被激发后，自动地由预设的距离或时间间隔激发或通过按键激发，激光站接到后置参照目标靶的信号。经纬仪上的自动定位系统会准确地指向棱镜，距离便会测出。这些信息将传向个人计算机。
从后视目标靶测到的距离将用于计算激光站的准确位置。这些值在作完激光站的翻转修正后将用于从前面储存的参考行程中计算出当前激光站的位置。上一次测量的目标靶的参考点的位置在计算机里还将继续有效。激光经纬仪将按先前测出的方位自动转向目标靶上的点并激活目标靶。目前的ELS目标靶的测量数据将用于计算 TBM的位置并与上述的测量计算结果一起储存起来。ELS目标靶平面上的轴线点的三维坐标现在将储存起来作为TBM目前的顶进线路。因为有了固定的后视目标靶，在第二阶段里可以单独地确定顶进站之间激光站的链数，因此能根据轴向测量更精确地协调各参考点。
随着激光与后视目标靶距离的增加，最终将无法进行任何测量，因为有折射的影响、空气的阻尼或路径的弯曲度。发生这种情况时第二阶段就已经完成了。
要继续引导TBM现在需要进入第三阶段。这时后视目标靶必须安装在管子的支架上，而且尽可能地远离激光站，并考虑剩余工隧道的校正因素。支架上也必须安装倾斜计，以便计算时考虑管的翻转。
同前一样，总站的链数还是由距离测量系统（LMS）上的脉冲来测定。由于后视目标靶是随着安装的管线一起前移，在每一个测量循环里都必须重新确定它的链数。这可以从激光站的链数减去后视目标靶的测量距离得出。同样还需通过相应的信号考虑顶进站之间的伸缩长度。还需进行一次主控测量以便确定系统三个主要点的地球坐标：目标靶、激光靶和后视目标靶，也需根据测得的数据作三维变换更新系统点而调整储存的参考线。顶进工作将继续根据校正的参考线进行。
有关掘进机的驱动部分，至关重要的是检查隧道掘进机（TBM）的位置，参考隧道设计轴线尽早采取偏移校正措施，以防止TBM超出公差范围。顶进时，重要的是避免方向的突然变化，以防止管子接头上的间隙和保证阻力最小。虽然没有隧道完全与DTA一致，但总的目标是尽可能地把偏移量限制在绝对最小值内。
顶管导向的主要问题是，整个工程是处于一个不断运动的状态，不可能把已经定为后继工作的管线标志为参考点。
每一次决定了TBM的位置后都必须进行一次从零点（即起始井）的传统测量。随着管子的顶进，这种测量的时间将越来越不能接受。传统测量方法的另一个缺点是测量只能在顶进之间进行，而顶进本身是盲目的。TBM的偏离公差只能在一个延期时间里才能知道。补救的措施不能立即进行，而只能在位置决定了之后进行。
即使是直线顶进，那往往是依靠起点井上的激光束，随着距离的增加也会有问题。当从起点井向管线过度时，激光束会因为折射而被反射从而导致严重的精度问题。
SLS -RV系统提供了在任何位置时测量TBM位置的方法，尤其是在顶进过程中。它会向操作员显示出DTA的偏移，从而采取必要的更正措施。整个系统安装在隧道的前部，在那里折射不会导致严重的问题。除了能节省大量的时间之外，它还能提供一个整齐、平滑的严格按照TDA的隧道施工，但会有少量的由摩擦引起的问题。