PPS导向系统在TBM中的应用

水利水电技术　第37卷　2006年第3期

PPS导向系统在TBM中的应用

王世霏,孙永浩,朱玉峰,高国勇

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(11辽宁水利土木工程咨询有限公司,辽宁沈阳1,

辽宁沈阳　110179;31沈阳

)

　TBM的PPS定位、,,为操作手提供TBM偏

离轴线的信息。,PPS在TBM中应用的程序,了解TBM在掘进过程中

,,TBM严格按设计坐标方位掘进。

;;输水隧洞;TBM;掘进偏差

中图分类号:V554(231)　　　　文献标识码:B　　　　文章编号:100020860(2006)0320031203

ApplicationofPPSorientatingsystemtotunnelingwithTBMWANGShi2fei,SUNYong2hao,ZHUYu2feng,GAOGuo2yong

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(11LiaoningWaterConservancyandCivilEngineeringConsultantCo1,Ltd1,Shenyang　110003,Liaoning,China;

21LiaoningRunzhongWaterSupplyCo1,Ltd1,Shengyang　110179,Liaoning,China;

31The3rdInstituteofSurveyingandMappingofLiaoningProvince,Shenyang　110034,Liaoning,China)

Abstract:ThePPSorientatingsystemfortunnelingcanmakeapreciseorientationforTBManditstunnelingdirectionbyprovidetherelatedinformationoftunnelingerrorfromTBMtotheoperator1Basedontheorientatingprincipleofthesystem,thetunne2lingofTBMcanbeguaranteedtobemadeexactlyalongthedesignedtheaxesbygraspingtheapplicableprogramofthesystemtotunnelingwithTBM,findingoutthefactorsofthetunnelingerrorfromTBMduringthetunnelingandtakingtherelatedmeasuresfortheerrormodification1

Keywords:PPSpositioning;orientatingsystem;waterdeliverytunnel;TBM;tunnelingerror

1　概　述

大伙房水库输水隧洞长85132km,采用以TBM为主、钻爆法为辅的联合施工方案,以发挥TBM掘进速度快、施工质量稳定、安全作业条件

息而设计的,该系统可以以三维的方式对TBM的确切位置和掘进方向定位,为操作手提供TBM偏离轴线的确切信息及纠偏的参考方案。

PPS导向系统主要由TBM前部的两个电棱镜、双轴电动测斜仪、电动经纬仪、远程棱镜及系统计算机组成(见图1)。211　前部两个电棱镜

为了确定TBM的位置和掘进方向,至少需要以三维坐标表示的TBM上两个已知的确定点。这两个点就是定位在TBM前部的两个电棱镜。精确的定位TBM轴向和TBM坐标系统,需要在TBM工作前完成。

收稿日期:2005211217

作者简介:王世霏(1964—),男,工程师。

好、对生态环境影响小的优点和钻爆法机动性和灵活性的优点。3台TBM单机掘进长度按20km左右控制。TBM施工段隧洞轴线的控制标准是:横向水平偏差±100mm,高程偏差±60mm。采用PPS(PoltingerPrecisionSystem)定位、导向系统,可以准确地控制TBM沿着设计的隧洞轴线方向掘进。

2　PPS导向系统的组成及其功能

PPS导向系统是为TBM操作者提供设备位置信

WaterResourcesandHydropowerEngineeringVol137No13

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王世霏,等∥PPS导向系统在TBM中的应用

①—电动经纬仪;;();④—数据传输(备选);⑤—测斜仪;⑥—电棱镜;

⑧—办公室计算机(备选);⑨—远程棱镜;⑩—无线电(备选)

图1　系统布置

212　双轴电动测斜仪

TBM在掘进过程中可能会产生倾斜或翻滚,致

采用常规的测量方法,进行远程棱镜(参考点)的定

位;(2)由于经纬仪的水平角度测量系统不能确定参考点,所以电动经纬仪本身亦需采用传统的测量方法,通过事先定位的远程参考点进行定位;(3)TBM上两个电棱镜初始点的坐标,可以通过经纬仪测量倾斜距离、水平角和垂直角进行定位;(4)将上述数据全部输入计算机,即可得知TBM任何部位的三维坐标以及TBM倾斜和翻滚的数据;(5)将设计的隧洞轴线以全球坐标表示并事先输入到计算机中去。这样,即可随时求出TBM的水平偏差、竖向偏差及其方位,并用图表显示给操作者。

P1、P2为安装在TBM上的两个电动棱镜,其常

使TBM的坐标系统经常不平行于全球坐标系统。因此,必须随时检测TBM的姿态,精确显示其倾斜或翻滚的状态。这项工作则可通过安装在TBM内部的双轴电动测斜仪来完成。213　电动经纬仪

电动经纬仪安装在TBM后面25～300m刚刚开挖的不稳定洞壁上。电动经纬仪系为全自动、无人操作系统。它可以自动发现并测量远程棱镜、在系统计算机的控制下测量TBM上的两个电棱镜以及高精度的双轴电动测斜仪,以检测TBM的倾斜和翻滚情况。214　远程棱镜

数为20mm。这是生产厂家在设备出厂时的给定值。利用P1、P2两个点的坐标P1(X1,Y1)、P2(X2,Y2),可以计算出αP1P2的方位角及与设计洞轴线的关系,由此确定TBM的掘进方位。实际工作中将工程坐标转换为施工坐标,可以直观地看出TBM所处的桩号和偏离轴线的情况。

从P1、P2两个点的高程,可以求出TBM所处位置的高程,也可以计算出P1、P2两点的坡比,从而推算出TBM向前掘进的高程趋势。

将电动经纬仪采集的P1、P2两点的三维坐标通过有线(或无线)连接的方式传递到TBM控制系统,利用计算机软件计算出TBM的偏差及掘进趋势。

远程棱镜不仅可以为电动经纬仪定位,而且可以自动发现电动经纬仪定位点的移动而引起的坐标偏差。由于电动经纬仪安装在变形尚未稳定的洞壁上,极有可能产生位移;如果不被发现,可能会引发非常严重的后果。因此,电动经纬仪会经常地瞄准远程棱镜来确定其位置是否被移动,并将情况报告给操作手。由此可见,远程棱镜非常重要。测量的时间间隔,将由用户通过密码保护的参数菜单指定。

215　系统计算机

包括TBM电棱镜和双轴电动测斜仪测量结果的输出,通过这些数据计算出坐标、方位和TBM的倾斜情况。

4　测量软件及操作手屏幕

TBM的PPS导向系统引入了Windows的测量软

(1)

3　PPS导向原理

PPS系统定位、导向的基本原理和步骤是:

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件,使其成为全自动的无人操作系统。

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王世霏,等∥PPS导向系统在TBM中的应用

电动经纬仪在测量软件控制下,在TBM停止掘进时,跟踪远程棱镜,检查、验证经纬仪点的稳定性并更新经纬仪所在点的坐标。在TBM掘进过程中,电动经纬仪则自动跟踪TBM电棱镜的移动,即时收集测量数据,以指出TBM的掘进方位及其所在位置。电动经纬仪通过测量软件控制双轴、高精度的测斜仪,检测TBM的倾斜和翻滚情况,得出绝对独立的检查数据。上述所有信息均通过图表或数据显示在TBM操作手的屏幕上,并可为操作手提供关于TBM纠偏的参考方案。

操作手屏幕可以直观地看到,偏离轴线的情况,以及势。TBM在。

获得一个精确的坐标数据;高程则采用水准仪往返测量来传递,以便更好地保证控制测量的精度,为TBM的正确定位奠定基础。(2)粉尘密度大,接收信号无法正常工作;洞内湿度高,水汽大,使棱镜无法反射给电动经纬仪。上述的解决方法是:①必须保证通风系统、,遇特殊情况时停机通风②缩短,③为了使信号,,。(位置数据的采集。在TBM运行过程中,由于粉尘及TBM的自身振动,运行的数据很不稳定。而在TBM换步完成后和起动前的这段时间,则是TBM处于比较稳定的状态。这时采集的位置数据是比较准确的。为此,我们将这时采集的数据用于TBM开挖的质量评定,基本反映了TBM掘进的实际情况。

5　为了保证系统的正常运行,系统本身所采取的措施:(1)为了避免激光束反射所造成的误差,专用的电动棱镜在软件的控制下交替被遮挡或处于显露状态。这保证了每个棱镜可以独立地精确测量。(2)在恶劣的隧洞施工条件下,为了保证系统操作的正确性,采用的特殊手段包括:①为了防止干扰,采用了特殊的抗干扰系统和措施以及数据的无线传输方式;②计算机安置在密封的装置内,并带有防断电装置;③所有的电气元件均互相绝缘。

此外,在施工中还应采取下列措施:(1)本系统无法控制控制测量与施工测量的偏差。解决的方法是:架设电动经纬仪时,在主洞内主导线网的基础上增加测回数,使电动经纬仪支架的点位,经多次测量

6　结　语

TBM采用先进的PPS导向系统有以下特点:

(1)

电动经纬仪定时观测,可以随时获得TBM的掘进情况;(2)通过屏幕显示,可以直观地了解TBM的偏离情况及掘进趋势,因而可以及时采取纠偏措施;(3)虽然TBM配备了先进的PPS导向系统,但原始数据的精确测量与测量师的认真态度、技术水平的有效发挥仍然是隧洞正确掘进的有效保证;(4)只要控制准确,操作得当,TBM的掘进偏差完全可以控制在规定的范围内。

(责任编辑　陈小敏)

(上接第30页)

求先进性,强调适用、实用,掌握多种维修技能,逐

步实现自主维修。(4)对不同设备和零件维修类别进行合理分类,根据设备的实际情况,多种维修方式并存,采用相应的规范化维修策略。按照优先级别,依序采用如下模式:①状态维修;②定期有计划检查;③定期更换和修理;④强制性维修;⑤使用备用设备或部件切换维修;⑥主动(改善)维修;⑦事后维修。根据以往TBM使用、维修、保养情况的长期跟踪调查分析,粗略归纳出TBM各总成(零部件)的维修对策见表1。(5)在维修换件过程中,应注意数据和经验的积累,逐步形成易损件产品的开发、研制能力。在保证质量和满足工程需要的前提下,逐步

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实现原装配件的本地化生产,达到降低成本,增收

节资的目的。

3　结　语

TBM设备维修模式的提出和以状态监测为基础

的按需维修体制逐步确立,使TBM重要部件能在恰当的时机安排维修,并根据设备的重要程度和工作性质,采取不同的维修策略,执行最经济、合理的维修模式。合理配置维修人力资源,减少停机时间和维修工作量,相应减少了施工人员费用、生产损失、维修费用和机会损失。该管理模式的优劣评价有待于TBM掘进实践的考核。

(责任编辑　陈小敏)

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