戴 斌，陳 明

(中隧集團(tuán)蘭渝鐵路西秦嶺隧道項(xiàng)目部，甘肅武都 7460251)

0 引言

近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及施工水平的提高，越來越多的長大隧道開始采用TBM(隧道掘進(jìn)機(jī))掘進(jìn)施工，而TBM也因其快速、安全、環(huán)保的特點(diǎn)，顯示出其他施工方法無可比擬的優(yōu)越性。常規(guī)的人工測量方法已經(jīng)不能滿足TBM快速掘進(jìn)的要求，PPS自動導(dǎo)向系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并以其精確、快速、自動化的工作特點(diǎn)，成為TBM施工的主流導(dǎo)向系統(tǒng)。目前在施工測量技術(shù)領(lǐng)域，文獻(xiàn)［1－2］對各種導(dǎo)向系統(tǒng)的選用進(jìn)行了比較和技術(shù)總結(jié)，文獻(xiàn)［3－4］介紹了PPS系統(tǒng)的基本組成及工作原理，文獻(xiàn)［5－6］對其誤差形成進(jìn)行了分析，并提出了TBM糾偏方案，文獻(xiàn)［7］介紹了PPS系統(tǒng)安裝方法及常見故障分析。本文在此基礎(chǔ)上對已有的研究文獻(xiàn)中PPS系統(tǒng)的工作原理、安裝方法等不詳之處進(jìn)行了詳細(xì)說明，結(jié)合PPS在西秦嶺隧道TBM施工中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)提出減小測量誤差的措施，并總結(jié)了大部分常見故障的排除方案，對PPS系統(tǒng)硬件損壞時(shí)的應(yīng)急工作方法提出獨(dú)到見解。以期達(dá)到PPS系統(tǒng)提供持續(xù)、有效、精確的掘進(jìn)參考數(shù)據(jù)的目的，希望為其他工程中的PPS測量工作提供一些借鑒。

1 概述

西秦嶺隧道作為全線控制性工程，全長28 km，TBM掘進(jìn)段13.7 km，采用直徑10.2 m的敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)施工。隧道軸線允許偏差±10 cm，高程允許偏差±10 cm，PPS導(dǎo)向系統(tǒng)的正常工作是保證TBM掘進(jìn)精度的前提，本文將就PPS導(dǎo)向系統(tǒng)在西秦嶺隧道的實(shí)際應(yīng)用情況，對此進(jìn)行闡述。

2 PPS導(dǎo)向系統(tǒng)工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

PPS導(dǎo)向系統(tǒng)由馬達(dá)棱鏡、傾斜儀、全站儀及其電源盒、后視棱鏡、多路器、屏蔽數(shù)據(jù)線、無線發(fā)射裝置、裝有PPS程序軟件的工業(yè)電腦組成，如圖1所示。

2.1.1 馬達(dá)棱鏡

2個(gè)馬達(dá)棱鏡在始發(fā)前安裝在TBM主機(jī)上，用螺栓固定牢固，安裝后需對棱鏡進(jìn)行防水、防碰撞的保護(hù)措施。棱鏡的安裝位置一定要考慮通視條件的影響，確保全站儀與馬達(dá)棱鏡之間無障礙物阻隔。

圖1 PPS導(dǎo)向系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of PPS guiding system

棱鏡安裝完畢后，需要測量2個(gè)馬達(dá)棱鏡的機(jī)器坐標(biāo)，即棱鏡在以TBM刀盤中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)值(水平、徑向、垂直)。工作中如果馬達(dá)棱鏡發(fā)生移動，則必須重新測量棱鏡的機(jī)器坐標(biāo)。

2.1.2 傾斜儀

傾斜儀安裝在TBM主機(jī)上，為保證傾斜儀準(zhǔn)確測量出TBM主機(jī)的姿態(tài)變化，傾斜儀與TBM主機(jī)必須保持相對靜止，因此，需要采用剛性連接進(jìn)行固定(支架焊接在TBM主機(jī)上，傾斜儀用螺栓可靠固定在支架上)，并進(jìn)行防水、防碰撞的保護(hù)措施。

傾斜儀主要作用為測量TBM主機(jī)的滾動值(橫向滾動，以掘進(jìn)方向順時(shí)針為正)與仰俯值(縱向坡度，以掘進(jìn)方向向上為正)。在傾斜儀安裝完成后需對傾斜儀初始值進(jìn)行測量。找到TBM主機(jī)的一個(gè)理論水平面，分別沿橫向、縱向標(biāo)定2個(gè)點(diǎn)，測量2個(gè)點(diǎn)的水平距離與高差，并計(jì)算出該面的實(shí)際滾動值與仰俯值。得到的滾動值、仰俯值單位為mm/m，即千分坡度，應(yīng)換算成以゜為單位的角度值，但該角度值不是通常的以360゜為一個(gè)圓周，而是以400゜為一個(gè)圓周進(jìn)行換算，應(yīng)引起特別注意。傾斜儀初始值應(yīng)定期復(fù)核，工作中如果傾斜儀發(fā)生移動也必須重新測量其初始值。

傾斜儀同時(shí)還有數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔茫?個(gè)接口分別為1#與2#馬達(dá)棱鏡接口、電源線接口、數(shù)據(jù)線接口(與多路器連接，見圖1)。

2.1.3 全站儀與后視棱鏡

全站儀與后視棱鏡的支架固定在隧道洞壁上，全站儀與后視棱鏡通過螺栓與支架連接牢固。全站儀電源盒放置在全站儀支架上，為全站儀提供電源并傳輸數(shù)據(jù)，電源盒上的3個(gè)接口分別為電源盒電源線接口、全站儀連接線接口及無線發(fā)射裝置接口。全站儀與后視棱鏡安裝后由人工測量其三維坐標(biāo)(Y，X，H)，采用三角高程傳遞時(shí)應(yīng)注意，支架上的全站儀與后視棱鏡的儀器高應(yīng)為0。

2.1.4 其他部件

多路器安裝在工業(yè)電腦附近，起數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔?，其接口分別為多路器電源接口、傾斜儀數(shù)據(jù)線接口、無線發(fā)射裝置接口、工業(yè)電腦數(shù)據(jù)線接口。

工業(yè)電腦上安裝有PPS程序軟件，顯示PPS導(dǎo)向系統(tǒng)通過自動測量得到的最終結(jié)果。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行

2.2.1 初始參數(shù)的輸入

PPS程序首次運(yùn)行前需要輸入必要的初始參數(shù)。

1)建立隧道理論中線。將隧道中線按1 m的間隔建立中線點(diǎn)，在文本文檔中依次輸入中線點(diǎn)里程(Station)、東坐標(biāo)(East)、北坐標(biāo)(North)及高程(Elevation)，在PPS程序軟件中導(dǎo)入該文本文檔，隧道理論中線即可成功創(chuàng)建。接著創(chuàng)建一個(gè)工程文件(Project)，定期備份工程文件，在因故障重裝系統(tǒng)后導(dǎo)入備份的工程文件即可恢復(fù)數(shù)據(jù)。

2)輸入測量參數(shù)。依次輸入傾斜儀初始值(滾動值 Roll、仰俯值 Pitch、偏航值)，1#，2#馬達(dá)棱鏡機(jī)器坐標(biāo)，全站儀與后視棱鏡三維坐標(biāo)(Y，X，H)，后視棱鏡定位角度(水平角、豎直角)與斜距，1#，2#馬達(dá)棱鏡定位角度(水平角、豎直角)。

輸入馬達(dá)棱鏡機(jī)器坐標(biāo)或定位角度時(shí)應(yīng)注意輸入順序與馬達(dá)棱鏡的編號(1#，2#)一致。后視棱鏡、馬達(dá)棱鏡的定向角度中的水平角為全站儀直接測量所得，只要后視棱鏡與馬達(dá)棱鏡之間的角度差值不變，該水平角可為任意值。一般不應(yīng)把后視棱鏡水平角設(shè)為0，否則系統(tǒng)會無法識別。

3)其他參數(shù)。剩余待輸入?yún)?shù)包括TBM設(shè)備定義參數(shù)、允許誤差范圍、糾偏路線最小拐彎半徑、屏幕顯示參數(shù)等，可根據(jù)工程的實(shí)際要求選擇。

2.2.2 運(yùn)行PPS導(dǎo)向系統(tǒng)

通過PPS程序軟件運(yùn)行整個(gè)PPS導(dǎo)向系統(tǒng)，系統(tǒng)開始自動初始化COM接口、多路器、傾斜儀 (含馬達(dá)棱鏡)、全站儀，正、倒鏡檢查后視方位，測量1#馬達(dá)棱鏡，讀取傾斜儀讀數(shù)，測量2#馬達(dá)棱鏡，完成一個(gè)測量循環(huán)后程序?qū)y量結(jié)果以圖形的形式顯示出來，并標(biāo)示出TBM主機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾的偏移量，建議糾偏路線，TBM刀盤的滾動值、仰俯值，顯示當(dāng)前TBM刀盤中心的三維坐標(biāo)、刀盤里程、掘進(jìn)距離等，非常方便。

PPS程序自帶檢查功能，輸入全站儀與后視棱鏡坐標(biāo)及定向角度有誤或測量誤差引起的后視方位錯誤程序會自動彈出對話框提醒，并無法運(yùn)行系統(tǒng);在正常工作中，意外移動全站儀或后視棱鏡造成方位錯誤，系統(tǒng)在檢查后視方位時(shí)也會給出警告;同時(shí)，每個(gè)測量循環(huán)系統(tǒng)將全站儀測得的1#，2#馬達(dá)棱鏡距離與根據(jù)傾斜儀測得的坡度值反算出的棱鏡距離進(jìn)行比對，超限時(shí)顯示紅顏色的警告，提醒測量人員進(jìn)行復(fù)核。

3 測量誤差的控制

3.1 人工因素

PPS的測量工作仍然是以洞內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)、高程點(diǎn)等控制點(diǎn)為基點(diǎn)的，控制點(diǎn)測量的精度是PPS準(zhǔn)確工作的前提，而且PPS日常轉(zhuǎn)站也是由測量人員手動操作，所以測量人員的技術(shù)水平是控制PPS測量精度的一個(gè)關(guān)鍵因素。

3.2 圍巖變形

全站儀及后視棱鏡通過支架固定在隧道洞壁上，當(dāng)圍巖發(fā)生收斂變形時(shí)全站儀及后視棱鏡也會發(fā)生位移，此時(shí)方位誤差若未超限，PPS還會繼續(xù)工作，但誤差已經(jīng)在積累，如圖2所示。后視棱鏡較全站儀位置較早開挖，圍巖收斂速度也較全站儀位置緩慢，隨著圍巖變形的增大，TBM司機(jī)根據(jù)PPS程序顯示進(jìn)行掘進(jìn)，TBM主機(jī)也向圍巖收斂方向偏移，如果連續(xù)幾次快速轉(zhuǎn)站 (非控制點(diǎn)轉(zhuǎn)站)，則這種誤差會越積累越大，且不易被發(fā)覺，直到重新從控制點(diǎn)轉(zhuǎn)站后，誤差得到修正，PPS程序顯示TBM主機(jī)位置發(fā)生橫向突變。

此類誤差可采取以下措施減小影響。

圖2 圍巖變形影響示意圖Fig.2 Sketch of effect of surrounding rock deformation

3.2.1 控制點(diǎn)轉(zhuǎn)站減小圍巖收斂影響

PPS導(dǎo)向系統(tǒng)日常轉(zhuǎn)站分為2種:快速轉(zhuǎn)站與控制點(diǎn)轉(zhuǎn)站?？焖俎D(zhuǎn)站直接以現(xiàn)有全站儀、后視棱鏡支架為基點(diǎn)，測量新全站儀支架三維坐標(biāo)，然后將全站儀移動到新支架上即可;控制點(diǎn)轉(zhuǎn)站以隧道內(nèi)控制點(diǎn)為基點(diǎn)，測量新全站儀支架三維坐標(biāo)，然后移動全站儀到新支架上。

快速轉(zhuǎn)站快速、簡便，但誤差會隨轉(zhuǎn)站次數(shù)而積累。因此，在圍巖變形較大的地段應(yīng)盡量采用從控制點(diǎn)轉(zhuǎn)站的方法進(jìn)行作業(yè)。

3.2.2 減小每次轉(zhuǎn)站距離

圍巖收斂變形隨時(shí)間增長逐漸積累增大，因此，在相同掘進(jìn)速度下，縮短轉(zhuǎn)站距離即縮小轉(zhuǎn)站時(shí)間間隔，會降低圍巖收斂對測量精度的影響。

本工程中，圍巖收斂變形較小的地段40～50 m轉(zhuǎn)站一次，在收斂變形大的地段轉(zhuǎn)站距離則減小到20 m左右。如遇TBM停機(jī)超過2 d，再次開機(jī)掘進(jìn)前需對全站儀、后視棱鏡坐標(biāo)進(jìn)行重新復(fù)核。

3.3 其他影響測量精度的因素

3.3.1 高溫、強(qiáng)光影響

受TBM作業(yè)區(qū)域限制，全站儀視線有時(shí)會穿過高溫氣體或強(qiáng)光區(qū)域，如VFD配電柜上方、電弧焊作業(yè)區(qū)、強(qiáng)光照明燈等。由于局部溫度過高或強(qiáng)光干擾，此時(shí)光線穿過會發(fā)生折射，造成測量結(jié)果偏差;因此，在實(shí)際工作中應(yīng)盡量避免。

3.3.2 灰塵、滲水影響

TBM掘進(jìn)時(shí)刀盤擾動圍巖、輸送帶轉(zhuǎn)碴、噴射混凝土作業(yè)等均會產(chǎn)生大量灰塵，尚未遮擋視線時(shí)，光線穿過灰塵時(shí)會發(fā)生衍射，造成測量結(jié)果偏差;因此，在實(shí)際工作中應(yīng)保證通風(fēng)、除塵系統(tǒng)正常運(yùn)行。

當(dāng)全站儀視線剛好穿過滲水區(qū)時(shí)，光線穿過滴落的水滴時(shí)會發(fā)生折射，同樣會造成測量結(jié)果偏差，此時(shí)應(yīng)對滲水區(qū)進(jìn)行防水措施處理，如埋設(shè)盲管、鋪設(shè)防水板將水引流。

4 PPS導(dǎo)向系統(tǒng)的日常維護(hù)及常見故障的排除

4.1 PPS導(dǎo)向系統(tǒng)的日常維護(hù)

PPS導(dǎo)向系統(tǒng)的正常運(yùn)行離不開日常的維護(hù)，測量人員需提高對該工作的重視程度并確保落實(shí)到位。PPS系統(tǒng)的日常維護(hù)工作主要包括:

1)每天對所有電源線、數(shù)據(jù)線、無線發(fā)射裝置進(jìn)行檢查，接頭松動的及時(shí)擰緊，線路破損的及時(shí)更換。

2)每天用專用清潔紙巾清潔馬達(dá)棱鏡鏡面、全站儀鏡頭及表面、后視棱鏡鏡面。

3)每天檢查馬達(dá)棱鏡固定螺栓是否松動，如有松動重新擰緊并復(fù)核發(fā)生松動的馬達(dá)棱鏡機(jī)器坐標(biāo)。

4)每周對PPS程序數(shù)據(jù)進(jìn)行一次備份。

5)每2周對傾斜儀滾動值、仰俯值進(jìn)行一次校核。6)每4周復(fù)核一次馬達(dá)棱鏡機(jī)器坐標(biāo)。

7)每6個(gè)月對全站儀進(jìn)行一次校核。

4.2 PPS導(dǎo)向系統(tǒng)常見故障及排除方法

在PPS導(dǎo)向系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的不同故障，可依照程序報(bào)錯類型大致分類，然后進(jìn)行排除。

4.2.1 COM 接口初始化錯誤

當(dāng)PPS系統(tǒng)程序提示COM接口初始化錯誤時(shí)，首先檢查裝有PPS程序的工業(yè)電腦是否與多路器連接良好，如果連接沒有問題，則檢查工業(yè)電腦連接多路器的COM接口編號是否與PPS系統(tǒng)程序中選定的編號一致，比如工業(yè)電腦接口為COM3，則PPS程序中也必須選定相應(yīng)的COM3。編號無誤仍不能初始化COM接口時(shí)，嘗試拔下工業(yè)電腦COM接頭，并重新插上(必要時(shí)可重新啟動電腦)接頭，因?yàn)槟承╇娔X在非正常關(guān)機(jī)后重新啟動，可能造成系統(tǒng)無法識別接口。如以上情況均已排除，問題仍未解決，則很有可能是COM接口驅(qū)動問題，嘗試重新更新工業(yè)電腦上的COM接口驅(qū)動，問題應(yīng)該就能得到解決了。

4.2.2 初始化傾斜儀失敗或讀取傾斜儀數(shù)據(jù)失敗

檢查傾斜儀電源線、數(shù)據(jù)線是否破損，接頭是否松動，如線路沒有問題則可能是傾斜儀自身故障。

4.2.3 棱鏡問題

1)關(guān)閉1#(或2#)棱鏡失敗?？赡茉?yàn)轳R達(dá)棱鏡連接線損壞、接頭松動或者接觸不良、馬達(dá)棱鏡損壞。

2)棱鏡錯誤(Problem with prism)?？赡茉?yàn)?#(或2#)馬達(dá)棱鏡連接線接頭接觸時(shí)斷時(shí)續(xù)，不能穩(wěn)定接收系統(tǒng)信號。

3)尋找棱鏡錯誤?？赡茉?yàn)槿緝x與后視棱鏡、馬達(dá)棱鏡之間有障礙物阻隔，無法通視。

4.2.4 全站儀問題

1)初始化全站儀錯誤?？赡茉?yàn)槿緝x電源盒斷電、無線發(fā)射裝置接口松動或損壞、全站儀故障。

2)只有角度測量可用?？赡茉?yàn)榭諝夥蹓m含量過高，影響通視條件，此類情況加強(qiáng)通風(fēng)即可解決;或者全站儀測距板故障，此類情況需要對全站儀進(jìn)行檢修。

3)全站儀水平出錯?？赡茉?yàn)橐馔庖苿又Ъ芑蛘邍鷰r變形導(dǎo)致全站儀豎軸傾斜度超出補(bǔ)償器補(bǔ)償范圍，全站儀無法工作，重新調(diào)平并復(fù)核全站儀坐標(biāo)即可。

4.2.5 后視方位錯誤

轉(zhuǎn)站工作中輸入坐標(biāo)參數(shù)后，彈出對話框提示后視方位錯誤，并無法運(yùn)行測量程序，導(dǎo)致該情況出現(xiàn)的原因?yàn)檩斎胗姓`或者轉(zhuǎn)站工作中測量誤差超限。

系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)方位錯誤的提示，則可能是全站儀或者后視棱鏡支架意外移動，造成后視方位超限，重新復(fù)核全站儀和后視棱鏡三維坐標(biāo)即可。

5 手動測量應(yīng)急工作模式

手動測量模式是PPS導(dǎo)向系統(tǒng)提供的一種應(yīng)急工作模式，在系統(tǒng)某些組件損壞無法工作時(shí)，可選擇相對應(yīng)的手動模式對TBM進(jìn)行導(dǎo)向。手動測量共有4種可供選擇。

5.1 手動傾斜儀模式

當(dāng)傾斜儀損壞不能進(jìn)行滾動值、仰俯值測量時(shí)，選擇此模式，運(yùn)行測量程序后按系統(tǒng)提示將人工測得的滾動值與仰俯值(以角度形式輸入，詳見2.1.2傾斜儀初始值測量的相關(guān)說明)輸入對話框中，其他工作則由系統(tǒng)自動完成。

5.2 手動全站儀模式

當(dāng)PPS系統(tǒng)匹配的全站儀不能工作，例如儀器故障或者送專業(yè)單位檢校時(shí)，用其他非PPS系統(tǒng)匹配的全站儀進(jìn)行替代，系統(tǒng)不一定能夠成功識別，此時(shí)可選擇該模式，運(yùn)行測量程序，根據(jù)提示手動對準(zhǔn)后視棱鏡(正、倒鏡各1次)、馬達(dá)棱鏡進(jìn)行測量并分別輸入對話框中，其他工作由系統(tǒng)自動完成。

5.3 手動全站儀及棱鏡模式

當(dāng)馬達(dá)棱鏡損壞時(shí)，用普通圓棱鏡進(jìn)行替代，系統(tǒng)不能控制棱鏡打開或關(guān)閉，且有可能同時(shí)發(fā)生5.2中的情況，選擇此模式，運(yùn)行測量程序，根據(jù)提示手動對準(zhǔn)后視棱鏡(正、倒鏡各1次)、2個(gè)前視棱鏡進(jìn)行測量并分別輸入對話框中，其他工作由系統(tǒng)自動完成。

手動全站儀模式與手動全站儀及棱鏡模式的區(qū)別在于:手動全站儀模式測量時(shí)，馬達(dá)棱鏡由系統(tǒng)自動控制打開、關(guān)閉，而手動全站儀及棱鏡模式則由人工控制前視棱鏡朝向或背對全站儀，這一點(diǎn)應(yīng)引起重視，因?yàn)?個(gè)前視棱鏡距離較近，不能同時(shí)全部面向全站儀進(jìn)行測量，否則2個(gè)棱鏡同時(shí)反射測量激光會導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。

5.4 全手動模式

此模式僅用于傾斜儀與馬達(dá)棱鏡、傾斜儀與全站儀或者三者同時(shí)不能工作時(shí)的情況。

選擇此模式后，PPS系統(tǒng)已基本癱瘓，運(yùn)行測量程序后根據(jù)提示手動對準(zhǔn)后視棱鏡(正、倒鏡各1次)、2個(gè)前視棱鏡進(jìn)行測量，人工測量TBM主機(jī)的滾動值、仰俯值，并輸入到對話框中，PPS程序僅進(jìn)行計(jì)算工作，并將計(jì)算結(jié)果以圖像的形式顯示在屏幕上。

6 結(jié)論

由于TBM施工進(jìn)度很快，PPS導(dǎo)向系統(tǒng)必須能夠提供持續(xù)、有效、精確的數(shù)據(jù)作為調(diào)整方向的參考標(biāo)準(zhǔn)。這就要求PPS系統(tǒng)必須能夠保證良好的工作狀態(tài)，測量人員需要掌握PPS系統(tǒng)的工作原理，做好日常的維護(hù)、保養(yǎng)工作，在出現(xiàn)故障時(shí)能夠第一時(shí)間予以恢復(fù)，并在硬件損壞的情況下仍能夠提供有效的數(shù)據(jù)指導(dǎo)掘進(jìn)。

當(dāng)遇到較硬圍巖時(shí)，TBM刀盤掘進(jìn)時(shí)震動很大，長時(shí)間的震動會導(dǎo)致馬達(dá)棱鏡損壞，而且損壞頻率比較高。關(guān)于延長馬達(dá)棱鏡的使用壽命，目前還在試驗(yàn)與探討中，例如加設(shè)緩沖墊層或者對棱鏡進(jìn)行一些改動等，但是方案尚不成熟。

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