盾构pps导向系统操作手册.docx

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盾构pps导向系统操作手册

1、基本原理

在隧道掘进的过程中,为了避免盾构机姿态发生大的偏差,必须对盾构机的位置和隧道设计轴线的相对位置关系进行持续地监控测量。

PPS导向系统的作用就是使盾构机按照设计路线精确地掘进，保证施工质量。

PPS导向系统主要由以下几个部分组成：

1.激光全站仪

2.工业电脑

3.数据传输电缆或无线数据传输器

4.盾尾间隙测量装置

5.双轴倾斜仪器

6.PPS自动棱镜

7.数据转换器

8.数据传输电缆（连接至办公室）

9.反射棱镜

PPS导向系统的基本原理

洞内控制导线是支持盾构机掘进导向定位的基础，首先在隧道的右上侧衬砌上固定两个吊篮，一个位于盾构机后配套拖车上方，另一个尽量往后作为后视点，通过支导线的形式测量两个点的坐标和高程。

激光全站仪安装在位于盾构机拖车上方的吊篮上，后视基准点（安装反射棱镜）定位后。

全站仪自动掉过方向来，搜寻PPS自动棱镜，PPS自动棱镜接收入射的激光定向光束，即可获取激光全站仪至PPS自动棱镜间的距离、方位角、竖直角。

TBM的仰俯角和滚动角通过双轴倾斜仪来测定。

将测得的各项数据传向主控计算机，计算机将所有测量数据汇总处理，就可以确定盾构机在全球坐标系统中的精确位置。

将盾构机轴线上前后两个点的三维坐标与事先输入计算机的隧道设计轴线比较，就可以显示盾构机的姿态了。

2、准备工作

2.1隧道的中线数据

根据设计院提供的数据，把隧道的中线数据写成以下形式，ST表示测站里程，X，Y，Z分别代表北、东和高程，各项数据间用空格隔开，正值前可不加“+”，最后以文本文档的形式保存下来。

ST50.000mY+619035.582mX+27351.521mZ+457.433m

ST49.000mY+619034.597mX+27351.346mZ+457.452m

ST48.000mY+619033.613mX+27351.170mZ+457.471m

ST47.000mY+619032.628mX+27350.996mZ+457.491m

ST46.000mY+619031.644mX+27350.821mZ+457.510m

ST45.000mY+619030.659mX+27350.646mZ+457.530m

ST44.000mY+619029.674mX+27350.472mZ+457.550m

2.2管片定义

隧道的管片拼装可以由PPS的管片计算软件来简化统一。

管片的几何尺寸和理论次序是计算的基础，这些数据必须写成一个特定格式的文件，在安装程序时保存到相关目录下。

根据盾体的位置、油缸伸长量、盾尾间隙等信息，PPS管片程序会从已定义好的管片类型中选择一个可以保证最大纠偏量或者可以使机器回到隧道中心线上去。

2.3PLC设定

通过机器设备的PLC与导向系统的联接，可以进行很多信息参数的交换，方便用户和系统使用这些信息。

PLC的安装要与盾构机制造商进行协商，传输的方法和请求信息可以在现场安装时确定。

比如传输参数，地址，频率等。

3、初始数据及参数设定

PPS导向系统的应用程序TBM3被安装在独立的文件夹下，（C:

\TBM）。

所有的程序和相关数据都被保存在这里。

程序安装后需要进行参数设定，只有完成初始参数设置之后，PPS系统的功能才能使用。

这些设置都通过“PPSTBM3”→“Setup”进行。

3.1EquipmentSetup/设备配置

“COMportformultiplexer”/COM多路器端口，一般来说电脑上PPS端口为COM1。

“Settings”→“Compensator”,设置TCA补偿器开/关，当补偿器开启的时候可以有效的避免振动对全站仪的干扰。

“Settings”→“InclinometerFilter”,设置倾斜仪过滤器开/关，当该功能开启时，过滤器会平均计算几次的测量数据，以保证测量精度，但会降低速度，正常情况是开启的。

“Settings”→“EDMfastmeasurement”,EDM快速测量开/关,如果开启，它会加速识别和测量棱镜，但会轻微地降低精确度。

“PrismConstantReferencePrism”/参考棱镜常数，如果PPS系统是使用Leica的棱镜，那么棱镜常数为0。

如果使用其它厂家的棱镜就必须通过测量一个已知距离来检查，并在这里输入。

3.2Orientationsetup/方位设置

在这个窗口中，需要输入全站仪和参考棱镜的坐标及高程，这些数据是导向系统正常运行的关键，必须要保证这些数据的准确性。

“Totalstationcoordinates”/输入全站仪的坐标和高程。

“coordinatesofreferenceprism”/输入参考棱镜的坐标及高程。

需要注意的是输入的高程是全站仪和棱镜中心的高程，而且要保证全站仪的水平轴线到基座的高度与参考棱镜中心到基座的高度相等，当使用原装设备时两个高度值是相等的，如果使用其它设备必须要检查这个两个高度。

“Orientationmeasurement”，在这里输入全站仪和参考棱镜之间的方位角、垂直角和斜距，以及全站仪检查后视的时间间隔。

垂直角和斜距可以通过输入的坐标计算出来，这里只是作为一种对比。

后视的时间间隔一般设置为45分钟或一个小时。

“measurementtoprism1/2”,输入自动棱镜的水平角和竖直角，这只是为了方便第一次测量能够找到两个自动棱镜，以后每次自动测量完成后，角度值都会自动更新。

3.3Calibration/修正

在这里需要修正两个自动棱镜的机器坐标，以便系统能够更精确地计算盾构机的姿态。

机器坐标以刀盘中心为原点，分别定义三个轴向为水平方向、垂直方向和纵向。

水平方向：

当人面向刀盘的时候右边为正，左边为负；

垂直方向：

向上为正，向下为负；

纵向：

往掘进方向为正，刀盘后侧为负。

“MachinecoordinatesofPrism1”/输入自动棱镜1的机器坐标；

“MachinecoordinatesofPrism2”/输入自动棱镜2的机器坐标；

“InclinometerOffsets”/输入双轴倾斜仪的修正值，详见3.4节。

3.4InclinometerCalibration/倾斜仪修正

在系统安装完成后，倾斜仪测得的数据并不是盾构机当前的滚动和倾斜值，这是因为倾斜仪安装于盾构机前盾的水平方向上，它的轴向不可能与盾构机的轴线完全重合，所以要对测量值进行修正。

在如上窗口中，“rawvalues”是倾斜仪直接测得的初始值。

“Setup”中的“yaw”是指倾斜仪的安装方向，其中的“roll”/“pitch”是我们通过精确测量或水准测量得到的盾构机当前的滚动和俯仰值。

“Offsets”这一组滚动和俯仰值是倾斜仪测得的初始值和人工复测值之间的差值。

需要注意的是，在手动对“Roll”/“Pitch”进行测量时，盾构机不能有任何移动。

在测量完成后，应立即对结果进行计算，在系统中输入之后，机器的滚动和俯仰值将会被重新定义，这次修正的偏差也会被自动计算出来。

3.5Tolerances/容许误差

为了在测量过程中避免发生严重的错误，PPSTBM3程序要比较几个输入值和实测值。

如果实测值与输入值相比有较大的偏差，将会在屏幕上出现警告信息，这时就需要进行人工检查。

“Orientation”是设置方位上的容许误差，一般设置为0.005至0.015m。

程序将比较测量到的棱镜坐标与输入的坐标，如果它们的差值大于这个容许误差，那么导向系统将无法正常运行，必须检查全站仪和参考棱镜，并输入一个新的位置信息。

“PrismLevel”是设置自动棱镜在水平上的容许误差，一般设置为0.02m。

程序会比较由全站仪测得的高度差和倾斜仪计算的结果，并以此来保证测量的精度。

“PrismDistance”是设置两个自动棱镜在距离上的容许误差，因为它们之间的距离是固定的，如果测量值超出了容许误差，将会弹出警告信息。

“MoveTotalStation”一般设置为0，即不允许全站仪的位置有任何移动。

“SearchWindow”是设置全站仪的搜索窗口大小，一般设置为2gon。

3.6TBMDefinition/机器定义

考虑到机器有多种不同的组成形式，在这里必须要输入几个几何参数，可以把机器的状态通过一种简单的形式显示出来。

除此之外，管片的计算也需要用到这里的参数。

“TBMType”是设置隧道掘进机的形式，盾构机采用单护盾的形式，且只有一组油缸，即“SingleShieldTBM，1Cylinder”。

“TBMOptions”中需要确定几个参数用来显示机器的形态：

“CutterheadnotpartofTBM”/选择刀盘是否为TBM整体的一部分；“Locationofpushcylinder”/选择推进油缸的位置；

“Locationofmachineprisms”/选择自动棱镜的位置。

“TBMdimensions”/TBM的尺寸，如果机器形式为盾构机，只需要输入盾构机的直径和盾体的长度。

3.7Misc.setup/杂项设置

“SearchRadiustofindCL”/对中线的搜索半径，主要用来定义点的位置，在掘进时，通过程序计算得的点不能在隧道外，因此不能比搜索半径要大。

“Traceinterval”/轨迹间距，通过程序计算得到的机器位置会被存储到数据库中，轨迹间距主要用来定义记录的频率。

缺省值是0.1m，即每掘进0.1m记录一次。

“ProjectChainageOffset”/项目里程偏差，通过这项设置可以得到一些额外的信息，不仅可以显示中线里程，也可以获得掘进的实际进程。

“ProjectChainageDirection”/项目里程方向，当盾构机往大里程方向掘进时，设定值为“1”，往小里程方向掘进时，设定值为“-1”。

“ColorLimits”/颜色设置，在工作屏幕上可以显示盾构机轴线与隧道轴线的对比。

偏差值不只是通过数值的方式显示，也通过色彩的变化与箭头来显示，并给出如何回到设计线路上的提示。

这里的值就是来定义什么情况下发生颜色变化。

“Enlargements”/窗口缩放，用来控制各个显示窗口的大小，可以使用Pos1与End键来调整。

3.8PushCylinders/推进油缸

“CylinderOrientations”/油缸方位，需要输入它们的位置。

观察方向是从盾尾向刀盘，第一个油缸是在顶部或者右上部，沿顺时针方向计数。

如果在图纸上无法找到这些信息，就必须测量它们的位置。

“CylinderValueOffsets”/油缸伸长量偏差，如果油缸最终缩回时不是零，就必须输入这个偏差。

“DistTBMAxistoCylinder”需要输入油缸到盾构机轴线的距离。

“Dist.PushCylZerotoFrontCylZero”是指推进油缸完全回零时到前盾前端的距离。

3.9RingBuildOptions/管片拼装设置

管片计算是PPS导向系统的重要组成部分。

它可以根据盾构机的位置信息，油缸伸长量，盾尾间隙（手动或者自动测量四个位置）和上一环已经拼装完成的管片，来计算最合适的下一环管片，以达到最佳的拼装效果。

“OrientationsofTailclearancemeasurements”/盾尾间隙测量的方位，需要在这里输入测量盾尾间隙的四个位置的角度。

“tocalculate”和“toshow”分别是将要计算和显示的管片数目。

“forfixedpre-calculation”，是预先计算的管片数目，这个值不宜过大，否则系统的计算速度会受到影响。

“minimumradius”是管片的最小转弯半径。

4、移站

当所有的参数都设置完成之后，就可以通过程序中“Survey”→“Run”启动自动测量系统了。

如果所有的组件都正确安装，系统自动检查输入值与测量值通过之后，根据测得的数据，就可以把盾构机的姿态计算并显示出来。

在如上的工作窗口中，系统给出了盾构机的三视图和滚动及俯仰值，并在右下角给出了刀盘中心的坐标及里程，我们可以根据这些信息确定盾构机当前的姿态，并在接下来的掘进过程中进行调整，让线路能更好地与设计中线相吻合。

随着盾构机的往前推进，每隔一定的距离就必须进行全站仪的移站，这是因为全站仪的测量精度受隧道环境的影响，全站仪与参考棱镜的距离为80m时比较合适,在曲线地段还要考虑测量窗口与线路的影响。

激光全站仪的移站可分为人工移站和自动移站两种方式：

1.人工移站

移站之前先在主控室里关闭测量程序，之后才能对全站仪进行操作。

先后视参考棱镜以确定方位，再把参考棱镜连基座一起拆下来装在前方的托架上，测出棱镜中心的三维坐标。

然后交换全站仪和参考棱镜的位置，这时候就需要把基座留在托架上，只把仪器的上半部分拆下来交换位置，以保证前后两个点的坐标不发生变化。

再把无线信号处理器固定好，给全站仪接上电源，再把全站仪后视参考棱镜，测出两个自动棱镜的水平角和竖直角，然后关闭全站仪。

回到主控室里，启动PPS程序，按“Setup”→“Orientationsetup”进入编辑窗口，输入激光全站仪中心和参考棱镜中心的三维坐标，以及自动棱镜的水平角和竖直角，保存之后关闭编辑窗口。

再按“定位—F5”键，给激光全站仪定位。

定位完成后，再按“Survey”→“Run”开始测量，系统会自动检查全站仪和后视棱镜的坐标有没有错误。

如果超限，将会弹出警告信息。

如果正常的话，通过测量和计算，系统最终会显示盾构机的姿态，这样就完成了人工移站的全过程。

2.自动移站

PPS导向程序带有自动移站功能，移站的过程除了托架和全站仪及后视棱镜的安装，其它测量工作都可以通过此功能完成。

通过程序的“Survey”→“SetnewTotalStationposition”开始进行自动移站，操作过程如下。

首先是后视参考棱镜来确定方位，系统会自动检查此次测量的结果是否与方位设置中的值相符，如果检查通过，测量结果将会被自动记录下来。

接着把参考棱镜拆下来安在前方的托架上，当然这个托架应该在开始移站之前就准备好，然后把仪器转向瞄准参考棱镜，并在控制室的电脑上按下一步，系统将会自动开始测量，参考棱镜中心的三维坐标将会被计算出来。

然后要交换全站仪和参考棱镜的位置，它们的基座必须留在托架上，这样才能保证前后两个点的坐标在交换位置后不发生变化。

之后要为新的全站仪平台提供电源，并把无线信号处理器安装好。

最后把全站仪转向后棱镜的位置，然后在控制室按下确定键，新的坐标和方位将会被测量并设置。

需要注意的是，无论是人工移站或者是自动移站，通过新的全站仪平台测得的盾构机位置，不能与移站之前有大于5mm的误差。

因此为了可以进行对比，一定要在盾构机停机时进行移站操作。

5、管片拼装

每当盾构机掘进一定的距离，就需要进行管片拼装，可以按“开始拼装”或F10，起动管片拼装程序。

这时上一次的测量信息将被存储，测量系统停止工作，视窗和信息便被锁定。

如果所有的参数都可以通过PLC采集到，这时就可以通过按“Calcrings”进入下一步。

如果没有安装PLC控制器或临时出现故障，就需要人工测量盾尾间隙和油缸伸长量并在如上窗口中输入。

在管片窗口里，将要拼装的管片会高亮显示。

根据管片拼装设置中的设定，接下来5环管片的拼装位置将会被计算，并在视窗中显示出来，关键块会被高亮的蓝色显示出来。

如果显示的管片拼装位置不能满足需要，可以按“Changering”改变管片的拼装位置。

可供选择的拼装位置都是经过程序计算，不会产生通缝的情况，主要是考虑调整盾尾间隙的需要或者一些其它的特殊情况。

调整好拼装位置后，按“Ringbuild”回到拼装窗口，同时实际的盾尾间隙和油缸伸长量（压到管片上的新的伸长量）会被自动测量。

如果没有自动测量传感器，需要手动测量盾尾间隙并输入。

管片拼装完成之后，按“Savering”，所有的参数将会被写入数据库，并可用于提供管片拼装报告。

6、管片拼装报告

当拼装和重新测量盾尾间隙完成后，这一环管片的信息将会被存储下来。

所有相关的数据都可以通过管片拼装报告来显示，当然也可以打印出来。

这项功能通过“Database”→“Ringreport”来实现，其中储存了所有的管片拼装信息。

打印某一环的拼装报告样式如下：