盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)應(yīng)用及故障處理

孫源鑫+沈津丞+齊鵬

摘 要：通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理的深入剖析，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)常見(jiàn)故障，總結(jié)出盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)常見(jiàn)故障的處理經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；導(dǎo)向系統(tǒng)；故障

引言

盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)屬于盾構(gòu)機(jī)核心系統(tǒng)，一旦發(fā)生故障將直接導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)無(wú)法正常施工，在導(dǎo)向系統(tǒng)失靈的條件下，盾構(gòu)機(jī)極易造成姿態(tài)偏差，嚴(yán)重影響盾構(gòu)掘進(jìn)施工的安全。因此，熟悉并掌握盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)的故障處理方法，在日常保養(yǎng)和維修等方面采取積極有效的措施，可以大大提高導(dǎo)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

1 盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)系統(tǒng)由硬件及軟件兩部分構(gòu)成[1]。硬件部分可以分為測(cè)量單元、控制單元、目標(biāo)單元及通訊單元四部分。軟件部分可分為四大模塊：線形計(jì)算模塊、管片管理模塊、歷史查詢模塊、測(cè)量模塊。

1.2 硬件組成

TS15全站儀：測(cè)距和方位傳遞。

徠卡后視棱鏡組：確定大地坐標(biāo)系（施工坐標(biāo)系）。

研祥工業(yè)計(jì)算機(jī)：RMS-D 軟件的運(yùn)行、數(shù)據(jù)處理和備份。

激光靶控制盒：激光靶的供電及數(shù)據(jù)傳輸。

三維電子激光靶：確定 TBM 位置與角度。

徠卡29電臺(tái)：全站儀與電腦無(wú)線通訊。

1.3 全站儀和激光靶的安裝

全站儀安裝在特制的吊籃的強(qiáng)制歸心螺絲上，吊籃通過(guò)膨脹螺絲或者管片安裝螺絲固定在管片上。由于部分管片拼裝好以后有可能滲水，安裝吊籃之前要檢測(cè)安裝的位置以后是否可能會(huì)滲水。后視棱鏡組同樣安裝在吊籃上，安裝時(shí)注意與全站儀的通視。

RMS-D的激光靶安裝在力信特制的安裝支架上，安裝支架出廠前或者在施工現(xiàn)場(chǎng)焊接中盾上，。激光靶安裝固定在盾構(gòu)機(jī)尾部，當(dāng)目標(biāo)單元激光靶通訊異?；蛘卟荒軠y(cè)量時(shí)，R-MSD自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)軟件會(huì)彈出報(bào)警提示，提醒對(duì)方目標(biāo)單元前面可能有障礙物遮擋或目標(biāo)單元上異物覆蓋。

2 盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)工作原理

激光靶內(nèi)置相機(jī)和傾斜儀，在盾構(gòu)掘進(jìn)中全站儀測(cè)量激光靶的坐標(biāo)以及全站儀與激光靶之間的方位角，同時(shí)通過(guò)相機(jī)和傾斜儀，獲取盾構(gòu)機(jī)旋轉(zhuǎn)和俯仰角的變化量以及不可見(jiàn)激光與激光靶的夾角[2]。綜合以上參數(shù)，根據(jù)激光靶相對(duì)于盾構(gòu)機(jī)空間位置關(guān)系固定不變的原理，計(jì)算出在大地坐標(biāo)系下盾構(gòu)機(jī)盾首和盾尾的坐標(biāo)，與隧道設(shè)計(jì)線比較，計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)。

R-MSD自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)主界面相關(guān)參數(shù)意義：（1）滾動(dòng)角：表示盾構(gòu)機(jī)的滾動(dòng)角度，盾構(gòu)機(jī)相對(duì)于水平面順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)表示正值，逆時(shí)針轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)表示負(fù)值。（2）俯仰角：表示盾構(gòu)機(jī)的俯仰角度，盾構(gòu)機(jī)相對(duì)于水平面前高后低為正，后高前低為負(fù)。（3）偏差定義：平面偏差，+表示右偏設(shè)計(jì)線，-表示左偏設(shè)計(jì)線。高程偏差，+表示高于設(shè)計(jì)線，-表示低于設(shè)計(jì)線。（4）里程定義：表示盾構(gòu)機(jī)刀盤在隧道計(jì)劃線中當(dāng)前位置。（5）開(kāi)累長(zhǎng)度定義：表示盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)長(zhǎng)度。（6）環(huán)號(hào)定義：表示盾構(gòu)機(jī)當(dāng)前掘進(jìn)第多少環(huán)。（7）盾首水平趨向偏差：表示盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)一米在水平方向上姿態(tài)的變化量。圖中紅線代表盾構(gòu)機(jī)軸線，綠線代表設(shè)計(jì)線。紅線首端代表盾首，尾端代表盾尾。若水平姿態(tài)為負(fù)值，紅線在綠線左邊，若水平姿態(tài)為正值，紅線在綠線右邊。（8）盾首垂直趨向偏差：表示盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)一米在垂直方向上姿態(tài)的變化量。圖中紅線代表盾構(gòu)機(jī)軸線，綠線代表設(shè)計(jì)線。紅線首端代表盾首，尾端代表盾尾。若垂直姿態(tài)為負(fù)值，紅色軸線在設(shè)計(jì)線下方，若垂直姿態(tài)為正值，紅色軸線在設(shè)計(jì)線上方。

3 換站測(cè)量

RMS-D中有兩種換站測(cè)量的方法：自動(dòng)換站和手動(dòng)換站。

3.1 手動(dòng)搬站

（1）人工測(cè)量新站點(diǎn)坐標(biāo)。（2）將全站儀安裝在新站點(diǎn)上，對(duì)中整平，對(duì)準(zhǔn)后視棱鏡。（3）將所測(cè)的的站點(diǎn)坐標(biāo)輸入到 換站測(cè)量→點(diǎn)坐標(biāo) ，點(diǎn)屬性包括：自由點(diǎn)、測(cè)站點(diǎn)、后視點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況選擇，測(cè)站點(diǎn)和后視點(diǎn)僅有一個(gè)。添加完成后進(jìn)行保存。（4）進(jìn)入 換站測(cè)量→設(shè)站，輸入儀器高和棱鏡高，檢查測(cè)站和后視坐標(biāo)，確認(rèn)無(wú)誤，點(diǎn)擊 測(cè)量 按鈕進(jìn)行測(cè)量；偏差在允許范圍內(nèi)。（5）點(diǎn)擊 設(shè)站定向 按鈕完成設(shè)站定向。

3.2 自動(dòng)搬站測(cè)量

（1）電腦控制全站儀在原站點(diǎn)完成設(shè)站定向。（2）新站點(diǎn)處安放棱鏡，人工讓全站儀照準(zhǔn)棱鏡。（3）換站測(cè)量→移站 完成新站點(diǎn)的正倒鏡測(cè)量，并調(diào)用新站點(diǎn)坐標(biāo)。（4）將全站儀搬到新站點(diǎn)，對(duì)中整平，照準(zhǔn)后視棱鏡。（5）測(cè)量→設(shè)站 完成設(shè)站定向。

4 系統(tǒng)報(bào)警及故障處理

4.1 全站儀變紅

問(wèn)題描述：全站儀的連接不正確。

檢查原因：（1）全站儀是否開(kāi)啟，連接線纜和接插件破損；（2）通訊電臺(tái)天線或接插件松脫。

解決方法：（1）檢查全站儀是否開(kāi)啟，吊籃上機(jī)操作室的Y型線纜是否破損；（2）檢查全站儀和軟件、工控機(jī)端口設(shè)置；（3）利用電臺(tái)調(diào)試軟件檢查電臺(tái)端口設(shè)置。

4.2 激光靶變紅

問(wèn)題描述：激光靶的連接不正確。

檢查原因：（1）激光靶未正確連接；（2）激光靶端口設(shè)置不對(duì)。

解決方法：（1）檢查激光靶到控制盒，控制盒到電腦的連線是否正確連接；（2）系統(tǒng)軟件的激光靶 IP地址應(yīng)為 192.168.0.232，端口號(hào)7777。工控機(jī)上IP地址應(yīng)設(shè)置為192.168.0.1-192.168.0.254（不能使用 192.168.0.232），設(shè)置完畢后點(diǎn)擊激光靶初始化。若激光靶按鈕不能變綠，重啟控制盒電源，等待10秒重啟軟件。

4.3 搬站后姿態(tài)突變

問(wèn)題描述：水平整體往一個(gè)方向突變，垂直沒(méi)有突變或者突變很小。

可能原因：搬站前全站儀方位錯(cuò)誤，搬站后重新設(shè)站定向后姿態(tài)突變?yōu)檎_值。一般在搬站前全站儀補(bǔ)償器超限、管片水平扭動(dòng)、吊籃不穩(wěn)可能會(huì)造成上述問(wèn)題。

4.4 地面監(jiān)控系統(tǒng)連接不上

檢查通訊線路是否被破壞

檢查被控端程序是否啟動(dòng)

4.5 自動(dòng)彈出全站儀對(duì)話框

問(wèn)題描述：全站儀補(bǔ)償器超限。

檢查原因：（1）吊籃松動(dòng)導(dǎo)致氣泡超限；（2）管片上浮。

解決方法：重新整平全站儀氣泡，在導(dǎo)向系統(tǒng)軟件內(nèi)重新設(shè)站定向。若問(wèn)題經(jīng)常出現(xiàn)，建議更換吊籃的安裝位置。

4.6 主界面所有數(shù)據(jù)清零

問(wèn)題描述：軟件啟動(dòng)后沒(méi)有顯示上一次的測(cè)量姿態(tài)值。

檢查原因：（1）軟件非法退出；（2）當(dāng)前工程項(xiàng)目名稱不對(duì)。

解決方法：（1）打開(kāi)任務(wù)管理器，強(qiáng)制結(jié)束RMSD.exe的線程；（2）進(jìn)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)菜單的工程信息欄調(diào)入正確工程，進(jìn)入基本設(shè)置導(dǎo)入正確的盾構(gòu)參數(shù)。

4.7 網(wǎng)絡(luò)傳輸錯(cuò)誤

問(wèn)題描述：全站儀、激光靶通訊異常

檢查原因：（1）激光靶的通訊線松脫；（2）控制盒斷電。

解決方法：（1）檢查通訊線是否連接正常；（2）檢查 TCP/IP 設(shè)置是否正確；（3）關(guān)閉軟件，重新啟動(dòng)控制盒 10 秒鐘后進(jìn)入系統(tǒng)。

4.8 獲取坐標(biāo) 只有角度有效，重試

問(wèn)題描述：測(cè)量角度正確，具體坐標(biāo)獲取失敗。

檢查原因：（1）全站儀水平氣泡沒(méi)有整平；（2）全站儀設(shè)置不對(duì)；（3）目標(biāo)單元被部分遮擋。

解決方法：（1）重新整平氣泡，使氣泡在全站儀補(bǔ)償范圍內(nèi)；（2）在全站儀設(shè)置棱鏡常數(shù)欄中檢查是否設(shè)置的是徠卡圓棱鏡（棱鏡常數(shù)為0），查看全站儀的補(bǔ)償器、測(cè)量模式、氣象條件等是否設(shè)置正確；（3）檢查目標(biāo)單元是否被遮擋。

5 結(jié)論

為了保證盾構(gòu)施工的連續(xù)性，在日常設(shè)備保養(yǎng)工作中，對(duì)導(dǎo)向系統(tǒng)應(yīng)給予足夠的重視，至少應(yīng)保證做到以下9項(xiàng)工作要求，方可保持導(dǎo)向系統(tǒng)連續(xù)工作。（1）每日至少檢查一次激光靶鏡片是否有泥漿或者水珠。（2）每日檢查全站儀目鏡和鍵盤是否有泥漿。（3）每周檢查吊籃和后視是否會(huì)被撞到。（4）安裝測(cè)站時(shí)注意管片漏水。（5）每隔一段時(shí)間需要通過(guò)特征點(diǎn)來(lái)檢核系統(tǒng)姿態(tài)，連續(xù)工作一個(gè)月后完成一次。（6）經(jīng)常檢查全站儀補(bǔ)償器是否超限。（7）至少一個(gè)月進(jìn)行一次數(shù)據(jù)備份，將測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)備份至U盤或者移動(dòng)硬盤。（8）至少半年檢核一次全站儀的補(bǔ)償器、ATR指標(biāo)差。（9）根據(jù)隧道線路規(guī)劃需要，實(shí)時(shí)檢查全站儀和棱鏡的通視空間、及時(shí)搬站。

參考文獻(xiàn)

[1]王鐵生，馬開(kāi)鋒，張冰.盾構(gòu)隧道導(dǎo)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].鐵道建筑，2009，（9）：56-58.

[2]高墅.常見(jiàn)盾構(gòu)全站儀導(dǎo)向系統(tǒng)的對(duì)比分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015，52（5）：200-205.