摘要：本文主要介绍激光导向系统的组成、特点及其原理，阐述了在掘进施工中偏差的原因、偏差的控制措施及最终贯通偏差的控制。
关键词：激光导向；TBM；偏差；控制网；贯通
1.前言
随着长隧洞和超长隧洞施工的需要，TBM在隧洞开挖中占据了主导地位。TBM全称全断面岩石掘进机，采用了计算机控制、传感器、测量、通信技术等，是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的成套设备，具有自动化程度高的优点。为了避免TBM掘进严重偏离轴线造成重大质量事故，控制掘进的方向成为了重中之重。常规人工测量方法速度慢、精度低、易出错，无法满足TBM持续开挖的需要，因此激光导向系统作为一种新的施工测量方法完美替代了常规人工测量，大幅度减轻现场测量人员的劳动强度和工作压力，系统各部件规格及测量精度满足TBM施工测量要求。
2.激光导向系统的原理
激光导向系统具有施工数据采集功能、TBM姿态管理功能、施工数据管理功能以及施工数据实时远传功能，操作简单、方便、易于维护。
2.1激光导向系统的特点
（1）测量和计算TBM的位置，以图形和数字的方式直观显示；
（2）自动检查全站仪定向偏差，激光靶偏差，确保测量值的准确性；
（3）TBM推进姿态及过程中的资料采集；
（4）通过标准的线形设计要素计算隧道设计轴线，隧道中线坐标计算更简单易行；
2.2硬件组成
TBM激光导向系统硬件部分由带自动马达的全站仪、后视棱镜、激光靶（也可用两颗前视棱镜）、无线电台、数据传输电缆、控制盒、系统计算机等组成。
2.3软件
系统软件由VB.NET语言开发，测量主界面以图形和数字结合的方式显示盾构机的姿态信息、系统各硬件的状态信息；每一次测量成功后信息都将被软件保存,可供后期校核分析。
2.4导向原理
激光导向系统的目的在于提供TBM位置信息，包括航向、滚动角、俯仰角、里程等，显示TBM相对于隧道设计中线的偏差，用数字的形式显示在计算机上，指引TBM回到设计方向。
激光导向的重点在于确定盾首中心、盾尾中心、激光靶坐标、俯仰角、滚动角、方位角。首先在TBM静止状态下，以工程坐标系为基准，确定以上位置的坐标及角度，通过软件的计算得出静止状态下TBM盾首中心、盾尾中心与激光靶在三维空间的位置；然后将所得数据输入计算机软件中，此时盾首中心、盾尾中心、激光靶位置关系已知且固定，在TBM掘进过程中，全站仪测量出激光靶的实时坐标，通过软件计算激光靶的实时坐标及3个角度就可以反算出盾首及盾尾的中心坐标，将盾首及盾尾的中心坐标与设计中线坐标进行对比后，把位置偏差以数字形式显示在计算机上,TBM司机通过显示的偏差调整掘进方向。
3．施工中导向偏差产生的因素
根据三台TBM施工经验,影响偏差的因素主要可分为人的因素、TBM与导向系统的因素、前移全站仪换站的因素、平面网、高程网的因素及其他外界的因素。
3.1人的因素
人的因素又分为测量人员及TBM司机的因素。测量人员未能完全掌握导向系统的原理及操作方法，未能经常检查维护系统各部件位置是否发生位移、电缆线等是否发生破损；TBM司机粗心大意，未密切观察计算机显示的偏差，盲目掘进，掘进速度过快，不注意调向。
3.2 TBM与导向系统的因素
导向系统的系统误差：在确定盾首、盾尾、激光靶位置关系时，由于全站仪精度、点位坐标的精度、设站的精度，会对三者位置关系产生一个固定的系统误差；TBM本身的影响：机器在掘进过程中产生的震动会对激光靶位置造成影响，对控制盒的各端接口造成数据传输不稳定，从而导致偏差。
3.3前移全站仪换站的因素
随着TBM的推进，激光靶与后挂全站仪距离越来越远，当超过测量距离须进行前移换站。重复换站的次数、隧道内粉尘密度的大小、湿度与温度的高低、放置仪器吊篮的稳定性都会对换站产生误差影响。
3.4平面控制网、高程网的因素
平面控制网、高程网是影响偏差的重要因素，测设的精度直接影响TBM掘进及贯通偏差。控制网的布设方法、施测方法、测量仪器的选择、首级控制网的精度等原因决定了平面及高程网的精度。
3.5其他外界因素
外界因素包括：TBM掘进时隧道内粉尘密度的大小、洞内的温度与湿度等原因影响测量激光靶的精度；流动人员有意或无意遮挡仪器与激光靶、测量激光靶的时间间隔、掘进速度的快慢、掌子面地质条件、刀具磨损情况、两侧撑靴的压力是否一致；电磁干扰或折光会引起无线电台数据传输不稳定等，以上这些因素都会导致掘进发生偏差。
4．导向偏差控制措施
针对以上因素，可以通过下列控制措施来提高掘进的质量。
4.1人的控制措施
测量人员和TBM司机必须完整掌握激光导向系统的原理及操作方法，建立完善的规章制度，提高测量人员及TBM司机的技能水平，严守操作规程，不马虎、不大意，施工采用人工测量方法进行校核。
4.2 TBM与导向系统的控制措施
在初始确定盾首中心、盾尾中心、激光靶位置关系时，使用的全站仪和点位坐标要保证足够的精度，设站时要反复校核，减小系统误差；停机维护时，要有专业的人员对系统各部件及系统参数进行维护检查，保证系统的正常运行；掘进时，测量人员要随时对全站仪、激光靶和等各部件进行检查，一旦出现突然异常，要停止掘进，不能在无导向的情况下盲掘，待故障排除后，方可重新掘进。
4.3前移全站仪换站的控制措施
换站要在停机维护、外界环境稳定时进行，重复累计换站不要超过三次，三次后要从施测过满足精度要求的平面控制网对后视棱镜、全站仪站点坐标进行校正，减少换站的累计误差；放置仪器、棱镜的吊篮要牢牢固定在洞壁上，不能晃动（吊篮安装如下图所示）；掘进过程中，要随时校核后视棱镜，若出现后视定向误差较大时，应及时对吊篮位置进行校正。
图片3：全站仪吊篮
4.4平面控制网、高程网的控制措施
平面控制网、高程网可通过以下几点措施来进行精度控制。
（1）首级控制网的复测：在测量工作开始前，要对设计院提供的首级控制网进行复测并以同等级平面网加密近洞点。复测可用1″级全站仪多测回测角的方式自动观测或使用GPS进行复测，加密时需以与首级控制网同等级平面网进行，高程网用二等水准进行复测加密。复测及加密时要严格按照测量规范施测。
5．结语
激光导向系统使采用TBM工法的隧道极大的提高了准确性、简便性、自动化性。全面理解导向系统的原理和偏差产生的因素，有助于施工人员在TBM的施工中及时发现、解决问题，做好预防措施，重点把控对掘进偏差影响较大的因素，保证隧道的正确掘进和贯通。随着测量及技术的不断发展，TBM施工测量技术还会有很大的提高。高精度、自动化、智能控制是TBM测量的发展方向。
参考文献：
[1] 杜彦良 杜力杰等编著.岩石隧道掘进机（TBM）施工及工程实例「M」.北京：中国铁道出版社，2004
论文作者:朱江涛,何倩
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/9/18
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