盾构机导向系统应用及故障处理

孙源鑫+沈津丞+齐鹏

摘 要：通过对盾构机导向系统结构和工作原理的深入剖析，结合盾构机导向系统常见故障，总结出盾构机导向系统常见故障的处理经验。

关键词：盾构机；导向系统；故障

引言

盾构机导向系统属于盾构机核心系统，一旦发生故障将直接导致盾构机无法正常施工，在导向系统失灵的条件下，盾构机极易造成姿态偏差，严重影响盾构掘进施工的安全。因此，熟悉并掌握盾构机导向系统的故障处理方法，在日常保养和维修等方面采取积极有效的措施，可以大大提高导向系统的稳定性和准确性。

1 盾构机导向系统结构

1.1 系统构成

整个系统由硬件及软件两部分构成[1]。硬件部分可以分为测量单元、控制单元、目标单元及通讯单元四部分。软件部分可分为四大模块：线形计算模块、管片管理模块、历史查询模块、测量模块。

1.2 硬件组成

TS15全站仪：测距和方位传递。

徕卡后视棱镜组：确定大地坐标系（施工坐标系）。

研祥工业计算机：RMS-D 软件的运行、数据处理和备份。

激光靶控制盒：激光靶的供电及数据传输。

三维电子激光靶：确定 TBM 位置与角度。

徕卡29电台：全站仪与电脑无线通讯。

1.3 全站仪和激光靶的安装

全站仪安装在特制的吊篮的强制归心螺丝上，吊篮通过膨胀螺丝或者管片安装螺丝固定在管片上。由于部分管片拼装好以后有可能渗水，安装吊篮之前要检测安装的位置以后是否可能会渗水。后视棱镜组同样安装在吊篮上，安装时注意与全站仪的通视。

RMS-D的激光靶安装在力信特制的安装支架上，安装支架出厂前或者在施工现场焊接中盾上，。激光靶安装固定在盾构机尾部，当目标单元激光靶通讯异常或者不能测量时，R-MSD自动导向系统软件会弹出报警提示，提醒对方目标单元前面可能有障碍物遮挡或目标单元上异物覆盖。

2 盾构机导向系统工作原理

激光靶内置相机和倾斜仪，在盾构掘进中全站仪测量激光靶的坐标以及全站仪与激光靶之间的方位角，同时通过相机和倾斜仪，获取盾构机旋转和俯仰角的变化量以及不可见激光与激光靶的夹角[2]。综合以上参数，根据激光靶相对于盾构机空间位置关系固定不变的原理，计算出在大地坐标系下盾构机盾首和盾尾的坐标，与隧道设计线比较，计算出盾构机姿态。

R-MSD自动导向系统主界面相关参数意义：（1）滚动角：表示盾构机的滚动角度，盾构机相对于水平面顺时针转动表示正值，逆时针转转动表示负值。（2）俯仰角：表示盾构机的俯仰角度，盾构机相对于水平面前高后低为正，后高前低为负。（3）偏差定义：平面偏差，+表示右偏设计线，-表示左偏设计线。高程偏差，+表示高于设计线，-表示低于设计线。（4）里程定义：表示盾构机刀盘在隧道计划线中当前位置。（5）开累长度定义：表示盾构机掘进长度。（6）环号定义：表示盾构机当前掘进第多少环。（7）盾首水平趋向偏差：表示盾构机前进一米在水平方向上姿态的变化量。图中红线代表盾构机轴线，绿线代表设计线。红线首端代表盾首，尾端代表盾尾。若水平姿态为负值，红线在绿线左边，若水平姿态为正值，红线在绿线右边。（8）盾首垂直趋向偏差：表示盾构机前进一米在垂直方向上姿态的变化量。图中红线代表盾构机轴线，绿线代表设计线。红线首端代表盾首，尾端代表盾尾。若垂直姿态为负值，红色轴线在设计线下方，若垂直姿态为正值，红色轴线在设计线上方。

3 換站测量

RMS-D中有两种换站测量的方法：自动换站和手动换站。

3.1 手动搬站

（1）人工测量新站点坐标。（2）将全站仪安装在新站点上，对中整平，对准后视棱镜。（3）将所测的的站点坐标输入到 换站测量→点坐标 ，点属性包括：自由点、测站点、后视点，根据实际情况选择，测站点和后视点仅有一个。添加完成后进行保存。（4）进入 换站测量→设站，输入仪器高和棱镜高，检查测站和后视坐标，确认无误，点击 测量 按钮进行测量；偏差在允许范围内。（5）点击 设站定向 按钮完成设站定向。

3.2 自动搬站测量

（1）电脑控制全站仪在原站点完成设站定向。（2）新站点处安放棱镜，人工让全站仪照准棱镜。（3）换站测量→移站 完成新站点的正倒镜测量，并调用新站点坐标。（4）将全站仪搬到新站点，对中整平，照准后视棱镜。（5）测量→设站 完成设站定向。

4 系统报警及故障处理

4.1 全站仪变红

问题描述：全站仪的连接不正确。

检查原因：（1）全站仪是否开启，连接线缆和接插件破损；（2）通讯电台天线或接插件松脱。

解决方法：（1）检查全站仪是否开启，吊篮上机操作室的Y型线缆是否破损；（2）检查全站仪和软件、工控机端口设置；（3）利用电台调试软件检查电台端口设置。

4.2 激光靶变红

问题描述：激光靶的连接不正确。

检查原因：（1）激光靶未正确连接；（2）激光靶端口设置不对。

解决方法：（1）检查激光靶到控制盒，控制盒到电脑的连线是否正确连接；（2）系统软件的激光靶 IP地址应为 192.168.0.232，端口号7777。工控机上IP地址应设置为192.168.0.1-192.168.0.254（不能使用 192.168.0.232），设置完毕后点击激光靶初始化。若激光靶按钮不能变绿，重启控制盒电源，等待10秒重启软件。

4.3 搬站后姿态突变

问题描述：水平整体往一个方向突变，垂直没有突变或者突变很小。

可能原因：搬站前全站仪方位错误，搬站后重新设站定向后姿态突变为正确值。一般在搬站前全站仪补偿器超限、管片水平扭动、吊篮不稳可能会造成上述问题。

4.4 地面监控系统连接不上

检查通讯线路是否被破坏

检查被控端程序是否启动

4.5 自动弹出全站仪对话框

问题描述：全站仪补偿器超限。

检查原因：（1）吊篮松动导致气泡超限；（2）管片上浮。

解决方法：重新整平全站仪气泡，在导向系统软件内重新设站定向。若问题经常出现，建议更换吊篮的安装位置。

4.6 主界面所有数据清零

问题描述：软件启动后没有显示上一次的测量姿态值。

检查原因：（1）软件非法退出；（2）当前工程项目名称不对。

解决方法：（1）打开任务管理器，强制结束RMSD.exe的线程；（2）进入基础数据菜单的工程信息栏调入正确工程，进入基本设置导入正确的盾构参数。

4.7 网络传输错误

问题描述：全站仪、激光靶通讯异常

检查原因：（1）激光靶的通讯线松脱；（2）控制盒断电。

解决方法：（1）检查通讯线是否连接正常；（2）检查 TCP/IP 设置是否正确；（3）关闭软件，重新启动控制盒 10 秒钟后进入系统。

4.8 获取坐标 只有角度有效，重试

问题描述：测量角度正确，具体坐标获取失败。

检查原因：（1）全站仪水平气泡没有整平；（2）全站仪设置不对；（3）目标单元被部分遮挡。

解决方法：（1）重新整平气泡，使气泡在全站仪补偿范围内；（2）在全站仪设置棱镜常数栏中检查是否设置的是徕卡圆棱镜（棱镜常数为0），查看全站仪的补偿器、测量模式、氣象条件等是否设置正确；（3）检查目标单元是否被遮挡。

5 结论

为了保证盾构施工的连续性，在日常设备保养工作中，对导向系统应给予足够的重视，至少应保证做到以下9项工作要求，方可保持导向系统连续工作。（1）每日至少检查一次激光靶镜片是否有泥浆或者水珠。（2）每日检查全站仪目镜和键盘是否有泥浆。（3）每周检查吊篮和后视是否会被撞到。（4）安装测站时注意管片漏水。（5）每隔一段时间需要通过特征点来检核系统姿态，连续工作一个月后完成一次。（6）经常检查全站仪补偿器是否超限。（7）至少一个月进行一次数据备份，将测量系统数据库备份至U盘或者移动硬盘。（8）至少半年检核一次全站仪的补偿器、ATR指标差。（9）根据隧道线路规划需要，实时检查全站仪和棱镜的通视空间、及时搬站。

参考文献

[1]王铁生，马开锋，张冰.盾构隧道导向系统的设计与开发[J].铁道建筑，2009，（9）：56-58.

[2]高墅.常见盾构全站仪导向系统的对比分析[J].现代隧道技术，2015，52（5）：200-205.