日本演算工坊(ENZAN)自动导向系统概述
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日本演算工坊（ENZAN）自动导向系统浅析
崔广宇
（中铁九局集团有限公司沈阳地铁项目部，沈阳110013 ）
摘要：结合沈阳地铁一号线第五标段两个盾构区间、沈阳地铁二号线第十六标一个区间隧道掘进的测量实践，对日本演算工坊（ENZAN）自动导向系统进行了研究，阐述了自动导向系统姿态定位测量的原理和方法，以及自动导向系统调试方法和换站步骤。
关键词：地铁；盾构；自动导向系统
1前言
随着科学技术的发展，激光导向技术已经广泛应用于隧道掘进施工中。
其原理就是利用具有良好直线性光束的激光投射到盾构里，通过数据计算使盾构操作人员及时了解盾构的偏离、偏转情况，并随时纠正掘进方向，保证隧道施工的质量，提高隧道施工进度。
本文主要以沈阳地铁一号线重工街～启工街区间、启工街～保工街区间、沈阳地铁二号线下深沟～上深沟区间隧道掘进的测量项目为背景，阐述了演算工坊（ENZAN）自动导向系统定位测量的功能、原理、调试方法及换站步骤。
2自动导向系统的主要作用
盾构在掘进中由于地层阻力、刀盘掘削反力及推力千斤顶作用力不均等原因，使盾构偏离设计轴线。
自动导向系统主要有以下作用：
（1）可以通过隧道设计的几何元素计算出隧道的理论轴线。
（2）通过测倾仪器测量盾构的俯仰角和滚动角并予以显示。
（3）在显示器上实时以图形直观显示盾构轴线相对于隧道设计轴线的偏差，便于盾构操作人员根据偏差随时调整盾构掘进的姿态，使盾构轴线逼近隧道设计轴线。
（4）通过调制解调器和电话线与地面监控室电脑建立网络联系，将盾构掘进数据传输到监控室，便于工程管理人员实时监控盾构的掘进情况，查阅各环的掘进资料、测量资料及其他资料。
3演算工坊（ENZAN）自动导向系统的基本原理
演算工坊（ENZAN）自动导向系统通过全站仪测量设置在盾构中盾上方固定位置上的三个目标棱镜的绝对坐标（一般设置三个，其中一个备用），根据预先测定棱镜与盾构机切口和盾尾的相对位置关系以及盾构的俯仰角、滚动角推算出切口和盾尾的绝对坐标。
然后将切口和盾尾的绝对坐标与设计轴线相比较得出盾构的偏离情况，即平面偏差和高程偏差。
根据系统显示的轴线偏差和偏差趋势，以隧道设计轴线为目标，把偏差控制在设计要求范围内，从而达到通过控制盾构姿态来指导隧道掘进的目的。
盾构导向系统原理示意图
4演算工坊（ENZAN）自动导向系统的组成及其功能
日本演算工坊（ENZAN）的ROBOTEC自动测量系统主要由以下4个部分组成：
（1）具有自动照准目标功能的全自动马达全站仪，主要用于测量角度（水平角、垂直角）、距离和发射激光。
（2）高精度圆棱镜，主要用于接收、反射激光信号。
（3）计算机和隧道掘进软件，演算工坊（ENZAN）软件是自动测量系统的核心，它从全站仪等通信设备接收数据，并通过软件计算，把数据以数字和图形的形式显示在计算机上。
（4）通信电源箱，供给全站仪电源，保证全站仪和计算机之间的数据传输和通信。
5演算工坊（ENZAN）自动导向系统调试方法
在盾构组装始发前都要对导向系统进行调试。
始发前根据导线网测人工测量出切口中心、盾尾中心、全站仪站点、后视点绝对坐标以及盾构机俯仰角、滚动角。
将全站仪、后视点的三维坐标输入到计算机，机械校正盾构机俯仰角（头高为正）、滚动角（顺时为正）。
通过全站仪自动测量盾构机三个目标棱镜的绝对坐标。
进入TargetCalc.exe程序，输入全站自动测量的三个目标棱镜、人工测量的切口中心、盾尾中心绝对坐标以及俯仰角、滚动角。
程序会生成三个棱镜以切口中心为坐标原点建立的相对坐标系的坐标。
如下图：
其中平移长度请输入0即可，都输入完成后单击计算（俯仰角和旋转角须确认和盾构上的已经调适到一样）。
则棱镜几何坐标会出现计算结果，接着将结果输到下面的测量系统的棱镜设定画面中，进行目标间确认，保证三个目标棱镜的相对误差小于10mm。
根据设计图纸在CAD上画出隧道中线，在线形上每0.6m记录一个点，将数据导入Excel表格，进入senkei-ENG.exe程序（如下图），通过Excel表格生成一个线形文件，将线形文件拷贝到测量文件目录下，修改配置文件中线形显示的范围。
调试完成后在计算机上进行测量操作，即可显示盾构轴线相对隧道理论轴线的位置关系。
当隧道掘进完成后需要将存储的数据备份起来，以便以后查询使用。
6演算工坊（ENZAN）自动导向系统换站步骤
地铁隧道自动测量是一条支导线，它指示着盾构的推进方向，随着盾构机的推进延伸，全站仪也要向前换站，保证全站仪和目标棱镜的通视。
首先要记录换站前盾构的姿态坐标，在一号台车附近选定一环管片安装放置新站点的吊蓝，在吊篮上放置换站棱镜，新站点必须保持与全站仪通视。
通过自动导向系统的换站系统测定换站棱镜的坐标，然后将全站仪迁移至新吊篮上，后视点棱镜迁移至原站点吊篮上。
恢复全站仪通信电源，继续掘进，反复换站操作直至整条隧道贯通。
7结论
在沈阳地铁一号线重工街～启工街区间、启工街～保工街区间和沈阳地铁二号线下深沟～上深沟区间的实际应用中，自动导向系统共进行了三次始发调试，始发姿态精度均满足施工要求。
在盾构掘进施工过程中，自动导向系统实时监控，信息准确，动态连续，数据传输快速稳定，避免了人工测量的人为错误，减少了隧道测量人员的作业强度。
在贯通测量中，由于采用了先进的自动导向系统指导推进配合人工辅助测量，保证隧道准确贯通，满足贯通误差的精度要求。
参考文献：
[1] 陈馈、洪开荣、吴学松.《盾构施工技术》.人民交通出版社，2009
[2]周文波.《盾构法隧道施工技术及应用》.中国建筑工业出版社，2004
[3]《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999）.中国计划出版社，2003。
