浅谈盾构和TBM的导向系统

目前国内外使用的盾构和ＴＢＭ安装有自动导向系统，该系统具有施工数据采集、管理、实时传递以及姿态管理等功能，能自动精确测定盾构和ＴＢＭ的三维空间位置，给出其偏离设计中线的所有必要的导向信息。

运用导向系统连续不断地提供关于盾构和ＴＢＭ立体方位的最新信息，准确控制盾构和ＴＢＭ沿着设计的隧洞轴线方向掘进，将盾构和ＴＢＭ控制在设计隧道线路允许公差范围内，实现信息化施工。

盾构和ＴＢＭ的操作司机需要实时掌握其掘进方向，确认是否与隧道设计轴线方向一致，以便通过适当的控制、及时地进行纠偏，防止方向错误。

1　几种常见的导向系统我国目前使用的盾构主要有德国海瑞克、日本小松、法国ＮＦＭ、加拿大ＬＯＶＡＴ等，ＴＢＭ主要是美国罗宾斯、德国维尔特及海瑞克。

近几年，国产盾构越来越多地得到使用，如上海隧道股份、中国中铁等品牌。

在这些盾构和ＴＢＭ上使用的导向系统主要有：海瑞克公司盾构、ＴＢＭ使用的ＳＬＳ－Ｔ　ＡＰＤ系统，ＬＯＶＡＴ盾构使用的ＴＡＣＳ系统，小松盾构使用的ＲＯＢＯＴＥＣ测量系统，ＮＦＭ盾构、罗宾斯ＴＢＭ和盾构使用的ＰＰＳ系统，中国中铁盾构使用的ＺＥＤ系统等。

1.1　PPS 导向系统法国ＮＦＭ盾构和罗宾斯ＴＢＭ常用ＰＰＳ导向系统。

图１是ＰＰＳ导向系统的基本组成。

ＰＰＳ倾斜仪以及电动棱镜安装在机头架上，这些设备均采用密封和防震设计，具有良好的系统防水、防潮、防雾、防尘、防震性能。

该系统可以实时显示隧道掘进机的方位、姿态，导向系统全站仪的精度等级一般为２ｓ，有效距离达３００ｍ～５００ｍ，系统响应时间小于１ｓ，通过设定的位置偏离值，进行位置偏离报警。

1.2　TACS 导向系统ＬＯＶＡＴ盾构采用的ＴＡＣＳ导向系统是基于视频跟踪的全自动激光系统，为使用者提供有关盾构和隧道设计轴线的详细偏差信息，便于及时纠正盾构的姿态，精度２ｓ。

见图２。

浅谈盾构和ＴＢＭ的导向系统Talk about guide system of shield and TBM康宝生／ KANG Bao-sheng（中铁隧道集团有限公司专用　设备中心，河南　洛阳　４７１００９）介绍了目前我国城市地铁、铁路和水工隧道施工中比较常见的几种盾构和ＴＢＭ的导向系统。

通过对导向系统的基本组成、功能和影响导向系统精度的因素以及需要注意的问题进行分析，提出选用盾构和ＴＢＭ导向系统需要考虑的因素，具有一定的借鉴作用。

隧道掘进机；盾构；导向系统；组成；功能［摘　要］［关键词］图1　PPS 导向系统的基本组成１－自动瞄准全站仪；２－工业用ＰＣ；３－净空测量（可选件）；４－千斤顶数据传输；５－纵向横向倾斜仪；６－自动遮挡和打开的棱镜；７－数据传输；８－办公用ＰＣ（可选件）；９－后视棱镜；１０－无线链路1.3　小松盾构导向系统小松盾构采用ＲＯＢＯＴＥＣ测量导向系统，该系统可以保证通过高精度的仪器和软件来实现隧道工程施工中的测量作业。

本系统用和人工测量相同的以２目标点为平行校正的相同方式来测量，可以在短时间内高精度地进行位置计算，在看不到目标时，系统会自动地检测其他的目标（在前方设置３个测量点），进行尽可能的测量。

本系统通过各种设定项目，可以在现场发挥最佳状态，精度等级３ｓ。

见图３。

1.4　ZED导向系统ＺＥＤ导向系统指英国ＺＥＤ公司开发的ＺＥＤＧｌｏｂａｌ系统，是用来监视盾构和ＴＢＭ精确姿态的一种导向系统。

此系统提供了盾构和ＴＢＭ相对于隧道设计轴线的详细偏差信息，便于及时纠正盾构的姿态。

我国铁路隧道施工首次采用ＴＢＭ在西康线秦岭隧道使用的维尔特ＴＢ８８０Ｅ隧道掘进机使用的是ＺＥＤ－２６０导向系统。

目前，在一些盾构和ＴＢＭ上安装使用的是ＺＥＤ－２６１系统。

上海地铁２号线静安寺到江苏路区间隧道的掘进工程中使用的盾构安装的导向系统就是ＺＥＤ－２６１系统。

施工中系统运行良好，数据记录无误，各项功能正常。

ＺＥＤ系统基本组成见图４。

1.5　SLS-T导向系统ＶＭＴ公司生产的ＳＬＳ－Ｔ　ＡＰＤ系统可以提供盾构和ＴＢＭ高精度地沿着设计路线掘进所需的必要信息，是一个组合了各种必备功能的系统。

海瑞克盾构使用的是ＳＬＳ－Ｔ　ＡＰＤ系统，该系统主要基准点由一个从激光经纬仪发射出的激光束提供，激光经纬仪安装在隧道较稳定区域洞壁或管片上，激光束发射距离为２００ｍ。

见图５，ＳＬＳ－Ｔ导向系统典型示例。

2　导向系统的基本组成和功能盾构和ＴＢＭ导向系统的主要原理是通过固定在隧道已拼装好且比较稳定的管片上的专用托架上的全自动全站仪，以一定的时间间隔实时测量出两个控制点（棱镜）坐标，同时根据双轴倾斜传感器，确定盾构和ＴＢＭ的俯仰角和滚动角，经由控制电缆输入采集的数据，再经过计算机专用的隧道掘进软件整理和计算，通过对盾构和ＴＢＭ当前实际位置和相应里程的设计位置的综合比较，位置和姿态就以数据和模拟图表两种形式显示在控制室内的电脑屏幕上。

导向系统的主要硬件包括工业用ＰＣ机、全站仪、双轴倾斜计、ＰＣ机与全站仪之间的无线电联图2　TACS导向系统图3　小松导向系统图4　ZED导向系统连接方式图5　SLS-T导向系统典型示例系、全站仪电源、棱镜、电缆及其他部件。

软件包括：①衬砌环拼装程序，可出示衬砌环报告；②修正曲线的计算和显示；③自动盾尾间隙测量和监控；④为在掘进机控制盘上显示计算出的“环号”（表示环位置）的通讯联系；⑤根据输入的数据计算和输入隧道理论中心线；⑥其他装置。

无论哪种品牌的导向系统，不管其硬件组成和软件功能是复杂还是相对简单，主要有以下功能：①计算盾构和ＴＢＭ的位置并以表格和数字的形式显示出来；②计算并显示各环管片安装后的位置；③计算并显示盾构和ＴＢＭ的倾向；④计算并显示管片的倾向；⑤计算盾构和ＴＢＭ转回到设计路线的校正曲线；⑥根据校正曲线预先计算将要安装的管片环；⑦全面纪录数据，比如掘进纪录，日志等；⑧显示根据校正曲线设计的千斤顶延伸值；⑨完成ＰＣ组件的操作；⑩隧道设计轴线计算；　自动检查方向（方位控制）。

3　影响导向精度的因素及应注意的问题3.1　影响导向系统精度的因素盾构和ＴＢＭ掘进过程中，影响掘进精度的因素除了设备本身、地质和水文地质等以外，更重要的是导向系统本身的因素、环境因素和作业人员的因素。

１）导向系统本身的因素：　①系统本身精度误差，如系统各个元器件的测量误差、设备安装误差等；②传输电缆的各端接口设计和制造标准不完全统一造成数据传输系统不稳定；③原始数据的测量误差。

２）环境因素：①电磁干扰或折光影响产生误差；②掘进过程中震动对系统的影响误差；③隧道内粉尘、湿度、温度的影响。

３）人员因素：①作业人员的综合素质；②作业人员的责任心；③作业人员当时的身心状态。

3.2　需要注意的问题１）加强培训，提高人的综合素质，使操作人员全面掌握导向系统的组成、原理和性能；建立健全各项制度，严格执行操作规程和施工测量制度。

２）重视文明施工，加强通风、除尘，按照要求控制好作业范围内的环境温度。

３）加强管理，保护、保养好仪器设备。

定期对系统各种仪器以及各部件进行检查、保养，保证其运转正常、安装牢固、位置关系正确；加强对仪器设备的防护，如防混凝土喷射、防水防潮等；按照规定对仪器进行校核，确保其性能可靠。

４）全站仪的置镜点要选在安全、稳定、便于自动瞄准前、后视棱镜的位置；定期检测全站仪设站点、定向点坐标、后视棱镜坐标等，确保棱镜的位置可靠、安全，避免由于振动引起松动。

５）密切观察监视隧道掘进的实际中线位置与设计中线位置的关系，在隧道掘进过程的间隙，及时进行控制测量，以检核、修正导向系统的有关参数，调整掘进偏差。

６）做好应急预案，当动力电源系统因故障突然停电时，确保必要的电力供应，使工业用计算机正常运行，以便将测得的数据处理完毕并防止造成数据丢失。

4　选用导向系统的注意事项盾构和ＴＢＭ是集机、电、液和自动控制为一体的先进隧道施工机械，导向系统在盾构和ＴＢＭ隧道施工中起着指导掘进方向的重要作用，随着科学技术的不断进步，导向系统的性能会越来越精良，与其相关的数据处理和管理软件的功能也会越来越全面、强大。

在选用导向系统时需考虑以下因素。

１）不同制造厂商生产的导向系统尽管在系统的软、硬件配置和精度等级上有所不同，但其基本原理和作用是相同的，盾构和ＴＢＭ生产厂家选择导向系统必然要考虑与设备本身功能的最优配置和满足项目施工需要。

因此，在选择导向系统品牌时，要坚持安全可靠与经济实用相结合，不能盲目追求高配置、高精度。

高配置和高精度必然意味着高投入。

２）提高对导向系统精度等级的认识。

导向系统的精度等级与整个系统的配置有关，但主要取决于全站仪的测角精度。

地铁区间长度一般在１０００ｍ左右，导向系统全站仪的测角精度在２～３ｓ完全能够满足掘进需要；铁路以及水工隧道长度一般在数ｋｍ至数十ｋｍ，虽对导向系统的精度等级有更高的要求，但全站仪２ｓ的精度等级也是能够满足掘进要求的。

如前所述，海瑞克盾构使用的ＳＬＳ－Ｔ　ＡＰＤ系统、ＬＯＶＡＴ盾构使用的ＴＡＣＳ系统、ＮＦＭ盾构使用的ＰＰＳ系统的精度等级为２ｓ，小松盾构使用的ＲＯＢＯＴＥＣ测量系统的精度等级为３ｓ。

维尔特ＴＢ８８０ＥＴＢＭ最初使用的是ＺＥＤ－２６０导向系统，大修改造后使用ＰＰＳ系统用于中天山隧道进口１３．６４ｋｍ掘进，采用ＴＣ２００３全站仪，测角精度为０．５ｓ；全长８５．３ｋｍ的大伙房引水工程采用数台ＴＢＭ掘进，其中１台掘进长度１３ｋｍ左右，采用ＰＰＳ导向系统，全站仪为ＴＣ１８００　型，　测角精度±１ｓ；西秦岭隧道采用２台罗宾斯∅１０．２ｍＴＢＭ掘进，单台掘进长度１６ｋｍ左右，使用的ＰＰＳ导向系统的精度等级也是２ｓ，设计联络时曾要求厂家将精度等级从２ｓ提高到１ｓ，厂家认为２ｓ的精度等级完全能满足施工要求，不同意提高。

３）不能因为盾构和ＴＢＭ安装有导向系统就忽视或放松日常测量和定期的精密测量，必须严格按照规范要求，建立健全分级负责的测量管理体系。

由于盾构和ＴＢＭ的掘进速度比较快，为保证按照隧洞的设计轴线方向掘进，在掘进过程中，利用基本导线控制点及时对盾构和ＴＢＭ上的导向系统进行检查、纠正是非常重要的。

在地铁施工中，由于盲目依靠盾构导向系统，不及时进行人工测量校核掘进方向而出现盾构掘进偏离设计轴线较大，造成重大损失的事例并不鲜见。

盾构和ＴＢＭ的导向系统是确保设备正常掘进的首要条件，但必须建立健全相应制度，形成分级负责、分工合作的测量管理体系：①地铁项目采用“两级负责，三方结合”，即盾构掘进班与测量班分工负责，盾构导向系统测量、项目部人工测量和有资质的地铁监理测量队伍定期控制测量相结合的测量管理体系；②长大铁路隧道、公路隧道和水工隧道一般采用ＴＢＭ掘进，部分越江、越海工程采用泥水盾构掘进，由于掘进距离较长，人工测量复核尤为重要，应当建立“三级负责，四方结合”的测量管理制度，即：盾构掘进班、测量班、子分公司测量队分工负责，盾构导向系统测量、项目部人工测量、子分公司测量队定期复测、集团公司精测队控制测量相结合的测量管理体系，这样经常用精密导线和精密水准测量的方法检测盾构和ＴＢＭ的实际位置，确保输入数据和导向系统所测得的数据准确无误。