【摘要】介绍了TBM自动测量导向系统控制技术、基本构造及其导向原理，阐述了测量导向系统软件的控制及影响测量导向系统因素及所采取的各种措施，并介绍了TBM自动测量导向系统在超长引水隧洞施工中的优越性。
【关键词】TBM；自动；测量导向系统；原理；结构；掘进偏差
1、工程概况
本工程位于吉林省集安市和辽宁省桓仁县境内，主体工程为引水隧洞工程，主洞长35441.382m，纵坡i=0.28‰。共布置5条施工支洞，分别为7#、9#、10#、11#和12#。隧洞采用两台TBM施工（TBM3和TBM4），TBM3由9#支洞运入主洞，在9#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内组装，掘进至7#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内检修，检修后掘进至6#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内拆卸，由6#支洞运出。TBM4由11#支洞运入主洞，在11#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内组装，掘进至10#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内检修，检修后掘进至9#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内拆卸，由9#支洞运出。
2、TBM施工测量导向系统控制技术
本工程采用的隧道掘进机由美国罗宾斯公司生产的，型号为MB283-382的全断面岩石掘进机，采用了计算机控制、传感器、激光导向、测量、通讯技术等，是集、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，具有自动化程度高的优点。
超长引水隧洞采用TBM施工，方向的控制极其重要，一方面，方向控制不当，不仅会造成盘型滚刀的损坏，而且还可能造成刀具轴承的卡滞，以致提高换刀频率，增加施工成本，并且严重影响施工进度。另一方面，方向控制不当，会造成隧道超欠挖严重，从而增加了后期二衬工作的工作量，严重影响工程质量。因此，在引水隧洞施工中应严格控制掘进方向，将偏差控制在允许范围内。
MB283-382型隧道掘进机采用的导向系统为ARiGATAYA导向系统，本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监控及操作功能，可实现信息化施工。它可以准确地测量隧道实际轴线与设计轴线的偏差，从而提供给TBM操作手准确的数据，以便调整TBM的姿态。
2.1激光导向系统的基本构造
在TBM上安装的导向系统，用于监测和控制TBM的掘进方向，控制导向系统测量采用的徕卡TS15型全站仪，仪器精度测角为±1”，测距为±（1mm+1.5ppm）。
激光导向系统硬件部分分别由全站仪、后视棱镜、可自动打开和关闭的TBM机内棱镜（LCT）、测量主控箱、倾斜仪、数据传输电缆、系统计算机组成。
（1）棱镜（LCT） 自动测量所使用的的棱镜。在TBM上共设置3个棱镜。通常情况下只使用两个，一个作为备用棱镜。
（2）全站仪 自动跟踪+自动锁定+自动搜索的全站仪器。按照软件设定测量间隔时间，实时测量TBM主机上安装的前视棱镜（LCT）。
（3）后视棱镜 后视棱镜非常重要，它不仅为全站提供提供定位，而且可以自动发现站点的移动而引起的坐标偏差。由于全站仪安装在岩石尚未稳定的洞顶上，极有可能发生移动，如果不被发现，可能会引发非常严重的后果。因此在计算机软件上，设置定时对后视点进行确认，发现异常，并及时从计算机显示出异常。
（4）倾斜仪 为了随时检查TBM姿态，精确显示其倾斜或翻滚的状态。
（5）驾驶室电脑 设置在驾驶室的自动测量专业PC，运行自动测量操作、换站操作和监控。自动计算准确的坐标、方位和TBM倾斜，显示给TBM操作人员。本系统与罗宾斯的PLC系统连接，实时显示TBM其它设备的状态及各种数据的记录。
（6）测量主控箱 控制各机器的通讯及测量。
（7）Host PC 总Host PC设置在地面上，进行各种设定的管理以及对自动 测量的监控，并可以进行远程测量。
（8）数据传输及电源电缆 数据传输电缆包括仪器与系统计算机的连接线，洞外监控系统与主机操作系统的连接光缆及仪器使用电源电缆等。
2.2 测量导向系统工作原理
为了测量TBM的准确位置及方向，至少需要两个确定的TBM点，由于TBM掘进工程中，这两个点移动和滚动，必须测量出其三维空间位置。在导向系统中这两个点设置成安装在TBM主机上的三个棱镜（其中一个为备用棱镜，一般情况下只测量其中两个棱镜来确定TBM的姿态），见图（1），棱镜相对于TBM轴线的位置和局部的TBM坐标必须在TBM安装时确定，采用常规测量的方法测量出三个棱镜与TBM轴线位置关系。导向系统是利用全站仪测量三个TBM内部棱镜，为了更好地确保全站仪与TBM内部棱镜的通视情况，将全站仪隧道前进方向右边顶拱处，并提前确定好全站仪站点坐标及方向。
3、影响测量导向系统因素及所采取的措施。
影响TBM导向系统的因素很多，为保证系统的正常运行，导线系统本身采取的措施：（1）由于导向系统使用的机内棱镜（LCT）共有三个棱镜，为防止由于两个棱镜之间相互干扰而产生错误，本系统采用了马达棱镜，在导向系统软件的控制下能交替的打开和关闭，这样能确保只单独测量一个棱镜，避免二者相互干扰产生的测量错位。（2）由于洞内施工条件恶劣，为保证测量系统的正确及正常运行，采取的主要措施包括：①为了防止洞内灰尘大及测量换站频率，机内棱镜与全站仪之间采用了有线传输方式。②由于TBM掘进过程中刀头振动较大，因此导向系统主控箱采用了特制的防震芯片。
在施工过程中还应采取下列措施：（1）人员操作粗心大意，没有及时关注，导向系统计算机屏幕上的掘进偏移值，导致实际掘进中的中线位置与设计中线位置发生较大偏移；机内棱镜及其它各部件安装的螺丝松动，未及时处理造成的位置发生偏移。解决办法：建立完善的测量制度，严格的操作规程，测量人员与TBM操作人员定期对仪器各部件进行检查，如发现故障，及时排除解决。（2）洞内粉尘过大，导致全站仪与机内棱镜之间无法正常运行采集测量数据。解决方法：①必须保证隧道内正常通风，无特殊情况不得停止风机。②利用厂家提供的压缩空气罐对全站仪底座、提手及望远镜轴周边粉尘等赃物进行及时清除，及时将物镜集用湿巾纸货干布擦拭；利用徕卡厂家提供特制的防尘罩，减少洞内粉尘进入全站仪轴系；在机内棱镜（LCT）护照的上、下方粘上厂家特制的魔术贴，防止棱镜进入粉尘，粘贴前必须将棱镜擦拭干净，不要留有油污等赃物。
4、结束语
合理利用好自动导向系统的应用使得隧道采用盾构和TBM施工极大地提高了掘进速度的同时提高了掘进的准确性、可靠性和自动化程度。任何隧道实际掘进线路都不可能与设计线路完全一致。障碍物、刀具磨损、围岩类别变化、水文地质条件以及隧道内的环境条件、人的因素等都会影响盾构和TBM的掘进方向，这种影响是每时每刻都存在的。因此，TBM在掘进过程中始终需要操作手不断纠偏。正是由于掘进过程中需要不断纠偏，决定了TBM本身需要自动导向系统而不能完全依靠人工测量来确定盾构姿态和掘进方向，但同时又要求使用自动导向系统与人工复测紧密结合，互为补充，缺一不可。在超长引水隧洞施工中应用TBM自动测量导向系统，有助于工程技术人员在隧道施工中及时发现问题、解决问题，保证隧道的正确掘进和最后顺利贯通。
参考文献
[1]王世霏、孙永浩、朱玉峰、高国勇，PPS导向系统在TBM中的应用，水利水电技术，2006年第3期
[2]申华伟、李丽，激光导向系统在TBM中的工作原理及其影响因素，科技情报开发与经济，2007年第19期。
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