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1、地铁盾构掘进导向系统1系统的构成口地铁盾构掘进导向系统是由英国ZED公司生产的ZED261盾构姿态测试仪和自行研究开发的数据采集管 理系统组成。集测量、仪器仪表和计算机技术于一体，具有对盾构掘进姿态、与隧道设计轴线偏离进行动 态测量的功能，测量所得的数据由后位工业计算机进行数据处理；向施工人员提供实时图控界面、数据查 询手段和参数设置等友好的人机交换界面。口（1）ZED261盾构姿态测试仪的构成口ZED261 盾构姿态测试仪是 ZED 公司生产的、专门用于隧道掘进过程中实时动态测量盾构掘进时的姿态 和偏离设计轴线数据的仪器。 1986年曾被授于英国技术成果女皇奖，成功地应用在英法海峡隧道的施工
2、 中，创掘进隧道80km偏差50mm的纪录。它由目标单元、倾斜单元、控制单元、激光枪、小型终端机 和分配箱等六部分组成，见图1。口图1 ZED261盾构姿态测试仪的构成 目标单元口目标单元是个具有透明屏幕的长方形盒子，在一端有用于连接电缆的插座。它用来接收激光信号，能测量 激光束照射在其靶面上的位置和入射角度。一般目标单元安装在盾构前部的托架上，可以每 50mm 间距 水平移动，也可以 3的角度转动，因此能覆盖更大的目标区域。其工作原理为：激光束通过前部透明屏幕进入目标单元（部分散射），部分光击中安装在单元底部和侧面的 传感器，传感器可以探测光束进入屏幕时的位置；其余的光束通过透镜到达安装在轴
3、心上的传感器，此传 感器装在单元的后部，用来测量光束的倾角。后部的传感器与前部透明屏幕距离较大。因此，如果激光束 很弱，就会造成读数不精确。从传感器出来的信号被转换成电子信号，并通过单元后部的电缆输入到控制 单元。口 倾斜单元口倾斜单元内装有两只高稳定性、彼此成 90的传感器。传感器利用钟摆重锤原理，测量重锤相对于重力的 角度，然后转换成电子信号（脉冲信号），送入控制单元进行计算。两只传感器分别测量滚动角（绕盾构主轴 的旋转）和俯仰角（在垂直面中的旋转）。移动范围为土30mm/m以上，精度达0.5mm/m以上。长方体的 倾斜单元应固定在目标单元附近。 分配箱口分配箱是系统中最简单的单元。它有两
4、个功能：连接目标单元与倾斜单元的信号，并使信号输入到控制单 元；向目标单元和倾斜单元提供电源。 控制单元口 控制单元是系统的中央大脑和记忆中枢，所有各单元提供的信息，都由控制单元来进行处理、计算和储 存，决定系统如何运转的控制软件把各信息计算后的结果显示在屏幕上，数据可通过显示屏幕下面的按钮 来选择，各项控制参数和修改参数也可用KEY钥匙钮打开输入口后输入。口 小型终端口小型终端是一种类似于手提计算机的装置，它具有以下功能：输入和储存设计轴线参数（DTA表）、激光枪 的坐标参数；对控制单元进行一系列的检测；与下位控制单元和上位工业计算机进行通信；能接收上位工 业计算机上编制的设计轴线DTA表参
5、数。口（2）数据采集系统的构成口数据采集系统主要由通信接口、实时监控和数据采集管理三大模块组成，主要完成与 ZED261 的数据交换。 通信接口模块口通信接口模块是数据采集管理系统的前向通道，采用ZED261系统的通信协议和通信规约，经ZED261 控制单元的通信接口进行数据交换，实时刷新各项所需数据，并把数据放入数据缓存区，再以DDE方式 向后续模块提供各项数据。 由于 ZED261 通信限定为 RS-232C/9600 波特（单工）方式，所以数据刷新周期为 30S。 实时图控模块口实时图控模块把实时测量数据以图形方式显示在计算机各界面上，有实时测量、姿态测量、系统检测等界 面。其主要功能有
6、：盾构的姿态显示、系统状态检测，以及完成对其它功能模块的协调。 实时测量界面：口实时测量界面以图形方式表示 ZED261 盾构姿态测试仪所测得的实时动态数据，其中有盾构的现在位置和 预测位置，游标方式显示盾构的坡度值以及滚动角的当前值，同时界面上还用实时动态曲线表示滚动角和 俯仰角连续变化的实况。 盾构姿态测试界面： 盾构姿态测试界面以实时动态曲线方式显示了盾构从前段时间直到当前对于设计轴线的偏离情况，从两个 方面描述了盾构的位置实况（水平面和垂直面）；另外也以图象方式显示了盾构的姿态；滚动角和俯仰角， 整个界面具有动画效果，可以让人对盾构目前的姿态以及推进的情况有一个直观的了解。 系统检测界
7、面： 系统检测界面主要用于检测 ZED261 盾构姿态测量仪本身的性能，以保证整个系统工作的可靠性。界面显 示出激光束照射在目标单元前部透明屏幕上的位置，同时也用游标方式显示盾构的滚动角、俯仰角及相应 参数值。界面上还用实时图形方式显示出激光枪到目标单元的一个组合画面，这样可让操作人员了解整个 ZED261 盾构姿态测量仪的目前状况。 数据管理模块口数据管理模块要实现与通信模块的数据通信；实现数据定时采集；对所采集的数据进行建库、查找、打印 等，具有以下功能：口测量数据报表功能：口把测量结果以报表形式显示并打印输出，可对测量结果进行查看，也能输出特定某一环的测量报表测量数据管理功能：口对系统采
8、集的各环测量数据进行查找，有单环数据的查找和环间数据的查找，查找结果可是数据报表或是 数据曲线；在环间查找中可选择目标的现在位置、目标的预测位置或目标单元屏幕上当前激光照射位置的 数据等。口测量参数管理功能：口测量参数管理功能是完成对各项测量参数包括本地铁工程的设计轴线坐标参数、测量实际结果参数、测量 修正参数等的管理。口系统通信检测功能：口从模块界面上可以清晰地了解到数据采集管理系统和ZED261系统之间实时动态的通信和数据交换的 情况。口2系统的工作原理口(1)ZED261盾构姿态测量仪工作原理口当盾构在掘进时处于某一位置(N、N + 1之间)，以掘进距离和激光枪的坐标点为基点，计算出目标
9、单元的 目前坐标点M,见图2、图3。口NM=NA+AN口Em = EA+AE口ZM=ZA+AZ口其中：N = ScosaDE = SsinaDZ = StgaDa = 180。-阻测量开始前，系统要求输入目标单元的坐标、激光枪的坐标、隧道的设计轴线坐标，并调整好起始参数。图 2 掘进距离和激光枪坐标点图 3 计算目前坐标点当盾构掘进开始，盾构沿着轴线向前推进，由于盾构所处的地质条件不同，盾构推进时的姿态将发生各种 变化，这些变化就会具体地反映在系统上，引起各项参数的变化，一是目标单元上的激光点位置沿 X 轴或 Y 轴的变化，其次是倾斜单元的参数变化。(2)数据采集管理系统的工作原理口数据采集管
10、理系统主要的任务有三项：实现与 ZED261 系统的数据交换；实时监控界面；数据管理系统。 系统软件的结构口系统数据流是从 ZED261 开始，经通信接口，由后位计算机采集，流进实时图控模块和数据查询模块后， 最后到达结果输出模块，见图 4。图 4 系统数据流程 系统数据库口系统数据库采用了 ACCESS2.0,这是因为数据采集管理系统多数程序是用VB编制的，而VB可以直接 捆绑ODBC类型的数据库，且具有SQL的功能。采用ACCESS2.0后，有利于进行数据查找等一系列的 操作，由于ACCESS又是WINDOWS下通用的数据库，所以易与其他软件进行数据交换。3系统的主要技术指标口(1) ZE
11、D261盾构姿态测量仪口仪器测试精度：15mm口仪器综合测试精度：25mm口(2) J2固体激光经纬仪口激光波长：635nm口有效射程：200mD水平方向标准偏差：2口 垂直方向标准偏差：2口(3)数据采集管理系统口系统硬件：工业级586电脑IPC-PT/M500S(PC)WOU口基本配置：CPU奔腾166MHz、硬盘3.2G、880x720液晶真彩显示器(带触摸功能)系统软件平台：MSWINDOWS95、INTOUCH5.0、MSVC4.0、MSVB4.0、ACCESS2.0口系统通信模块技术参数口通信物理连接：RS-232CQ波特率：9600(单工)口通信协议：INFORMATION ON MESSAGEDFORMAT FOR ZED TUNNELDGUIDANCE SYSTEMS系统测量精度：18mmD4工程应用地铁隧道掘进导向系统已应用于上海地铁2号线静安寺到江苏路区间隧道的掘进工程中，采集了300环数 据，记录的数据完好，测量结果均小于允许的误差范围3o=18mm,数据采集管理系统的设计符合实 际需要。在施工现场，系统运行良好，数据记录无误，各项功能正常，见图5。 地铁盾构掘进导向系统已通过专家的技术鉴定。图5 11171151环测量数据曲线图 1图 5 见下图出烁i图1图2图5图3,51內訓单/.玛U U单A1 Wjc
地铁盾构掘进导向系统
