摘要：PPS導向系統利用虛擬現實技術、仿真技術，結合全站儀，在盾構法地鐵施工中采用無線數據傳輸，快捷、準確地以圖形和數字的雙重效果實時顯示在IPC電腦屏幕上，向盾構機操作手提供刀盤和盾尾的位置與姿態，供盾構機操作手及時調整盾構掘進參數，指導正常施工。

　　關鍵詞：PPS導向系統,盾構,IPC電腦,TCA電子全站儀

　　1、引言

　　本文通過介紹PPS導向系統，以及維爾特盾構機在深圳地鐵2號線東延段2226標盾構區間的應用、維護及應注意的情況。

　　2、PPS導向系統

　　2.1 導向系統介紹

　　PPS導向系統創始于上世紀70年代，總部位于德國Landau。為各種型號的隧道掘進設備提供服務，同時PPS也為盾體、模具、管片提供高精度的測量服務。

　　在地鐵隧道盾構機掘進過程中,為了避免盾構機發生意外的運動及方向的突然改變，必須對盾構機位置和隧道設計中線(DTA)的相對位置關系進行持續地監控測量，便于盾構機操作手能夠按照設計路線精確地掘進，PPS導向該系統為盾構機沿設計軸線掘進提供了重要的數據信息，PPS導向系統具有完善的功能，操作簡便。

　　2.2 導向系統組件

　　2.2.1導向系統組件配置及連接線路

　　PPS導向系統是由TCA全站儀、全站儀供電器、數據多路器、自動棱鏡、參考棱鏡、雙軸傾斜儀和IPC電腦及TBM3計算軟件組成。其組件布置見圖2-1。

　　圖2-1 PPS組件布置圖

　　2.2.2主要系統組件功能簡介

　　(1) TCA激光全站儀

　　安裝有自動馬達，具有自動照準目標和跟蹤，并可發射激光束，與全站儀供電器直接連接，并通過無線方式將測量結果發送給數據多路器傳輸至IPC電腦。

　　(2) 數據多路器

　　是PPS導向系統的數據交換控制中樞，它能接收全站儀通過供電器發射的數據信號和發送IPS電腦給全站儀的控制信號、接收雙軸傾斜儀俯仰和滾動的角度數據和盾構機PLC提供的鉸接、油缸的伸長量數值，然后直接傳輸至IPC電腦，協調它們之間的數據信號傳輸，確保數據間通訊的有序工作。

　　(3) 雙軸傾斜儀

　　是一臺智能性型的傳感器，它為數據多路器提供電源，并且同時發送俯仰和滾動的角度數值至數據多路器，通過數據多路器的協調傳輸至IPS電腦。

　　(4) IPC電腦

　　IPC電腦安裝有TBM3計算軟件，是導向系統數據處理和控制中心，分別與TCA全站儀、數據多路器、雙軸傾斜儀和盾構機PLC數據信號進行傳輸和處理。

　　(4)工作過程概述

　　PPS導向系統由以上硬件組成，為TBM3程序提供測量數據和交換信息。工作過程如下：TCA全站儀對參考棱鏡進行測量后，再對兩個固定在盾構機頭上的自動棱鏡的位置進行測量，并把觀測的數據通過全站儀供電器無線傳輸至數據多路器，TBM3軟件通過IPC電腦調用雙軸傾斜儀的俯仰和滾動的角度、推進油缸與鉸接油缸的伸長量，以及一些預先設定的參數，然后對數據進行及時計算和分析盾構機的實時位置和設計線路在平、縱面上的位置和較差，并把結果通過數據和圖形的形式顯示在屏幕上。工作過程線路和測量界面如下圖2-2所示：

　　圖2-2 PPS工作過程線路和測量界面

　　2.3 PPS導向系統測量原理

　　2.3.1 坐標系統

　　任何測量工作的基礎都是坐標系統，PPS導向系統采用了3種不同的坐標系統。

　　(1) 大地坐標系統：整個工程路段在局部或全國意義上的控制網中的位置描述，用來計算所有的固定點，起點和中間點，盾構機掘進線路。

　　(2) DTA系統：IPC電腦屏幕顯示盾構機前、中、后基準點的里程和偏離值，如上圖2-2。該坐標系統應以動態的意識來進行理解，它是實時的顯示盾構機相對于DTA的偏移值，是相對位置關系的體現。

　　(3) 盾構機自身坐標系統：在盾構機前盾位置安裝了兩個自動棱鏡和5個固定參考點，這些點位在本系統中有著固定的相對關系，每個點位和兩個自動棱鏡分布在不同的平面上，構成了盾構機的立體空間結構，其中盾構機的中軸線作為本坐標系的縱向軸，與其垂直的兩條線作為本坐標系的橫向軸和豎向軸，如下圖2-3所示：

　　圖2-3 盾構機自身坐標系統

　　2.3.2原理概述

　　在盾構機掘進過程中，首先是全站儀自動測量參考棱鏡，然后測量自動棱鏡的位置，根據自動棱鏡和固定參考點之間的相對關系，推算整個盾構機的實際位置，然后模擬出盾構機中心線位置關系，對自動棱鏡的數據通過全站儀供電器無線傳輸到數據多路器中，數據多路器匯合全站儀的定位數據、傾斜儀的俯仰和滾動角度數據傳輸至IPC電腦，IPC電腦將所有測量數據匯總，就可以確定盾構機在全球坐標系統中的精確位置。TBM3軟件將前后兩個參考點的三維坐標與事先輸入計算機的DTA(隧道設計中線)比較，對這些數據進行調用和計算，進而顯示盾構機的實際姿態。

　　2.4 在深圳地鐵2號線東延段2226標盾構區間應用

　　在PPS導向系統安裝完成后，就可以在IPC電腦上進行相應的操作，把維爾特盾構機的初始參數、左線隧道中線的DTA數據輸入TBM3軟件中和進行移站操作。

　　初始參數編輯是對整個PPS測量系統參數的設置，是測量系統各參照要素間相對位置關系的數據描述，也是軟件準確運行的基礎。

　　DTA數據是整個軟件運行的核心，是測量專業人員利用相應的軟件進行計算，然后輸入到計算機中。DTA是盾構機掘進的軌跡，盾構機操作手就是根據軟件的圖形和數據顯示，才能正確得出盾構機的實際推進位置和隧道設計軸線之間的偏差，并不斷改變掘進參數。

　　圖2-4 PPS軟件參數編輯頁面(限值)

　　圖2-5 PPS軟件DTA數據格式

　　維爾特盾構機掘進時的姿態控制是通過全站儀的實時測設自動棱鏡的坐標，反算出前盾、中盾和盾尾的實際三維坐標，通過比較實測三維坐標與DTA三維坐標，從而得出盾構姿態參數。

　　隨著盾構機的往前推進，每隔規定的距離就必須進行激光站的移站。激光站的專用托架可以安裝在拼裝好的管片上，具有一定的穩定性。底板中心焊上儀器連接螺栓，采取強制對中，減少儀器對中誤差。托架安裝位置在隧道左側頂部不受臺車的影響和破壞的地方。安裝時，用水平尺大致調平托架底板后，將其固定好，然后可以安裝前視棱鏡或儀器。

　　移站一般在參考棱鏡托架即將脫出盾構機最后一節臺車后進行，把前視棱鏡安裝在預先安裝好的托架上，PPS導向軟件有自動移站功能，移站的過程除了托架和全站儀及參考棱鏡的安裝，其它測量工作都可以通過此功能完成。

　　3 結束語

　　PPS導向系統以簡單、方便、及時和直觀的交互界面充分發揮了“盾構機眼睛”的作用，在目前盾構法施工工藝中具有良好的應用前景。

　　PPS導向系統是建立在傳統測量基礎上技術研發，因此要求我們的主管人員必須具備基本的測量操作技能。在實際的運用過程中仍然某些操作細節不如VMT導向系統簡單，需要不斷的改進和完善，需要我們一線操作人員不斷地提出建議，進行理論研究，最終探討出在隧道相對惡劣環境下最理想的操作模式。

　　參考文獻：

　　[1]GB50026-2007，工程測量規范.

　　[2]GB 50308-2008，城市軌道交通工程測量規范.

　　[3]《PPS 盾構導向系統使用培訓》，PPS中國分公司技術培訓班.